半导体可靠性分析——BTI分析

### BTI的定义 BTI （Bias Temperature Instability）即偏置温度不稳定性效应，是指在偏置电压和温度的影响下，晶体管的电学参数比如阈值电压和电流呈现出不稳定变化的物理现象。主要包括PBTI（Positive BTI）和NBTI（Negative BTI）两种情况。在亚微米工艺节点中主要关注NBTI，反应扩散机理解释其机理是：微观上是由于硅基底中的钝化Si-H键被打断，留下了带正电的界面态（Si+）, H被释放到栅氧化层中，形成H₂并向多晶硅层扩散，在氧化层形成了氧化层陷阱，这些界面态与陷阱导致半导体器件参数的改变。 **01 失效现象** PMOS在负栅压偏置作用下，IC工作在高电场和高温条件下，饱和漏极电流Idsat和跨导Gm不断减小，阈值电压绝对值不断增大，从而影响到电路的性能 **02 失效模型** NBTI较常使用的解释模型为反应扩散模型。 当器件的栅极处于负偏压下，器件Si/SiO₂界面处经过氢钝化过程后会形成大量的Si-H键。在垂直电场作用下，产生的空穴和Si-H进行反应，使氢原子脱离，形成H，H+或者H₂  ▲ NBTI 反应扩散 ### DE-G中的BTI分析模型 目前DE-G中提供了Vg Exponential和Vg Power Law两种模型。 Vg Exponential模型基于栅极电压，描述了栅极电压对器件寿命的影响，适用于栅极电压对失效时间影响较为剧烈的情况。 Power Law模型基于栅极电压Vg的比值，描述了电压比值对器件寿命的影响。适用于栅极电压对失效时间影响较为平缓的情况。 ### DE-G中的BTI分析界面 本文以Vg Exponential模型为例介绍DE-G中的BTI分析界面，主要分数据选择，设置和结果图表三个部分。  **数据选择** 在此区域中，用户可将用于分析的数据列选到对应的栏目中，比如偏执电压Vg和退化数据Id。 **参数输入和拟合模型** 在此区域中，用户选择具体的模型，并对实验参数和模型拟合参数进行设置，如Operating Temperature和Target Temperature ，Degradation Criteria ，Target Failure Probability Target Voltage 等相关参数设置。 **结果和图表展示** 此区域中提供了所选拟合模型的参数计算结果和图表分析界面  Predicted Lifetime体现了工作电压下，该器件的预期寿命，并和Spec比较。DE-G还提供了丰富的图形分析界面，可以帮忙用户理解BTI推选的过程。  ldsat Degradation by Time 图表体现了不同电压下Idsat Degrade的状况。 Voltage Accelerated Distribution图表体现了TTF与Vg的关系，也可以由此反推计算得到预期寿命内的Vgmax。