晶体管可靠性多尺度模拟方法

本发明涉及半导体器件仿真、集成电路设计领域，具体地，涉及一种晶体管可靠性方法。

背景技术：

1、可靠性问题是晶体管和集成电路发展过程中非常重要同时又非常复杂的问题。重要性体现在，无论是早期应用的平面晶体管结构，还是当前主流的鳍式晶体管结构，以及未来会逐渐应用的环栅晶体管结构，可靠性问题都不可避免的会存在，而可靠性问题会导致晶体管器件的阈值电压等宏观性能随着时间逐渐退化，最终影响整个集成电路或者芯片的性能。另一方面，可靠性问题非常复杂，根据其物理根源和宏观表现不同，可靠性分为了多个种类，而且随着晶体管尺寸的不断缩小，以及器件构型的不断复杂化，每种可靠性问题的微观物理图像还在发生着变化。因此，如何深入认识和模拟晶体管中的可靠性问题是当前半导体和微电子领域一个重要的课题。

2、当前进行可靠性模拟的手段主要有两种，一种是利用商业tcad工具进行模拟，另一种是利用开源的半经验工具进行模拟。两种手段的一个主要短板在于微观参数不精确，仿真过程中依赖经验设置和数据拟合，这大大降低了可靠性模拟的精确度、可预测能力和研究对象拓展能力。其次，两种工具对于不同的可靠性问题设置了独立的仿真模块，但事实上不同可靠性问题无论在微观起源还是宏观表现上都是有一定关联的，忽略这种关联是不合理，也是不精确的做法。此外，tcad工具中另一个缺点在于内置的部分理论模型，比如缺陷电荷俘获理论模型，比较落后，这导致很多条件下模拟结果不够准确。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本发明提供一种晶体管可靠性方法，用于至少部分解决上述技术问题之一。

3、(二)技术方案

4、本发明一方面提供一种晶体管可靠性方法，包括：基于第一性原理计算获取晶体管的原子级参数；基于原子级参数计算缺陷电荷俘获参数；根据计算得到的缺陷电荷俘获参数，计算晶体管中每一缺陷的占据概率；基于全部缺陷的占据概率以及电荷转移参数，确定可靠性问题情况，其中，可靠性问题情况至少包括阈值电压漂移、栅极漏电流。

5、可选地，计算晶体管的原子级参数，得到微观缺陷数据集，包括：构建晶体管的原子级界面模型；基于第一性原理计算获取原子级界面模型的原子级参数，其中，原子级参数包括晶体管材料界面的原子级参数和缺陷的原子级参数。

6、可选地，基于第一性原理计算原子级界面模型的原子级参数，包括：确定原子级界面模型的初始结构以及电荷密度；基于初始结构和电荷密度，对初始结构进行优化，得到稳定结构；在稳定结构的基础上构建稳定缺陷结构，并计算稳定缺陷结构对应的原子级参数，其中，原子级参数包括电子态耦合常数、结构重组能以及激活能。

7、可选地，电荷缺陷参数包括电荷俘获、释放速率以及电荷转移速率；基于原子级参数计算电荷缺陷参数，包括：基于声子谱计算复杂度以及半导体与缺陷之间的空间距离从多个电荷转移速率计算公式中确定目标计算公式；基于目标计算公式计算电荷转移速率。

8、可选地，在声子谱计算复杂度满足预设条件的情况下，电荷转移速率的计算公式为：

9、

10、其中，w为电荷俘获速率，<i|ul|j>为声子辅助的电子态i和j的耦合强度，wji＝wj-wi为电荷俘获前后整个体系的能量差，为电荷俘获引起的结构重组能，为约化普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，t为温度，ωl为第l支声子模式的频率，e为以e为底的指数函数。

11、可选地，在声子谱计算复杂度不满足预设条件且半导体与缺陷之间存在空间距离的情况下，电荷转移速率的计算公式为：

12、

13、其中，k为电荷转移速率，vc为电子态耦合强度，(δg0+λ)2/4λ为激活能，δg0为电荷转移前后的吉布斯自由能变化，λ是电荷俘获引起的结构重组能，是约化普朗克常数。

