专利名称：宽度偏移量的确定方法
技术领域：
本发明涉及一种利用M0SFET输入输出特性确定MOSFET BSIM模型参数宽度偏移 量的方法，属于微电子器件建模领域。
背景技术：
MOSFET为一种四端口半导体器件，在各个端口施加不同的激励，器件的漏极电流
也会相应发生变化。通过对器件建立数学模型，得出输入输出的数学表达式，电路设计者使
用该模型进行电路设计的SPICE仿真。目前已提出多种关于MOSFET的数学模型，每种模
型都包含大量的参数。BSIM模型是器件模型的标准，被各大半导体生产商广泛使用。沟道
宽度偏移量Wint便是其中一个重要的参数，它决定沟道的有效值，极大程度影响器件的输入
输出特性。沟道宽度偏移是器件在制作过程中由各种工艺因素(光刻误差、再扩散等)造
成的实际值与设计值的不吻合。随着工艺的进步，尤其在数字电路应用时，为了提高电路
集成度，器件的尺寸需要尽可能的小，沟道宽度也相应需要尽可能的小。我们知道，长沟道
MOSFET漏极电流Ids在线性区的计算公式为
l 爿
4 = ~Q f - ^ - f乙)乙方程1 Weff = Wdrawn_2Wint 方程2 其中Urff为载流子有效迁移率，C。x为沟道处单位面积电容，Wrff为器件沟道有效宽 度，Lrff为器件沟道有效长度，Vth为器件阈值电压，Abulk为体电荷因子，Vgs、 Vds分别为栅极 电压与漏极电压，Wdrawn为沟道宽度设计值，Wint为宽度偏移量。从方程l可以看出，漏极电流Ids与沟道有效宽度Weff成正比关系。当技术发展到
深亚微米工艺水平时，即使沟道宽度有微小偏移，也会对器件的输入输出特性造成很大的 改变。因此，精确确定沟道宽度偏移量，对于电路设计有着极大的意义。目前，确定器件沟 道宽度偏移量的方法主要是根据生产经验进行粗略估计，这种方法在深亚微米技术下显然 存在较大的误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种更准确的确定MOSFET BSIM模型参数宽度 偏移量的方法。用于得到较精确的器件沟道宽度偏移量。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案 1)提供至少三个相同沟道长度L，其中L > 10um、不同沟道宽度设计值WdMTOd的 MOSFET器件； 2)选定快速扫描电压递增幅度值A Vds，根据该快速扫描电压递增幅度值A Vds分 别测量上述MOSFET器件的Ids-Vds电学特性并绘制各自的Ids_Vds曲线；
3)采用数值二阶微分法对所得的漏极电流L进行数学变换，获得漏极电流L对 漏极电压Vds的二阶微分值Ids";
4)选择漏极电压V^在直角坐标系中绘制所有器件在该漏极电压Vds下的二阶微 分值Ids〃与沟道宽度设计值Wdrawn的线性曲线，该漏极电压Vds的选择保证MOSFET器件工 作在线性区； 5)延长步骤4)获得的线性曲线直至与直角坐标系中的沟道宽度设计值Wdr,相 交，交点值的一半即为宽度偏移量。 本发明通过首先选择一组(至少三个)拥有不同沟道宽度、相同沟道长度的 MOSFET器件。然后利用半导体参数测试仪测试所有器件的Id-Vds曲线。通过数学处理得到 曲线的二阶微分值。绘制相同偏压下的线性区二阶微分值与沟道宽度的曲线。延长得到曲 线与横轴(沟道宽度设计值Wd^J的交点，交点值的一半即为沟道偏移量Wint。从而得到较 精确的器件沟道宽度偏移量。
图1为本发明涉及的测试仪器与器件截面示意图；
图2为本发明涉及的器件俯视示意图；
图3为本发明涉及的测试数据Ids_Vds曲线；
图4为本发明涉及的Id/ -Vds曲线；
图5为本发明涉及的Id/ -Wd，曲线。
具体实施例方式
下列实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。实例数据基于某 0. 09um制作工艺，其最小沟道宽度设计值为0. 5um。 首先选择一组拥有相同沟道长度L(L > 10um，本例取10um)，沟道宽度设计值分别 为0. 5um、 lum、2um、5um和10um的MOSFET器件。 如附图1至图2所示的测量所有MOSFET器件的Ids_Vds电学特性测试方式。待测 MOSFET器件10的源极11、漏极12和栅极16分别由探针头18、20和19与半导体参数测试 仪21 (如K4200、 B1500、 HP4156等)相连。 半导体参数测试仪21为源极11提供地电平，为栅极16提供1. 2V恒压激励，为漏 极12提供0-1. 32V的漏极电压V^该漏极电压Vds可以设置递增幅度，(即快速扫描递增电 压幅度为AV^，其中，(X AVds<0.05V)。本实施例优选的快速扫描递增电压幅度为AVds 为0. 02V，同时根据漏极电压Vds测量漏极12流经的相应漏极电流Ids。也可以获得漏极电 流L的递增幅度为AIds。 根据上述结果绘制Ids_Vds曲线24(如图3所示)。本实施例中，选用5个不同的 沟道宽度设计值的MOSFET器件，所得的Ids_Vds曲线24共五条，图3中仅一条示意。
