HCI可靠性模型在SPICE BSIM模型中的研究及实现

摘要

近年来，VLSI工艺不断向纳米级推进，MOSFET的沟道长度、宽度、结深、氧化层厚度等参数不断减小，而电源电压却不能相应等比例地减小，这将使器件的HCI（热载流子注入）效应变得更加严重。过多的热载流子注入将在Si-Si02界面产生大量缺陷，导致MOSFET的驱动能力随器件工作时间增加而降低，同时引起某些器件参数的漂移，如阈值电压增大，迁移率减小等，最终将会导致器件失效。
　　 目前已有一些根据微电子行业的失效标准建立的HCI寿命评估模型，如Isub/Id模型（胡模型）、Vd模型、衬底电流模型等，这些模型都是根据测试的器件参数退化量与应力时间来确定在相应应力条件下的器件寿命，找到器件寿命与某种应力变量的线性关系，定出所需的常数，从而外推获得器件正常工作条件下的寿命。应用这些模型可以推算出器件寿命，但无法表征在HCI退化过程中器件电学性能参数随时间的变化。
　　 本文提出了一个新的基于SPICE BSIM的HCI可靠性模型（以下简称HCI可靠性模型），用于描述器件在HCI退化过程中电学性能随时间的变化。研究中采用了标准工艺的0.5μm5VnMOSFET器件，采用Agilent HP4156系绕，CascadeS300探针台和ICCAP2008软件对器件进行数据采集和仿真。文中对选出的最接近设计目标值的器件，进行了4个电压的加速测试，并针对这4个加压(Stress)下的测量数据进行了参数优化提取，最后进行模拟仿真。
　　 通过分析众多参数的意义，并与测试数据相比对，本文提炼了11个BSIM3v3中与HCI相关的参数，其中4个与外加偏压关联的参数为：Ua，Ub，Vsat，Pclm，7个与时间关联参数的参数为：Vth0，K1，Ags，A0，U0，Uc，Keta，并对它们进行时间调制因子的拟合，然后使用Visual C++ SPICE对新的BSIM3v3源代码进行编译，生成新的仿真器，将生成的仿真器设置成默认仿真器，这样新的BSIM3v3 SPICE模型系统就建立了。将新模型的仿真器设置成ICCAP2008默认仿真器进行仿真验证，仿真结果表明采用了该HCI可靠性模型后，在ICCAP2008下测量的曲线与仿真曲线较吻合。该HCI可靠性模型可以对标准工艺下的MOSFET进行HCI可靠性仿真，它不仅能够在可靠性工程师总结出的失效标准基础上评估器件的寿命，而且能够像普通SPICE模型预测未工作过的器件电学特性一样，为集成电路设计工程师预测在不同的偏压条件下施加不同偏压时间过程之后的器件电学特性。