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超深亚微米集成电路可靠性设计与建模方法

作　者: 李康
导　师: 郝跃
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 集成电路可靠性仿真 VLSI 超深亚微米MOSFET可靠性 BSIM3器件模型可靠性参数提取
分类号: TN402
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

为了适应SoC芯片性能的要求，VLSI的的密度和复杂度随着不断缩小的设计规则而不断增加。那么对于复杂的SoC芯片如何能够对其长期工作的可靠性进行评估就成为一个重要的问题。超深亚微米下的CMOS电路长期可靠性是由MOSFET的微观失效机制来决定的，对CMOS电路可靠性的评估和改善应该在失效模式分析和对基本的物理失效机制正确理解的基础上进行。本论文重点通过对影响超深亚微米器件可靠性的几种最主要失效机制进行分析和建模，建立起了对交流工作状态下的电路可靠性退化的评估算法体系。并且设计了一个半导体集成电路可靠性评价平台软件体系架构，将可靠性退化评估算法进行了系统集成。该平台最终在Cadence设计环境下实现完成。论文首先介绍了超深亚微米器件的基本特性、用于描述其行为的BSIM3器件模型和电路仿真分析的基本原理，并描述了Cadence工具的基本组成。然后，对超深亚微米MOS器件的可靠性退化机理进行了分析和建模。对引起超深亚微米电路长期工作失效问题的三种最主要失效机制即MOSFET的热载流子注入引起退化(HCI效应)、负偏置温度不稳定性(NBTI效应)以及栅氧化层经时击穿失效(TDDB失效)进行研究，并建立在静态应力下的退化模型和电流模型，可以对器件参数的退化和寿命进行预测和评价。以此为基础，又提出了各自适用于电路工作条件下来预测器件退化的相关准静态模型。在MOS器件3种主要失效机制的物理模型基础上，进一步提出了电路可靠性仿真方法。本论文提出了对模拟和数字电路适用的电路长期工作寿命的仿真预测算法，利用这些模型工具来评价和预测CMOS电路长期工作条件下整体退化情况和电路的可靠工作寿命。并在Cadence设计环境中进行了实现。进一步提出一种MOSFET的退化漏电流模型，又称为△I_d模型，对HCI应力条件下电路退化后的工作波形进行仿真预测。这一△I_d模型采用单一等式形式进行描述，在全部三个工作区域连续可导。通过这些仿真算法的使用，本论文实现了器件级电路可靠性仿真的基本功能。在可靠性模型参数提取方面，本论文提出了一种多目标全域优化提取的参数提取方式。采用这一方法，可以对同一种工作条件下的多个模型参数同时进行优化提取，这样提取的结果不仅可以使被拟合模型同时满足拟合条件，而且能够得到反映多个模型参数内在联系的最优参数集。通过将这一方法在可靠性参数提取工具OPTIMRel中实际使用，取得了良好的效果。最后，设计并实现了一个超深亚微米集成电路可靠性仿真评价平台。在这一部分先描述了可靠性评价平台的软件体系结构，综合考虑了对硅MOS器件和电路可靠性研究领域的一些共同需求，使其能够适用于集成电路可靠性评价领域中大部分应用模式。然后，给出了可靠性算法设计集成方法及其实现。在这一软件体系结构指导下，设计实现了“西安电子科技大学集成电路可靠性分析系统”(XDRT系统)作为这一软件体系结构的一种实现方式。XDRT可靠性分析系统的设计实现为超深亚微米MOSFET电路可靠性的研究提供了一个平台，并且为今后对电路可靠性的进一步研究奠定了基础。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-20
  1.1 集成电路发展规律与可靠性研究的意义  12-14
  1.2 研究的现状及展望  14-16
  1.3 本论文中研究工作  16-20
第二章深亚微米器件模型及电路仿真器  20-33
  2.1 深亚微米CMOS器件基本结构  20-23
  2.2 SPICE电路仿真器与BSIM3器件模型  23-27
  2.3 Cadence模拟电路仿真环境  27-31
  2.4 本章小结  31-33
第三章深亚微米CMOS器件退化建模  33-56
  3.1 热载流子注入(HCI)退化机制的器件模型  33-44
    3.1.1 深亚微米MOSFET的HCI退化  33-35
    3.1.2 幸运电子模型  35-37
    3.1.3 深亚微米nMOSFET的电流模型  37-40
      3.1.3.1 衬底电流模型  37-38
      3.1.3.2 栅电流模型  38-40
    3.1.4 深亚微米pMOSFET的退化栅电流模型  40-41
    3.1.5 深亚微米MOSFET的退化模型  41-44
      3.1.5.1 nMOSFET的HCI退化模型  42-43
      3.1.5.2 pMOSFET的HCI退化模型  43-44
  3.2 薄栅氧化层失效机制(TDDB)的器件模型  44-47
