專利名稱：Mos晶體管psp失配模型的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路領(lǐng)域,尤其涉及一種MOS晶體管PSP失配(mismatch)模型的
建模方法。
背景技術(shù)：
集成電路制造過程中存在著不同程度的工 藝波動(dòng)，每項(xiàng)工藝步驟順序中的器件性能都可能會(huì)影響芯片的性能和成本率。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，CMOS集成電路工藝中器件特征尺寸和柵氧厚度已經(jīng)達(dá)到深納米量級(jí)，器件性能雖然得到了改善，但是電路對(duì)于工藝波動(dòng)也變得更加敏感，器件特性的工藝波動(dòng)對(duì)集成電路性能的影響更加嚴(yán)重。因此在集成電路設(shè)計(jì)中對(duì)于工藝波動(dòng)的考慮和預(yù)估顯得十分重要。作為集成電路設(shè)計(jì)和制造之間的重要橋梁，MOSFET器件模型可以有效地預(yù)估芯片中各種物理效應(yīng)和集成電路制造過程中工藝波動(dòng)的影響。在MOSFET器件模型中考慮失配(mismatch)模型，可以有效地預(yù)估深納米量級(jí)器件制造過程中工藝波動(dòng)的影響。因此一種具有精確失配模型參數(shù)的SPICE模型能夠更加精準(zhǔn)地為集成電路設(shè)計(jì)工程師預(yù)測(cè)考慮工藝波動(dòng)情況下的器件電學(xué)特性。工藝波動(dòng)問題在上世紀(jì)90年代末就已經(jīng)引起了業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的關(guān)注。Nassif.S. R等人研究得出不能只考慮芯片間的工藝波動(dòng)，由于器件尺寸的成比例縮小，芯片的工藝敏感度增大，在芯片設(shè)計(jì)中考慮和預(yù)估芯片內(nèi)部的工藝波動(dòng)(即失配屬性，指的是同一個(gè)晶圓內(nèi)位置臨近且尺寸結(jié)構(gòu)完全相同的器件間存在的電學(xué)特性差異)，可以有效地提高芯片的性能和成品率。傳統(tǒng)的方法是對(duì)每個(gè)器件采集大量IV特性數(shù)據(jù)，然后使用優(yōu)化方法提取器件模型參數(shù)。這種方法精確但非常耗時(shí)。Purviance等人用主成份分析建立了 MESFET的統(tǒng)計(jì)模型其主要思想是用一組互不相關(guān)的隨機(jī)變量的線性組合來近似表示MESFET的S參數(shù)測(cè)量值。對(duì)于深亞微米MOSFET器件，短溝道效應(yīng)影響著失配(mismatch)屬性，因此Bastos等人在他們的失配研究中加入了短溝道效應(yīng)部分。近幾年來，國內(nèi)一些學(xué)者也對(duì)工藝波動(dòng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究，如西安電子科技大學(xué)在考慮工藝波動(dòng)的互連方面取得了一定的成果。但是在系統(tǒng)地建立集成電路MOSFET工藝波動(dòng)模型的研究還很少?；诒砻鎰?shì)的PSP模型是通過精確求解溝道表面勢(shì)分布，從而得到電荷和電流的方程，其對(duì)器件特性的描述更為精確，是目前業(yè)界在納米量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)工藝MOSFET進(jìn)行建模時(shí)廣泛使用的模型。PSP SPICE模型提供了大量綜合的模型模塊。本發(fā)明在原有標(biāo)準(zhǔn)PSP模型的基礎(chǔ)上，通過將器件性能失配參數(shù)及其參數(shù)方程以子電路的形式添加到PSP SPICE模型平臺(tái)，建立完善的與器件性能失配相關(guān)的失配(mismatch)模型，可以對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行更為準(zhǔn)確地工藝波動(dòng)分析和器件電學(xué)特性仿真，從而提高器件的性能和成品率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種MOS晶體管PSP失配(mismatch)模型的建模方法，在標(biāo)準(zhǔn)PSP模型部分上增加器件性能失配子模塊。該器件性能失配子模塊包括與器件性能失配相關(guān)的擬合參數(shù)和參數(shù)方程，擬合參數(shù)為器件性能失配對(duì)PSP模型基本參數(shù)柵氧厚度toxo、與尺寸無關(guān)的平帶電壓Vfbo和由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot影響程度的影響系數(shù)。