最近，中科院微電子研究所劉明院士、李泠研究員團隊在先進邏輯工藝可靠性問題的緊湊模型取得最新研究成果，此研究成果以題為“A Unified Physical BTI Compact Model in Variability-Aware DTCO Flow： Device Characterization and Circuit Evaluation on Reliability of Scaling Technology Nodes”的文章入選2021 VLSI Technology。

BTI效應會影響到器件的使用，并隨著技術節點的降低，BTI逐漸成為器件可靠性的瓶頸，因此如何降低BTI效應是器件可靠性的重要研究方向。下圖是PMOS碰到BTI問題后，器件性能受到影響，同樣NMOS也會有類似的問題，假如這種問題發生在像高密度的SRAM應用中，會嚴重影響 static noise margin （SNM） and write noise margin （WNM） 。

圖1 PMOS NBTI的原理，和對器件性能的影響

在這種背景下，偏置溫度不穩定（BTI）效應成為集成電路（IC）器件可靠性的關鍵問題之一，微電子所團隊開發了一個統一的物理和統計緊湊模型，可以預測BTI對不同工藝節點的器件及電路（低至14nm）的影響，包含復雜的應力/恢復模式表征、超長期老化預測和工藝統計變量（TSV）的影響，實現cycle to cycle/device to device的可靠性評估。

該模型基于2/4態的缺陷中心（DC）理論，針對缺陷的物理特性（如能級分布、占據概率等）建模。通過TCAD仿真驗證和對鰭狀場效應晶體管（FinFET）、平面晶體管等可靠性實驗測試結果的校準，成功地嵌入了BSIM-CMG通用模型，用于器件及電路的動態時間演化和動態電壓縮放分析。這種物理的、可變性的和具有耐久性感知的緊湊模型有潛力將VLSI可靠性設計技術協同優化（DTCO）流程提升到下一代技術節點。

隨著節點的提升，Design for reliability 變得越來越重要，因為一次流片設計價格不菲，很多中小企業禁不起幾輪流片失敗。因此，如何把BTI等可靠性模型嵌入現有設計中，顯得尤其重要。同時，如果有了這個武器，設計帶來的附加價值和壽命就會明顯提高。

隨著電子產品應用的廣泛，在不同領域，比如汽車、醫療、工業、航天天空及國防應用等產品都會遇到生命週期可靠性的問題，因此，在這個層面，基于半導體廠工藝的模型開發是重中之重，同時如何和EDA廠商合作，獲得接近產品實際特性的仿真結果也有很多協同工作要做。

有一點可以確認，模型從業人員通過模型二次開發的核心價值來獲得獨特的設計這個角度去看，相信將來會有很多基于模型擴展基礎上的小而美的設計公司創立，因為歐洲已經有很多創新公司值得我們借鑒。

編輯：jq