14、可选的，缺陷的占据概率的计算公式为：

15、

16、其中，表示对pi求导，pi表示第i个缺陷的占据概率，j表示其他缺陷及半导体，ki，j表示第i个缺陷到其他缺陷或半导体的电荷转移速率。

17、可选地，基于多个占据概率以及电荷缺陷参数确定晶体管的可靠性，包括：计算每一缺陷引起的阈值电压漂移数据、栅极漏电流数据以及随机噪声特征；基于多个阈值电压漂移数据、栅极漏电流数据以及随机噪声特征确定晶体管的可靠性。

18、可选地，阈值电压漂移数据的计算公式为：

19、

20、其中，ε0为绝对介电常数，ε，为相对介电常数，w为栅的宽度，l为栅的长度，tox为栅介质的厚度，xt为缺陷到沟道的距离，qi是缺陷电荷，th为阈值。

21、可选地，栅极漏电流数据的计算公式为：

22、

23、其中，jtrap是隧穿漏电流密度，lx、ly、lz是栅介质的三维尺寸，xi是第i个缺陷到沟道的距离。

24、(三)有益效果

25、本发明提供的晶体管可靠性多尺度模拟方法至少包括以下有益效果：

26、本发明通过第一性原理对构建的原子级模型进行计算，得到多个原子级参数，有效保证晶体管可靠性计算的精确性，提高了晶体管可靠性计算的可预测的能力和拓展能力，而后从器件级模型维度基于原子级参数计算得到晶体管的可靠性，实现器件级模型和原子级模型的有效结合，保证了晶体管可靠性的精确性和统一性。

技术特征：

1.一种晶体管可靠性多尺度模拟方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的晶体管可靠性多尺度模拟方法，其特征在于，所述基于第一性原理计算获取所述晶体管的原子级参数，得到微观缺陷数据集，包括：

3.根据权利要求2所述的晶体管可靠性多尺度模拟方法，其特征在于，所述基于第一性原理计算所述原子级界面模型的原子级参数，包括：

4.根据权利要求1所述的晶体管可靠性多尺度模拟方法，其特征在于，所述电荷缺陷参数包括电荷俘获、释放速率以及电荷转移速率；

5.根据权利要求4所述的晶体管可靠性多尺度模拟方法，其特征在于，在所述声子谱计算复杂度满足预设条件的情况下，所述电荷转移速率的计算公式为：

6.根据权利要求4所述的晶体管可靠性多尺度模拟方法，其特征在于，在所述声子谱计算复杂度不满足预设条件且半导体与缺陷之间存在空间距离的情况下，所述电荷转移速率的计算公式为：

7.根据权利要求1所述的晶体管可靠性多尺度模拟方法，其特征在于，所述缺陷的占据概率的计算公式为：

8.根据权利要求1所述的晶体管可靠性多尺度模拟方法，其特征在于，所述基于所述多个占据概率以及所述电荷缺陷参数确定可靠性问题情况，包括：

9.根据权利要求6所述的晶体管可靠性多尺度模拟方法，其特征在于，所述阈值电压漂移数据的计算公式为：

10.根据权利要求6所述的晶体管可靠性多尺度模拟方法，其特征在于，所述栅极漏电流数据的计算公式为：

技术总结本发明提供一种晶体管可靠性多尺度模拟方法，应用于半导体器件仿真、集成电路设计领域，包括：基于第一性原理计算获取晶体管材料界面的原子级参数和缺陷的原子级参数；基于原子级参数计算缺陷电荷俘获参数；根据计算得到的缺陷电荷俘获参数，计算晶体管中每一缺陷的占据概率；基于全部缺陷的占据概率以及电荷转移参数确定可靠性问题情况，其中，可靠性问题情况至少包括阈值电压漂移、栅极漏电流。本公开实施例提出的晶体管可靠性多尺度模拟方法，从原子级以及器件级进行可靠性多尺度模拟，可以同时模拟多种可靠性问题，并且适用于Si基、Ge基以及以二维材料和宽禁带半导体为沟道的多种晶体管器件，兼具精确性、统一性和拓展性，应用范围较广。技术研发人员：刘岳阳,魏钟鸣,熊涛,徐光华,刘亭炜,李文峰受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/29