該器件性能失配子模塊通過所述影響系數(shù)對(duì)晶體管線性閾值電壓Vtlin、飽和閾值電壓Vtsat、線性漏極電流Idlil^P飽和漏極電流Idsat的變化特性施加的影響，來修正PSP模型中所述toxo、vfbo和WOt的表達(dá)式，即確定器件性能失配對(duì)柵氧厚度toxo、與尺寸無關(guān)的平帶電壓vfbo和由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot的作用，來重新定義所述柵氧厚度toxo、所述與尺寸無關(guān)的平帶電壓vfbo和所述由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot。所述影響系數(shù)包括器件性能失配對(duì)所述toxo、vfbo和wot影響程度的參數(shù)dtoxo_mis、dvfbo_mis 和 dwot_mis。 所述修正PSP模型中toxo、vfbo和wot的表達(dá)式的方法中還包括由所述影響系數(shù)的運(yùn)算而得到的中間變量dtoxo_mis_v、dvfbo_mis_v和dwot_mis_v,參與到toxo、vfbo和wot的表達(dá)。其中所述dtoxo_mis_v是受器件性能失配影響柵氧厚度的變化量；所述dvfbo_mis_v是受器件性能失配影響與尺寸無關(guān)的平帶電壓的變化量；所述dwot_mis_v是受器件性能失配影響由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度的變化量。其中，所述由影響系數(shù)得到中間變量的運(yùn)算中，包括與器件尺寸相關(guān)的參量geo_fac,得到geo_fac的運(yùn)算如下
^ I
geo _ fac =——
■sll -w式中I是MOSFET器件的溝道長度，w是MOSFET器件的溝道寬度。其中，所述失配(mismatch)模型的成因是工藝波動(dòng)，在電學(xué)仿真中認(rèn)為這些波動(dòng)是由很多獨(dú)立變量的隨機(jī)漫步導(dǎo)致的，因此所述中間變量符合高斯分布，波動(dòng)的分布表達(dá)式為 random = agauss (O. O, I. O, I),其中 agauss (O. O, I. O, I)表示期望為 O,方差為 I 的高斯分布。因此所述中間變量dtoxo_mis_v、dvfbo_mis_v、dwot_mis_v由以下公式?jīng)Q定dtoxo_mis_v = dtoxo_mis · randoml · geo_facdvfbo_mis_v = dvfbo_mis · random2 · geo_facdwot_mis_v = dwot_mis · random3 · geo_fac式中randoml = agauss (0. 0,1. 0,1)random2 = agauss (0. 0,1. 0,1)random3 = agauss (0. 0,1. 0，I)。本發(fā)明通過中間變量dtoxo_mis_v、dvfbo_mis_v、dwot_mis_v對(duì)所述柵氧厚度toxo、與尺寸無關(guān)的平帶電壓Vfbo、由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量 wot 做出修正。所述中間變量 dtoxo_mis_v、dvfbo_mis_v 和 dwot_mis_v 與 toxo、vfbo和wot的關(guān)系，即toxo、vfbo和wot受器件性能失配影響而發(fā)生變化的參數(shù)方程分別為toxo = toxooriginal+dtoxo_mis_vvfbo = vf booriginal+dvf bo_mi s_v
wot = wotoriginal+dwot_mis_v式中toXoOTiginal是初始柵氧厚度值，即直流模型提取得到的柵氧厚度值；Vfbooriginal是與尺寸無關(guān)的初始平帶電壓值，即直流模型提取得到的與尺寸無關(guān)的平帶電壓值;wotOTiginal是由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致有效溝道寬度變化的初始變化量，即直流模型提取得到的由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量。本發(fā)明適用的MOSFET是包括22nm_130nm標(biāo)準(zhǔn)工藝的MOSFET。根據(jù)本發(fā)明的MOS晶體管PSP失配(mismatch)模型的建模方法所建立的模型，其物理含義明確、精確度高，準(zhǔn)確考慮由于工藝波動(dòng)造成的器件電學(xué)特性差異，能夠?qū)Σ煌叽珙愋偷腗OSFET電學(xué)特性進(jìn)行更為精確地模擬仿真。


