CN105930628B - 适用于eda电路可靠性仿真的迭代外推预测bti退化量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于EDA电路可靠性仿真的迭代外推预测BTI退化量的方法，该方法利用采用逐次迭代，在商用可靠性仿真预估软件中基于新的BTI模型外推预测特定时间之后退化量D的大小。本发明可以针对计算效率以及精度的折中，对迭代速度进行调整。因此，本发明提供了一个有效的方法解决了传统线性外推方法不适用于新的BTI模型的问题，且可以集成在可靠性仿真预估软件，实现对电子器件以及电路的可靠性仿真。

Description

适用于EDA电路可靠性仿真的迭代外推预测BTI退化量的方法
技术领域
本发明属于微电子器件与电路可靠性领域，涉及到电路可靠性EDA仿真工具中BTI退化的迭代外推方法。
背景技术
随着半导体器件尺度的逐渐缩小，集成电路技术不断提高，向着高集成度、高性能、低功耗和多功能的方向发展。然而，由于MOS器件的电源电压并未按照等比例的缩小，因此，MOS器件栅介质中电场反而增强，栅介质相关的可靠性问题对器件性能的影响就越来越严重：比如温度偏压不稳定性(bias temperature instability，即BTI)，热载流子注入效应(hot carrier injection，即HCI)等。因此，随着集成电路技术的发展，在电路设计过程中，可靠性问题越来越受到大家的关注。目前，各大电路仿真软件公司，比如Cadence等，都有各自的电路可靠性仿真模块，对于电路的可靠新仿真预测已经是半导体厂商越来越重视的问题。
温度偏压不稳定性是在高温下对MOS器件施加高电压应力(NMOS施加正向偏压，PMOS施加负向偏压)，MOS器件特性会发生退化的现象。然而，当高电压偏置去掉之后，BTI引起的退化会随着时间发生一定程度的恢复。因此，在交流(AC)工作状态下与直流(DC)工作状态下BTI引起的器件性能的退化会存在较大的差异。这就导致了BTI引起的退化更加难以进行评估预测。在正常工作的电路中，多数器件都处在AC工作状态下，因此，对于实际电路的可靠性仿真预测，能够对器件性能退化进行准确的评估，并且能够对器件特定性能参数在特定时间长度下发生的退化进行预测是非常重要的。
在电路的可靠性设计过程中，通常需要保证在特定的时间范围T内(比如10年时间)电路能够正常工作，这就需要根据BTI退化模型及相关参数以及电路的工作状态外推到T时刻的退化情况，然后根据计算得到的退化量反馈到电路中，再对电路的工作状态进行评估。对于传统的BTI退化模型，性能参数D退化以及恢复随时间的变化关系通常都以幂函数形式计算。然后，在进行外推预测时，基于该模型形式可以进行线性外推。如图1所示为一商用电路可靠性仿真预估软件里计算电路可靠性退化的基本步骤：(1)对未退化的(简称fresh)电路进行仿真，得到加在每个为退化的器件上的输出波形；(2)在短时间仿真(简称tran)里计算该器件上任意波形对应的可靠性退化量；(3)根据tran里的退化量计算结果，再基于tran波形，利用外推方式得到较长特定老化时间的器件的总退化量；(4)根据计算出来的器件的总退化量，反馈到该器件模型参数中，然后重新仿真电路从而得到该器件所在电路的性能退化情况。然而，对于纳米尺度MOS器件的BTI退化过程，通常只采用幂函数的形式并不能准确的对性能参数D的动态过程进行描述。根据实验结果发现的器件性能参数D的退化过程可以被理解为是两种动态过程的叠加，其数学模型可以表示为与时间相关的一组幂函数与对数函数的和；同理，参数D的恢复过程也可以表示为与时间相关的另一组幂函数与对数函数的和。对于以上模型的形式，采用常规计算从而线性外推对退化量进行评估是极其困难的。因此，将新的BTI模型嵌入到EDA可靠性仿真工具中，如何有效地外推预测BTI退化量是亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对在新的BTI模型框架下，不能采用线性外推方法对器件与电路特定时刻的退化进行预测评估这一问题。提出普遍适用于商业可靠性仿真预估软件的BTI导致的退化量D的渐进式外推方法。
本发明提出的技术方案如下：一种适用于EDA电路可靠性仿真的迭代外推预测BTI退化量的方法，如图4所示，具体步骤包括：
1)在tran里针对器件在任意波形下BTI引起的退化量进行计算；并根据计算结果，对tran里任意波形的占空比进行等效计算；
2)根据步骤1)的计算结果，将tran的波形等效为一个高电平Vg1加上一个低电平Vg2的简单波形；
3)按照步骤2)等效出来的简单波形进行BTI引起的退化量的计算，在计算的过程中，分两段进行计算，即高电平计算一次与低电平一次；
4)将步骤3)的计算过程重复一定的时间，达到等效波形周期的整数倍之后，按照步骤3)对器件等效之后的波形重新进行等效，其中波形的占空比保持不变，然后继续按照步骤4)进行计算，直到波形的总时间达到设定的总时间T后停止进行计算，最终就得到了器件在工作了特定时间T之后BTI引起的退化量。
本发明提供的方法可以普遍解决商用可靠性仿真预估软件中基于新的BTI模型外推预测特定时间之后退化量D的大小问题。本方法采用逐次迭代的方法，针对任意形式的BTI模型均可以采用，体现了其实用性强的优点；并且针对计算效率以及精度的折中可以对迭代速度进行调整，体现其灵活性的特点；因此，本方法提供了一个有效的方法解决了传统线性外推方法不适用于新的BTI模型的问题，该方法可以集成在可靠性仿真预估软件，实现对电子器件以及电路的可靠性仿真。
附图说明
图1是一般可靠性仿真预估软件的计算方法流程；
图2是本发明对tran里任意波形进行等效计算占空比的示意图；
图3是本发明确定等效波形的高低电平方法的示意图；
图4是本发明BTI迭代外推算法流程图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，详细描述本发明的实现方法：
针对新的BTI模型的迭代外推方法如下：
1)实现在tran里针对器件在任意波形下BTI引起的退化量的计算。
2)根据第一步tran的计算结果，对tran里任意波形的占空比进行等效计算。具体等效方法如图2所示，高电平记为“1”，低电平记为“0”，最后统计处在“1”的时间t1和总tran时间t0的比例即为等效出来的占空比。
3)确定等效波形的高电平以及低电平的大小。如图3所示，根据tran波形的计算结果，可以得到两组数据，一个是不考虑BTI恢复的ΔD1，另一个是考虑BTI恢复情况的ΔD2。然后根据BTI应力退化模型与相应的应力施加时间的关系ΔD1＝fstress(V1，t1)求出对应的高电平V1，其中fstress是BTI的退化模型，可以是任意形式；同理，根据BTI恢复的归一化模型与相应的恢复时间关系ΔD2＝frecovery(V2，t2)可以求出对应的低电平V2，其中，frecovery是BTI的恢复模型，也可以是任意形式。
4)根据等效换算后的波形快速计算BTI的退化量D1与D2。在本步骤中，根据等效后的波形进行计算时，针对高电平与低电平阶段分别只需要计算一次。重要的是本步骤中的计算过程比tran里的过程大幅简化，从而极大程度缩短了计算时间并且不损失计算精度。
5)按照步骤4)的方法继续计算，经过特定整数N个周期后停止计算，然后进一步按照步骤3)的方法对波形进行下一次等效换算，其中占空比保持不变，而波形的周期扩大该整数倍；
6)按照5)新等效出来的波形继续进行计算BTI的退化情况，再计算该整数倍N周期后停止计算，如此重复步骤5)和6)的过程，直到计算的总时间达到设定的预估退化时间T后完成计算，最终即可以完成BTI引起的退化量的计算，其中包括考虑恢复的量D1与不考虑恢复过程的量D2。
上述步骤完整地描述了通过迭代外推计算BTI在特定时候之后引起的退化量的方法。
上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (3)

