Spectre 技术小窍门：器件老化？是的，即使是硅也会失效

18 Oct 2019 • Less than one minute read

作者：Moustafa Moham

虽然我们大多数人都希望我们的电子产品永远工作，但事实是这些产品有生命周期。大多数情况下，器件的寿命受到机械（开关，继电器）或热（熔断器，电容器）故障的限制。然而，随着先进工艺设计的微芯片变得越来越常见，微芯片的寿命成为另一个问题。

几种效应会导致器件老化。某些影响，如电迁移和Time-Dependent Dielectric Breakdown (TDDB)会导致突然故障，而其他影响，如Hot Carrier injection (HCI)和Bias Temperature Instability (BTI)会随着时间的推移不断降低器件的性能。

随着工艺特征尺寸缩小，分析器件可靠性变得更加复杂，因为越来越多的效应导致器件特性的变化。如下图所示:

（点击查看大图）

还存在一个额外的效应（图中未显示），Time-Dependent Dielectric Breakdown（TDDB），自高压线性模拟时代以来一直影响着设计人员。但是，传统的 CMOS工艺扩展规则有助于在高级工艺节点之前避免此问题。

HCI 效应

随着CMOS晶体管缩小到深亚微米区域，HCI再次成为问题。在较短的栅极长度下，因为电源电压不会像栅极长度缩小那样快速地缩放而导致了电场的增加。沟道中较高的电场导致电子在沟道中与晶格中的原子产生电离碰撞。这些碰撞产生热电子，一些热电子被捕获在栅极氧化物中。氧化物中的电子增加器件阈值电压并降低沟道中电子的迁移率。

NBTI效应

当栅极 - 源极结上的电压为负时，正载流子由于电应力而被捕获在氧化物/硅界面或氧化物中时，发生Negative Bias Temperature Instability（NBTI）。这种效应具有温度相关性。 NBTI 主要是PMOS 晶体管的问题。当向氧化物中添加氮以减少栅极漏电流时，NBTI的影响会增加，这是因为产生陷阱位点所需的能量较少。与渐进发生的 HCL不同，NBTI具有更直接的影响。此外，当去除电应力和/或温度下降时，NBTI的影响会部分恢复。发生在器件衬底的NBTI影响是可逆的，但是在界面的NBTI影响是永久性的。

PBTI效应

Positive Bias Temperature Instability（PBTI）已经成为采用金属栅高K栅堆叠技术的一个问题。 NMOS晶体管具有PBTI效应，其影响与温度有关。与NBTI不同，不会在界面处产生PBTI效应;因此，当去除电应力和/或降低温度时，可以完全恢复。

Spectre原生可靠性分析

您可以使用Spectre®的原生可靠性功能执行可靠性分析并轻松解决这些影响。

要进行可靠性分析，应从工艺厂商获得必备的老化模型。一些代工厂使用Spectre®AgeMOS 内置模型进行老化分析，而其他代工厂使用其专有模型库来计算晶体管的老化退化。

Spectre®分两步执行可靠性分析：

在第一步中，Spectre仿真晶体管上的应力，并根据此仿真结果计算退化。
在第二步中，Spectre在晶体管上施加退化，以仿真在指定的老化年份之后电路的行为。

下面是一个简单的可靠性语句示例，用于分析电路运行10年后的行为：

rel reliability {

age time=[10.0000y]

accuracy level=1

// Stress simulation

tran_stress tran stop=10u annotate=status

// Aged simulation

tran_aged tran stop=10u annotate=status

}

Spectre 技术小窍门：器件老化？ 是的，即使是硅也会失效

Spectre 技术小窍门：器件老化？是的，即使是硅也会失效