專利名稱：Mosfet失配模型的建立及仿真方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件建模方法，具體涉及一種MOSFET失配模型的建立及 仿真方法。
背景技術：
在電路設計的過程中，由于器件工藝失配誤差的存在會對設計造成一定的偏差。 綜合來說，柵氧厚度之間的差異、器件尺寸、器件之間的間距等因素都會對工藝失配誤差產 生影響。 因此，隨著電路設計要求的提高，對模型精度的要求不僅僅體現在電學特性上，還 要求能夠反映由于工藝的失配造成的特性誤差。但是現有的器件模型通常除了描述工藝水 準的上下限以外，并沒有專門描述實際誤差情況。因此，有必要在原先的模型基礎上，建立 失配隨機誤差的描述功能。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種MOSFET失配模型的建立方法，它能夠在 原先的模型基礎上，建立失配隨機誤差的描述功能。 為解決上述技術問題，本發明M0SFET失配模型的建立及仿真方法的技術解決方 案為 采用BSIM3模型(由伯克利大學研發的一種工業標準器件模型)為基礎，分為以 下步驟 第一步，利用統計原理建立模型參數隨機誤差統計表達式； 與器件的溝道區二維面積成反比的工藝參數的誤差表達式為<formula>formula see original document page 3</formula>
與器件溝道的一維長或寬成反比的工藝參數的誤差表達式為<formula>formula see original document page 3</formula>
第二步，根據模型參數隨機誤差統計表達式的物理定義，分別在BSIM3模型中選 擇具有針對性的模型參數，并對其添加統計表達式修正項； 選擇BSIM3模型參數中的vtho、tox、lint、wint和u0這5個參數，添加修正公式， 作為開啟電壓、柵氧厚度、溝道柵長、溝道柵寬和遷移率的誤差描述；開啟電壓的誤差修正表達式為<formula>formula see original document page 3</formula>
柵氧厚度的誤差修正表達式為<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 4</formula>遷移率的誤差修正表達式為AwO二l + ^^承agm^s(0,l,l); 溝道柵長的誤差修正表達式為A/ int = 4* agaw^KO， 1， 1)
v『 .溝道柵寬的誤差修正表達式為Awint = "^*agm/M(0,l，l);
第三步，建立對應的SPICE宏模型； 第四步，定義修正系數的初始值；定義系數avthO、atox、adl、adw和auO的初始值。
第五步，將所述修正系數的初始值代入模型中，調試和仿真模型參數。
本發明可以達到的技術效果是 本發明通過調整模型中失配誤差函數修正式的系數，可以使模型精確地描述出實 際工藝失配誤差的趨勢。通過調試參數，實際工藝監控趨勢線與模型仿真趨勢線可以做到 非常接近。因此該建模方法可以方便且較好地模擬實際工藝的失配統計誤差。
采用本發明建立MOSFET失配模型，無需花費大量的時間反復調試，可以快速準確 的提取相關的模型參數，能夠提高工作效率。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明 圖1是實際測試得到的開啟電壓誤差同器件尺寸的趨勢與通過仿真得到的開啟 電壓誤差同器件尺寸的趨勢的比較圖； 其中實線代表實際測試得到的開啟電壓誤差同器件尺寸的趨勢線，虛線代表將初 始值代入失配誤差函數修正式的系數中以后通過仿真得到的開啟電壓誤差同器件尺寸的 趨勢線。 圖2是實際測試得到的飽和電流誤差同器件尺寸的趨勢與通過仿真得到的飽和 電流誤差同器件尺寸的趨勢的比較圖； 其中實線代表實際測試得到的飽和電流誤差同器件尺寸的趨勢線，虛線代表將初 始值代入失配誤差函數修正式的系數中以后通過仿真得到的飽和電流誤差同器件尺寸的 趨勢線。 圖3是實際測試得到的開啟電壓誤差同器件尺寸的趨勢與通過仿真得到的開啟 電壓誤差同器件尺寸的趨勢的比較圖； 其中實線代表實際測試得到的開啟電壓誤差同器件尺寸的趨勢線，虛線代表將參 數提取得到的最終值代入失配誤差函數修正式的系數中以后通過仿真得到的開啟電壓誤 差同器件尺寸的趨勢線。 圖4是實際測試得到的飽和電流誤差同器件尺寸的趨勢與通過仿真得到的飽和 電流誤差同器件尺寸的趨勢的比較圖； 其中實線代表實際測試得到的飽和電流誤差同器件尺寸的趨勢線，虛線代表將參 數提取得到的最終值代入失配誤差函數修正式的系數中以后通過仿真得到的飽和電流誤 差同器件尺寸的趨勢線。
圖5是本發明M0SFET失配模型的建立及仿真方法的流程圖。 其中，vt器件的開啟電壓，Tox器件的柵氧厚度，L柵寬，W柵長，u遷移率，面 積修正系數，長度修正系數，S2,p寬度修正系數。
具體實施例方式
如圖5所示，本發明MOSFET失配模型的建立及仿真方法，分為以下步驟
1、利用統計原理建立模型參數隨機誤差統計表達式； 假定一個器件參量P是由ql，q2，... ，qn等工藝參數所決定的函數，S卩P = f(ql， q2，q3，…，qn)。如果兩個相同的器件之間的每個工藝參數都存在微小差別，則參量P的誤 差o表達式為
一 ,
廣 '、2
a仏乂