1.一种适用于EDA电路可靠性仿真的迭代外推预测BTI退化量的方法，具体包括：
1)在tran里针对器件在任意波形下BTI引起的退化量进行计算；并根据计算结果，对tran里任意波形的占空比进行等效计算；
2)根据步骤1)的计算结果，将tran的波形等效为一个高电平Vg1加上一个低电平Vg2的简单波形；
3)按照步骤2)等效出来的简单波形进行BTI引起的退化量的计算，在计算的过程中，分两段进行计算，即高电平计算一次与低电平一次；
4)将步骤3)的计算过程重复一定的时间，达到等效波形周期的整数倍之后，按照步骤2)对器件等效之后的波形重新进行等效，其中波形的占空比保持不变，波形的周期扩大所述整数倍；然后继续按照步骤4)进行计算，直到波形的总时间达到设定的总时间T后停止进行计算，最终就得到了器件在工作了特定时间T之后BTI引起的退化量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中将高电平记为“1”，低电平记为“0”，最后统计处在“1”的时间t1和总tran时间t0的比例即为等效出来的占空比。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中将步骤1)中的计算结果分为两组数据，一个是不考虑BTI恢复的ΔD1，另一个是考虑BTI恢复情况的ΔD2，然后根据BTI应力退化模型与相应的应力施加时间的关系ΔD1＝fstress(V1，t1)求出对应的高电平V1，同理，根据BTI恢复的归一化模型与相应的恢复时间关系ΔD2＝frecovery(V2，t2)求出对应的低电平V2。
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