    3.2.1 TDDB击穿机制  45
    3.2.2 深亚微米MOSFET的TDDB统计模型,  45-46
    3.2.3 基于TDDB统计模型的电路累计失效率模型  46-47
  3.3 pMOSFET的负栅压偏置温度不稳定性(NBTI)退化模型  47-55
    3.3.1 深亚微米pMOSFET的SNBTI退化模型建模  49-52
    3.3.2 对DNBTI退化的建模  52-55
  3.4 本章小结  55-56
第四章深亚微米电路可靠性仿真方法研究  56-79
  4.1 电路可靠性仿真方法概述  56-59
    4.1.1 VLSI可靠性计算机评价方法及其重要性  56-57
    4.1.2 SoC系统的VLSI分层可靠性评价策略  57-58
    4.1.3 器件级电路仿真的基本内容和方法  58-59
  4.2 电路退化和寿命仿真方法  59-65
    4.2.1 HCI的退化和寿命仿真方法  59-64
      4.2.1.1 nMOSFET热载流子退化寿命的评估  59-60
      4.2.1.2 电路中nMOSFET的Age参数表计算  60-61
      4.2.1.3 pMOSFET的HCI退化寿命评估  61-63
      4.2.1.4 电路中pMOSFET的老化参数表计算  63-64
    4.2.2 TDDB的失效率仿真及可靠性寿命预测  64
    4.2.3 NBTI的退化仿真和寿命预测  64-65
  4.3 退化电路的工作性能仿真  65-77
    4.3.1 采用△I_d模型描述的优越性  65-66
    4.3.2 △I_d模型物理过程描述  66-68
    4.3.3 采用△I_d模型的建模过程  68-76
      4.3.3.1 已有的△I_d模型  68-69
      4.3.3.2 正向模型线性区模型  69-71
      4.3.3.3 正向模式饱和区模型  71
      4.3.3.4 反向模式下线性区和饱和区△I_d模型  71
      4.3.3.5 双向漏电流退化模型  71-72
      4.3.3.6 在亚阈、线性、饱和区域全域连续平滑的双向△I_d模型  72-75
      4.3.3.7 △I_d模型在电路可靠性仿真器中的实现方法  75-76
    4.3.4 △I_d模型的应用  76-77
  4.4 本章小结  77-79
第五章深亚微米器件可靠性退化模型全域最优化提取方法  79-97
  5.1 深亚微米器件模型的参数提取方法  79-82
  5.2 可靠性应力测量方法  82-86
    5.2.1 HCI和NBTI的测试流程和测试要求  82-84
    5.2.2 TDDB退化模型参数测试方法和要求  84-86
  5.3 深亚微米器件可靠性模型参数多目标全域优化提取  86-90
  5.4 深亚微米器件可靠性模型参数提取实验与应用比较  90-94
    5.4.1 HCI退化的参数提取  90-94
    5.4.2 TDDB失效率模型的参数提取  94
  5.5 可靠性参数提取工具OPTIMRel简介  94-96
  5.6 本章小结  96-97
第六章超深亚微米电路可靠性评价系统的设计与实现  97-128
  6.1 半导体集成电路可靠性仿真平台设计概述  97-99
    6.1.1 创建半导体集成电路可靠性仿真平台的必要性  97-98
    6.1.2 基于构件和软件体系结构设计的IC可靠性评价平台实现  98
    6.1.3 本论文中可靠性算法的集成  98-99
  6.2 集成电路可靠性分析系统软件体系结构设计  99-112
    6.2.1 软件体系结构定义及其基于UML语法的描述  99-105
    6.2.2 特定领域软件体系结构(DSSA)设计方法  105-106
    6.2.3 系统需求分析模型  106-109
    6.2.4 可靠性分析系统的体系结构设计  109-112
  6.3 集成电路可靠性分析系统的软件设计和实现方法  112-122
    6.3.1 基于体系结构的软件设计方法  112-113
    6.3.2 IC可靠性分析系统构件及设计工具选择  113-115
    6.3.3 可靠性分析系统的核心数据结构设计  115-116
    6.3.4 集成电路的可靠性分析算法与实现  116-122
  6.4 XDRT集成电路分析系统简介  122-126
  6.5 VLSI可靠性仿真设计与应用比较  126
  6.6 本章小结  126-128
第七章总结  128-130
致谢  130-131
参考文献  131-140
博士研究生期间的研究成果  140-141
附录A 基于流函数方程nMOS器件电流密度函数推导  141-144

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