引言

隨著半導(dǎo)體工藝進(jìn)入7nm及以下先進(jìn)節(jié)點(diǎn)，器件尺寸的持續(xù)縮小導(dǎo)致可靠性問題日益凸顯。其中，負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性（Negative Bias Temperature Instability, BTI）和熱載流子注入（Hot Carrier Injection, HCI）效應(yīng)成為影響芯片長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃苑治龇椒ㄒ央y以滿足先進(jìn)工藝的精度需求，而基于物理機(jī)制的仿真與參數(shù)提取技術(shù)成為解決這一難題的核心路徑。本文從BTI/HCI效應(yīng)的物理機(jī)制出發(fā)，系統(tǒng)探討先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下的可靠性建模方法，并分析其技術(shù)挑戰(zhàn)與未來方向。

一、BTI效應(yīng)的物理機(jī)制與仿真技術(shù)

BTI效應(yīng)的微觀物理過程

BTI效應(yīng)源于MOS器件柵極偏壓下，界面陷阱（Interface Traps）的生成與積累。在負(fù)柵壓條件下，氮化硅柵介質(zhì)中的氫原子被電離，形成帶正電的陷阱中心，導(dǎo)致閾值電壓（Vth）漂移。隨著工藝節(jié)點(diǎn)縮小，界面態(tài)密度（Dit）顯著增加，BTI效應(yīng)的時變特性更為復(fù)雜。

多物理場耦合仿真

針對BTI效應(yīng)的時變特性，先進(jìn)仿真工具采用多物理場耦合模型。例如，在處理FinFET器件時，需同時考慮柵極電場、溫度梯度、以及界面缺陷分布對BTI退化的影響。通過引入量子力學(xué)修正的漂移-擴(kuò)散模型，仿真工具可精確計算界面陷阱的生成速率與空間分布。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該方法對BTI退化的預(yù)測精度較傳統(tǒng)模型提升30%以上。

動態(tài)BTI效應(yīng)建模

在先進(jìn)工藝中，動態(tài)BTI效應(yīng)（如脈沖偏壓下的快速退化）成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。通過引入載流子捕獲/發(fā)射的動態(tài)模型，仿真工具可模擬脈沖信號下界面陷阱的瞬態(tài)行為。例如，在處理5G通信芯片時，動態(tài)BTI模型可預(yù)測高頻信號對器件閾值電壓的影響，為電路設(shè)計提供時序裕量優(yōu)化依據(jù)。

二、HCI效應(yīng)的仿真與參數(shù)提取

熱載流子的生成與傳輸

HCI效應(yīng)源于高電場下溝道載流子獲得足夠能量，注入至柵氧化層形成界面態(tài)或氧化層陷阱。在先進(jìn)工藝中，短溝道效應(yīng)導(dǎo)致局部電場強(qiáng)度顯著升高，加劇HCI退化。仿真工具通過蒙特卡羅方法模擬載流子的散射與能量損失過程，可精確計算熱載流子的注入概率與空間分布。

參數(shù)提取與模型校準(zhǔn)

基于仿真數(shù)據(jù)，需提取表征HCI退化的關(guān)鍵參數(shù)（如界面態(tài)生成速率、氧化層陷阱密度）。例如，通過分析不同偏壓條件下的閾值電壓漂移（ΔVth）與跨導(dǎo)退化（Δgm），可建立HCI退化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＿M(jìn)一步結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如支持向量機(jī)），可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動化提取與模型校準(zhǔn)，使模型預(yù)測精度達(dá)到90%以上。

多物理場協(xié)同仿真

HCI退化與BTI效應(yīng)存在耦合作用，需通過多物理場協(xié)同仿真進(jìn)行綜合分析。例如，在處理高速I/O接口時，工具可同時考慮HCI引起的閾值電壓漂移與BTI導(dǎo)致的載流子遷移率下降，從而預(yù)測器件在長期工作條件下的性能退化趨勢。

三、技術(shù)挑戰(zhàn)與工程實(shí)踐

工藝變異的建模

先進(jìn)工藝中，器件參數(shù)的隨機(jī)變異（如氧化層厚度、界面態(tài)密度）顯著影響B(tài)TI/HCI退化行為。需通過統(tǒng)計建模技術(shù)（如拉丁超立方抽樣）生成工藝變異樣本庫，并評估其對可靠性的影響。例如，在某28nm工藝的測試中，工藝變異可使HCI壽命預(yù)測誤差擴(kuò)大至25%。

自加熱效應(yīng)的補(bǔ)償

高頻操作下，器件自加熱效應(yīng)會加劇BTI/HCI退化。需通過熱-電耦合仿真，評估溫度對退化速率的影響，并優(yōu)化布局布線以降低熱點(diǎn)溫度。實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)化后可使器件壽命延長18%。

多時間尺度仿真

BTI/HCI退化涉及從毫秒到年的多時間尺度行為。需結(jié)合加速測試方法（如高壓應(yīng)力測試）與長期仿真（如TCAD工具），以實(shí)現(xiàn)全時間尺度的可靠性評估。

四、未來方向

AI驅(qū)動的可靠性建模

未來可探索基于深度學(xué)習(xí)的退化預(yù)測模型，例如通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)BTI/HCI退化的時空演化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)動態(tài)參數(shù)調(diào)整與壽命預(yù)測。

量子效應(yīng)的集成

隨著工藝逼近物理極限，量子隧穿效應(yīng)對BTI/HCI的影響需納入建?？蚣埽缤ㄟ^非平衡格林函數(shù)方法模擬載流子的量子隧穿行為。

標(biāo)準(zhǔn)化建模平臺

為推動可靠性建模技術(shù)的普及，需開發(fā)兼容主流EDA工具的標(biāo)準(zhǔn)化平臺，例如支持OpenAccess格式的可靠性模型庫，以實(shí)現(xiàn)跨工具鏈的協(xié)同設(shè)計。

結(jié)語

先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的BTI/HCI效應(yīng)仿真與參數(shù)提取技術(shù)，為芯片可靠性設(shè)計提供了從物理機(jī)制到工程實(shí)踐的完整解決方案。其工程實(shí)踐表明，該方法不僅顯著提升可靠性評估精度，更在時序收斂、功耗優(yōu)化等關(guān)鍵指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)突破，為未來芯片的長期穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。隨著工藝演進(jìn)，可靠性建模技術(shù)將成為先進(jìn)芯片設(shè)計的核心競爭力。