圖I為本發(fā)明的MOS晶體管PSP失配(mismatch)模型的建模方法所建立的模型的示意性結(jié)構(gòu)框圖；圖2為NM0SFET線性閾值電壓變化量的σ值σ ( Λ Vtlin)與幾何參數(shù)因子geo_fac的關(guān)系圖；圖3為NM0SFET飽和閾值電壓變化量的σ值σ ( Λ Vtsat)與幾何參數(shù)因子geo_fac的關(guān)系圖；圖4為NM0SFET線性漏極電流相對(duì)變化量的σ值σ ( △ Idlin/Idlin)與幾何參數(shù)因子geo_fac的關(guān)系圖；圖5為NM0SFET飽和漏極電流相對(duì)變化量的σ值σ ( Λ Idsat/Idsat)與幾何參數(shù)因子geo_fac的關(guān)系圖；圖6為PM0SFET線性閾值電壓變化量的σ值σ (-AVtlin)與幾何參數(shù)因子geo_fac的關(guān)系圖；圖7為PM0SFET飽和閾值電壓變化量的σ值σ (-AVtsat)與幾何參數(shù)因子geo_fac的關(guān)系圖；圖8為PM0SFET線性漏極電流相對(duì)變化量的σ值σ ( △ Idlin/I dlin)與幾何參數(shù)因子geo_fac的關(guān)系圖；圖9為PM0SFET飽和漏極電流相對(duì)變化量的σ值σ ( Λ Idsat/Idsat)與幾何參數(shù)因子geo_fac的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)闡述本發(fā)明。以下實(shí)施例并不是對(duì)本發(fā)明的限制，在不背離發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到的變化和優(yōu)點(diǎn)都被包括在本發(fā)明中。本發(fā)明提供MOS晶體管PSP失配(mismatch)模型的建模方法，具體地為22nm-130nm標(biāo)準(zhǔn)工藝MOSFET與器件性能失配相關(guān)的PSP失配(mismatch)模型的建模方法。該方法所建立的模型物理含義明確、精確度高，準(zhǔn)確考慮由于工藝波動(dòng)造成的器件電學(xué)特性差異，有助于對(duì)不同尺寸類型的MOSFET電學(xué)特性進(jìn)行更為精確地模擬仿真。本發(fā)明方法在標(biāo)準(zhǔn)PSP模型部分上增加器件性能失配子模塊。該器件性能失配子模塊包括與器件性能失配相關(guān)的擬合參數(shù)和參數(shù)方程，擬合參數(shù)為器件性能失配對(duì)PSP模型基本參數(shù)柵氧厚度toxo、與尺寸無關(guān)的平帶電壓Vfb0和由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot影響程度的影響系數(shù)。該器件性能失配子模塊通過影響系數(shù)對(duì)晶體管線性閾值電壓Vtlin、飽和閾值電壓Vtsat、線性漏極電流Idlil^P飽和漏極電流Idsat的變化特性施加的影響，來修正PSP模型中所述toxo、vfbo和WOt的表達(dá)式，以使通過本發(fā)明的建模方法獲得的PSP失配模型能夠更準(zhǔn)確地仿真納米級(jí)MOSFET器件的實(shí)際性能。也就是說，該器件性能失配子模塊通過所述影響系數(shù)對(duì)晶體管線性閾值電壓Vtlin、飽和閾值電壓Vtsat、線性漏極電流Idlil^P飽和漏極電流Idsat的變化特性施加的影響，確定器件性能失配對(duì)柵氧厚度toxo、與尺寸無關(guān)的平帶電壓vfbo和由溝 道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot的作用，來重新定義所述柵氧厚度toxo、所述與尺寸無關(guān)的平帶電壓vfbo和所述由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot。圖I為本發(fā)明MOS晶體管PSP失配(mismatch)模型的建模方法所建立的模型的示意性結(jié)構(gòu)框圖。如圖I所示，本發(fā)明是MOS晶體管PSP失配(mismatch)模型的建模方法建立的模型，由三個(gè)受器件性能失配影響而發(fā)生變化的PSP SPICE模型參數(shù)的計(jì)算公式(即圖I中的參數(shù)方程)以及相關(guān)的擬合參數(shù)以子電路的形式引入到PSP SPICE模型平臺(tái)中。其中，三個(gè)PSP SPICE模型參數(shù)為柵氧厚度toxo、與尺寸無關(guān)的平帶電壓vfbo和由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot。本發(fā)明較佳實(shí)施例的主要用途在于利用三個(gè)PSPSPICE參數(shù)計(jì)算公式和擬合參數(shù)計(jì)算不同溝道長度和寬度MOSFET的toxo、vfbo和wot的具體數(shù)值，進(jìn)而通過這些PSP SPICE參數(shù)在不同溝道長度和寬度下的數(shù)值結(jié)合PSP SPICE模型平臺(tái)對(duì)MOSFET的電學(xué)特性進(jìn)行仿真。