[发明专利]一种快速的老化仿真分析方法

说明书

一种快速的老化仿真分析方法，包括以下步骤：基于MOSFET建立宏模型；建立宏模型的SPICE网表，设置表征MOSFET特征参数受BTI效应和/或HCI效应的时间积累效果的节点参数；通过SPICE仿真得到时序电路随着老化时间推移的特征变化。该发明在不需要提供包含老化效应的SPICE模型的情况下，基于MOSFET建立宏模型，用电容的电荷积累效应，模拟MOSFET特征参数在BTI效应和HCI效应的影响下，随老化时间而退化的趋势，从而在单次仿真中观察到时序电路随着老化时间推移的特征变化，为包含老化分析的时序验证提供依据。

技术领域

本发明涉及EDA设计领域，特别是涉及快速的老化仿真分析方法。

背景技术

随着半导体工艺尺寸的急剧缩小及芯片集成度的不断提高，电子电路在使用过程中的老化现象变得异常严重。老化效应会导致晶体管的性能下降，阈值电压升高，逻辑单元的翻转变慢，最终引起数字电路逻辑失效。老化效应与半导体的制造工艺相关，同时也受工作电压、温度、信号翻转率(Switch Activity,SA)及信号占空比(Signal Probability,SP)的影响。在老化的不同层次，数字电路会有不同的性能表现。老化是影响数字电路可靠性的主要因素之一。

导致数字电路老化有多种因素，一般为偏压温度不稳定性(Bias TemperatureInstability，BTI)、热载流子注入(Hot Carrier Injection，HCI)、经时介质击穿(TimeDependent Dielectric Breakdown，TDDB)及电迁移(Election Migration，EM)等效应。其中BTI效应主要出现在P型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor)的反型工作区，由栅极相对于源漏及衬底的负栅压引起，负栅压越高、持续时间越久，产生的退化就越严重；HCI效应是MOSFET在沟道开启时，电子运动的过程中受隧穿效应的影响，离开衬底进入了栅氧化层，从而改变了MOSFET的阈值电压；EM效应是金属线在电流和温度作用下产生的金属迁移现象，它可能使金属线断裂，从而影响芯片的正常工作；TDDB效应是MOSFET在持续的栅压下处于积累状态，经过一段时间后，氧化膜有可能击穿，引起器件失效。

以上四种效应中，BTI和HCI主要导致开关速度的缓慢降低，EM和TDDB主要导致随机的崩溃性失效。在采用SPICE(Simulation Program With Integrated CircuitEmphasis)仿真的方式对数字电路进行老化分析时，通常考虑BTI和HCI效应对MOSFET模型的影响。业界普遍的做法是，基于SPICE仿真器的类型，由晶圆厂或芯片设计厂商提供给定工艺节点下包含老化效应的SPICE晶体管模型(以下简称SPICE模型)，对时序电路进行SPICE仿真。在仿真过程中，基本流程可以分为两步：首先是在较小的仿真时间内进行应力(stress)仿真，当SPICE模型包含老化效应时，SPICE仿真器可以得到此时间段内各个MOSFET的参数特性；然后进行时序仿真，同时由仿真器对上一步得到的MOSFET参数按老化时间比例进行外推，调整MOSFET的SPICE模型参数来模拟老化以后的器件开关特性。

上述老化仿真方法有一些局限性，导致老化仿真在实际应用中存在较高门槛：

1.晶圆厂不一定提供给定工艺节点的老化模型；

2.老化模型是基于SPICE仿真器类型和SPICE基本模型版本开发的，一旦切换到其它仿真器或SPICE模型版本，就需要重新生成；

3.老化模型的算法需要在SPICE仿真器内部处理，或者以链接库等黑盒子的方式提供，调试或者修改起来比较困难；

4.单次老化分析需要至少两次仿真(stress仿真与时序仿真)，流程上比较复杂；

随着业界对芯片安全性的要求的不断提高，老化分析已成为芯片可靠性设计中必不可少的环节，而以上因素在实际应用中降低了老化仿真分析的效率，在一定程度上延长了芯片设计验证周期。