△《i
+
復
2
勿2
+ ...+
A《.Y
(1-1)
,n)可以有器件的開啟電壓o 對參量P有影響的工藝參數o 2Aqi(i = u, 氧厚度。m。/、溝道柵寬。a 、溝道柵長。a/、迂移率。Au2等。 根據實際失配測試得到的數據分析，可以認為這些o2Aqi(i = 1,2,3,...,n)是和器件
的維數尺寸成反比的，因此將失配誤差和器件維數寫成反比關系的函數表達式。而根據
柵氧厚度。m。/，溝道柵寬。a^，溝道柵長。a/，迂移率。"2的物理定義的不同，又將
o^qia^.u,...^)和器件維數尺寸的關系分為2類一類為o2Aqi與器件的溝道區二維面
積成反比的誤差，其表達式為 2
匆 其中S丄
種形式表達。 另一類為o
，S
亂
。是面積修正系數c
(1-2)
通常開啟電壓、柵氧厚度和遷移率的誤差都可以用這
只與器件溝道的一維長或寬成反比的誤差，其表達式為
l.尸
『
S」
,.尸
〖
(1—3)
(1—4) 其中Su和S2,p為長度和寬度的修正系數。 利用以上假設而制定的公式(1-2)， (1-3)和(l-4)，可以在普通的BS頂3模型參 數中挑選相關參數添加隨機誤差函數修正項的方法來建立失配模型。 2、根據模型參數隨機誤差統計表達式的物理定義，分別在BSIM3模型中選擇具有 針對性的模型參數，并對其添加統計表達式修正項；
選擇BSM3模型參數中的vtho、 tox、 lint、 wint和u0這5 式，作為開啟電壓、柵氧厚度、溝道柵長、溝道柵寬和遷移率的誤差描述。
因為vth0， tox和u0都和面積有關系，因此修正表達式可以為
個參數中添加修正公
5
1. OE-6 count = 1.0
+dlmisn =' adln氺geo—w氺numsigma—dlmis—n氺mismatchflag'
+dwmisn =' adwn*geo_l*numsigma_dwmis_n*mismatchflag'
+toxmisn =， atoxn氺geo—area氺numsigma—toxmis—n氺mismatchflag，
+u0misn =， l+auOn氺geo—area氺numsigma—uOmis—n氺mi smatchflag，
ml d g s b nenh w = w 1 = 1 m = count
.model體h腦S +level = 53 version = 3. 1 mobmod = 1 +capmod = 2 noimod = 2 +tox =， toxn+toxmisn， +wint =，1. le_7+dwmisn， +lint =' lintn+dlmisn' +vth0 =， 0. 8558+vth0misn，+u0 =， 0. 035688*u0misn， +... 該模型格式采用了宏模型結構，其中vth0misn， dlmisn， dwmisn， toxmisn和 u0misn分另UX寸應于Avth0， Alint， Awint， A tox禾口 AuO。 geo_area， geo—l禾口 geo—w分另U 定義了修正項分母中的尺寸項。皿msigma_vthmis_n，皿msigma_dlmis_n，numsigma_dwmis_ n， numsigma_toxmis_n禾口 numsigma_u0mis_n分另U分開定義其等于agauss(O， 1， 1)函數以 保證不同的參數修正項是分別隨機取值的。Mismatchflag = 1則表示該模型考慮了失配統 計誤差的修正項，如果mismatchflag = 0則模型仍舊回到原先狀態，其統計誤差的修正項 都不予考慮。 本發明采用宏模型形式將已建立的誤差統計表達式分別添加到模型中；不同的誤
差統計表達式采用了分開調用spice內建agauss函數以保證不同的參數修正項分別隨機
取值，此外模型中又添加了 mismatchflag參數作為普通M0SFET模型和失配模型之間的切
換，能夠提高模型的靈活度。 4、定義修正系數的初始值； 為了提高參數提取的效率，先定義系數avth0， atox， adl， adw和au0的初始值。
首先確定atox， adl和adw的初始值。根據公式 Ar。X 二 /-* <3g<3U^(0,1,1)
V肌
Tox是器件的柵氧厚度，參考工藝監控的柵氧厚度監控統計，可以得到工藝中
一 a ox
o AT。x值，假設agauss(0，1，1) = l，則表示A Tox統計分布中到1個sigma的值為-
/附^
為器件的實際尺寸越小，失配情況越嚴重，所以W和L可以考慮器件最小的情形。如果得到 工藝監控的o AT。x，則有"A^ ，例如工藝中o AT。X為0. 7A，W = 0. 9um，L = 0. 54um可
以求出atox值為5e-ll(m)。 同樣方法可以求出adl和adw這2個初始值c
參考圖i和圖2，根據公式AWM)二^^承agm^s(0,U)，在工藝監控中vt
的失配定義為AVth，avthO可以視作與趨勢線斜率有關。可以先設avthO的初始值等于斜率。 同樣方法可以先給出auO的初始值。 將這5個參數的初始值代入模型中以后，可以作進一步的調試和仿真了。 本發明通過先定義失配模型參數初始值再進行spice仿真調試參數的方法，能夠