本發(fā)明中影響系數(shù)包括器件性能失配對(duì)所述toxo、vfbo和wot影響程度的參數(shù)dtoxo_mis、dvfbo_mis和dwot_mis。該三個(gè)參數(shù)是在建模過程中添加的擬合參數(shù),其初始值均設(shè)為零，通過調(diào)節(jié)這三個(gè)擬合參數(shù)的值來對(duì)器件的實(shí)際測(cè)試情況進(jìn)行擬合，當(dāng)擬合達(dá)到要求精度時(shí)，即可得到這三個(gè)擬合參數(shù)的值。所述修正考慮器件性能失配后PSP模型中toxo、vfbo和wot的表達(dá)式的方法中還包括由所述影響系數(shù)的運(yùn)算而得到的中間變量dtoxo_mis_v、dvfbo_mis_v和dwot_mis_v,參與到toxo、vfbo和wot的表達(dá)。其中所述dtoxo_mis_v是受器件性能失配影響柵氧厚度的變化量；所述dvfb0_mis_v是受器件性能失配影響與尺寸無關(guān)的平帶電壓的變化量；所述dw0t_mis_V是受器件性能失配影響由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度的變化量。所述修正考慮器件性能失配后PSP模型中toxo、vfbo和wot的表達(dá)式的方法中還包括通過中間變量dtoxo_mis_v、dvfbo_mis_v、dwot_mis_v對(duì)所述柵氧厚度toxo、與尺寸無關(guān)的平帶電壓vfbo、由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot做出修正。所述中間變量 dtoxo_mis_v、dvfbo_mis_v 和 dwot_mis_v 與 toxo、vfbo 和 wot 的關(guān)系，即toxo、Vfbo和WOt受器件性能失配影響而發(fā)生變化的參數(shù)方程分別為toxo = toxooriginal+dtoxo_mis_vvfbo = vf booriginal+dvf bo_mi s_vwot = wotoriginal+dwot_mis_v式中toXoOTiginal是初始柵氧厚度值，即直流模型提取得到的柵氧厚度值；Vfbooriginal是與尺寸無關(guān)的初始平帶電壓值，即直流模型提取得到的與尺寸無關(guān)的平帶電壓值;wotOTiginal是由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致有效溝道寬度變化的初始變化量，即直流模型提取得到的由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量。其中，所述由影響系數(shù)得到中間變量的運(yùn)算中，包括與器件尺寸相關(guān)的參量geo_fac,得到geo_fac的運(yùn)算如下
權(quán)利要求
1.MOS晶體管PSP失配模型的建模方法，其特征在于，包括在標(biāo)準(zhǔn)PSP模型部分上增加器件性能失配子模塊，所述器件性能失配子模塊包括與器件性能失配相關(guān)的擬合參數(shù)和參數(shù)方程，所述擬合參數(shù)為器件性能失配對(duì)PSP模型基本參數(shù)柵氧厚度toxo、與尺寸無關(guān)的平帶電壓vfbo和由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot影響程度的影響系數(shù)；其中，所述器件性能失配子模塊通過所述影響系數(shù)對(duì)晶體管線性閾值電壓Vtlin、飽和閾值電壓Vtsat、線性漏極電流Idlin和飽和漏極電流Idsat的變化特性施加的影響，來修正PSP模型中所述toxo、vfbo和wot的表達(dá)式。
2.如權(quán)利要求I所述的MOS晶體管PSP失配模型的建模方法，其特征在于，所述影響系數(shù)包括器件性能失配對(duì)所述toxo、vfbo和wot影響程度的擬合參數(shù)dtoxo_mis、dvfbo_mis 和 dwot_mis。
3.如權(quán)利要求I所述的MOS晶體管PSP失配模型的建模方法，其特征在于，所述修正PSP模型中所述toxo、vfbo和wot的表達(dá)式還包括由所述影響系數(shù)的運(yùn)算而得到的中間變量 dtoxo_mis_v、dvfbo_mis_v 和 dwot_mis_v,參與到 toxo、vfbo 和 wot 的表達(dá)；其中所述dtoxo_mis_v是受器件性能失配影響柵氧厚度的變化量；所述dvfbo_mis_v是受器件性能失配影響與尺寸無關(guān)的平帶電壓的變化量；所述dw0t_mis_V是受器件性能失配影響由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝遒寬度的變化量。
4.如權(quán)利要求3所述的MOS晶體管PSP失配模型的建模方法，其特征在于，所述由影響系數(shù)得到所述中間變量的運(yùn)算中，包括與器件尺寸相關(guān)的參量geo fac，得到geo fac的運(yùn)算如下
5.如權(quán)利要求3所述的MOS晶體管PSP失配模型的建模方法，其特征在于，所述中間變量符合高斯分布，波動(dòng)的分布表達(dá)式為random=agauss (0. 0，I. 0，I),其中agauss (0. 0，I. 0，I)表示期望為0，方差為I的高斯分布。
6.如權(quán)利要求3所述的MOS晶體管PSP失配模型的建模方法，其特征在于，所述中間變量 dtoxo_mis_v> dvfbo_mis_v> dwot_mis_v 由以下公式?jīng)Q定dtoxo_mis_v = dtoxo—mis randoml geo—facdvfbo_mis_v = dvfbo—mis random2 geo_facdwot_mis_v = dwot—mis random3 geo—fac其中randoml = agauss (0. 0，I. 0，I)random2 = agauss (0. 0，I. 0，I)random3 = agauss (0. 0，I. 0，I)。
7.如權(quán)利要求3所述的MOS晶體管PSP失配模型的建模方法，其特征在于，所述修正PSP模型中所述toxo、vfbo和wot的表達(dá)式還包括通過中間變量dtoxo—mis—V、dvfbo—mis—v、dwot—mis—v對(duì)所述柵氧厚度toxo、與尺寸無關(guān)的平帶電壓vfbo、由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot做出修正，所述中間變量dtoxo—mis—V、dvfbo—mis—v和dwot—mis—v與toxo、vfbo和wot的關(guān)系，即toxo、vfbo和wot受器件性能失配影響而發(fā)生變化的參數(shù)方程分別為toxo = toxooriginal+dtoxo_mi s_vvfbo = vf booriginal+dvf bo_mi s_vwot = wotoriginal+dwot_mis_v 其中t0X0OTiginal是初始柵氧厚度值，即直流模型提取得到的柵氧厚度值；VfboOTiginal是與尺寸無關(guān)的初始平帶電壓值，即直流模型提取得到的與尺寸無關(guān)的平帶電壓值；WOtoriginal是由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致有效溝道寬度變化的初始變化量，即直流模型提取得到的由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的MOS晶體管PSP失配模型的建模方法，其特征在于，所述的 MOSFET是包括22nm-130nm標(biāo)準(zhǔn)工藝的M0SFET。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種MOS晶體管PSP失配模型(mismatch model)的建模方法，包括在標(biāo)準(zhǔn)PSP模型部分上增加器件性能失配子模塊，該器件性能失配子模塊包括與器件性能失配相關(guān)的擬合參數(shù)和參數(shù)方程，擬合參數(shù)為器件性能失配對(duì)PSP模型基本參數(shù)toxo、vfbo和wot影響程度的影響系數(shù)。其中該器件性能失配子模塊通過所述影響系數(shù)對(duì)晶體管線性閾值電壓Vtlin、飽和閾值電壓Vtsat、線性漏極電流Idlin和飽和漏極電流Idsat的變化特性施加的影響，確定器件性能失配對(duì)柵氧厚度toxo、與尺寸無關(guān)的平帶電壓vfbo和由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot的作用，來重新定義所述柵氧厚度toxo、所述與尺寸無關(guān)的平帶電壓vfbo和所述由溝道阻斷摻雜的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的有效溝道寬度變化量wot。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102968538SQ201210506129
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者石艷玲, 周卉, 李曦, 孫立杰, 任錚, 胡少堅(jiān), 陳壽面 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué), 上海集成電路研發(fā)中心有限公司