節約了因反復調試參數而花費大量的時間，提高了工作效率。 5 、調試及仿真模型參數。 將模型代入到SPICE仿真工具中進行monte carlo運算，得到很多組不同的A vt 和A Idsat值，可以用Sigma函數求出它們的o Avt和o AIdsat。 通過調整模型中avth0、 atox、 adl、 adw和auO這5個系數，可以使得最后模型得 到的o "t和o M^t隨器件尺寸的變化趨勢和實際工藝監控中的變化趨勢一致。最后結果
如圖3、圖4所示，圖中x軸表示的是不同器件的;，y軸分別是o Avt，P o Md^，實線代
表的是實際工藝監控的o ht和o AIdsat的趨勢線，虛線代表的是模型仿真得到的o ht和
O M^的趨勢線，可以看到，通過調試參數，模型的仿真結果與實測結果非常接近。因此該
建模方法可以方便且較好地模擬實際工藝的失配統計誤差。
8
權利要求
一種MOSFET失配模型的建立及仿真方法，采用BSIM3模型為基礎，其特征在于，分為以下步驟第一步，利用統計原理建立模型參數隨機誤差統計表達式；與器件的溝道區二維面積成反比的工藝參數的誤差表達式為 <mrow><msup> <msub><mi>σ</mi><mi>Δq</mi> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac> <msup><msub> <mi>s</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>q</mi> </mrow></msub><mn>2</mn> </msup> <mi>WL</mi></mfrac><mo>;</mo> </mrow>與器件溝道的一維長或寬成反比的工藝參數的誤差表達式為 <mrow><msup> <msub><mi>σ</mi><mi>ΔL</mi> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac> <msup><msub> <mi>S</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>P</mi> </mrow></msub><mn>2</mn> </msup> <mi>W</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>σ</mi> <mi>ΔW</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <msubsup><mi>S</mi><mrow> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mi>P</mi></mrow><mn>2</mn> </msubsup> <mi>L</mi></mfrac><mo>;</mo> </mrow>第二步，根據模型參數隨機誤差統計表達式的物理定義，分別在BSIM3模型中選擇具有針對性的模型參數，并對其添加統計表達式修正項；第三步，建立對應的SPICE宏模型；第四步，定義修正系數的初始值；第五步，將所述修正系數的初始值代入模型中，調試和仿真模型參數。
2. 根據權利要求1所述的MOSFET失配模型的建立及仿真方法，其特征在于所述第二 步選擇BSIM3模型參數中的vtho、 tox、 lint、 wint和u0這5個參數中添加修正公式，作為 開啟電壓、柵氧厚度、溝道柵長、溝道柵寬和遷移率的誤差描述，其表達式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中vth0、 tox、u0與器件的溝道區二維面積成反比，Lint、Wint與器件溝道的一維長 或寬成反比，并且在修正項中添加有spice內建agauss隨機統計函數。
3. 根據權利要求2所述的MOSFET失配模型的建立及仿真方法，其特征在于所述第三 步采用宏模型形式將已建立的誤差統計表達式分別添加到模型中；不同的誤差統計表達式 分開調用spice內建agauss函數；添加mismatchf lag參數作為普通MOSFET模型和失配模 型之間的切換。
4. 根據權利要求3所述的MOSFET失配模型的建立及仿真方法，其特征在于所述第四 步定義系數avth0、 atox、 adl、 adw和auO的初始值。
全文摘要
本發明公開了一種MOSFET失配模型的建立及仿真方法，采用BSIM3模型為基礎，分為以下步驟第一步，利用統計原理建立模型參數隨機誤差統計表達式；第二步，根據模型參數隨機誤差統計表達式的物理定義，分別在BSIM3模型中選擇具有針對性的模型參數，并對其添加統計表達式修正項；第三步，建立對應的SPICE宏模型；第四步，定義修正系數的初始值；第五步，將所述修正系數的初始值代入模型中，調試和仿真模型參數。本發明通過調整模型中失配誤差函數修正式的系數，可以使模型精確地描述出實際工藝失配誤差的趨勢。通過調試參數，實際工藝監控趨勢線與模型仿真趨勢線可以做到非常接近，該建模方法可以方便且較好地模擬實際工藝的失配統計誤差。
文檔編號G06F17/50GK101739472SQ20081004394
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月18日 優先權日2008年11月18日
發明者周天舒, 王正楠 申請人:上海華虹Nec電子有限公司