MOSFET器件的沟道宽度有效值22和宽度偏移量23分别如图2所示。13、 15、 17 分别为MOSFET器件的体区、栅氧和Spacer。
『/r ^ 对方程厶=ZVCOT —^ —f^)^变形可得漏极电流Ids对漏极电压Vds
丄W 2
的二阶导数公式
4
<formula>formula see original document page 5</formula> 得知，Ids〃与器件沟道有效宽度W^具有很好的线性关系，因此，要得到准确的 M0SFET宽度偏移量Wint获得较为精确的Ids〃尤为重要。 其中Urff为载流子有效迁移率，C。x为沟道处单位面积电容，Wrff为器件沟道有效宽 度，Lrff为器件沟道有效长度，Vth为器件阈值电压，Abulk为体电荷因子，Vgs、 Vds分别为栅极 电压与漏极电压，Wdrawn为沟道宽度设计值，Wint为宽度偏移量。 采用数值二阶微分法(利用软件编程或直接利用器件建模软件)对附图3所得的 五条Idd,曲线24进行数学变换。从而获得较为精确的Id/ 。
具体的，利用如下公式获得较为精确的Ids〃
<formula>formula see original document page 5</formula>
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，AIds'为漏极电流L导数的增量，AVds为漏极的快速扫描电压递增幅度 值，，L为漏极电压. 本实施例中，选择漏极的快速扫描递增电压幅度A Vds = 0. 02V以保证数值二阶微 分尽可能精确。根据上式获得的结果分别绘制Id/ -^3曲线25(共五条，图4中仅一条示 意)。选择某一漏极电压Vds，满足O <Vds< (Hh)/2，其中Vgs为栅极电压，Vth为 M0SFET器件阈值电压。本实施例中优选Vds = 0. 2V以保证器件工作在线性区，满足方程
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中Urff为载流子有效迁移率，C。x为沟道处单位面积电容，W^为器件沟道有效宽 度，Lrff为器件沟道有效长度，Vth为器件阈值电压，Abulk为体电荷因子，Vgs、 Vds分别为栅极 电压与漏极电压，Wdrawn为沟道宽度设计值，Wint为宽度偏移量。 绘制该Vds情况下所有MOSFET器件的Ids 〃值与沟道宽度设计值WdMwn的曲线。本 实施例中，选择Vds = 0. 2V，该情况下得到MOSFET器件的五个Ids〃值和五个沟道宽度设计 值Wd^，绘制该Id/ -Wd，n直线，延长该直线至横轴(沟道宽度设计值W^J，获得交点 27(如图5所示)。交点27对应的数值的一半即为宽度偏移量Wint。本例中获得的Wint值 为0. 0885urn。 上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉 此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发 明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
权利要求
宽度偏移量的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1)提供至少三个相同沟道长度L，其中L≥10um、不同沟道宽度设计值Wdrawnd的MOSFET器件；2)选定快速扫描电压递增幅度值Δds，根据该快速扫描电压递增幅度值ΔVds分别测量上述MOSFET器件的Ids-Vds电学特性并绘制各自的Ids-Vds曲线；3)采用数值二阶微分法对所得的漏极电流Ids进行数学变换，获得漏极电流Ids对漏极电压Vds的二阶微分值Ids″；4)选择漏极电压Vds，在直角坐标系中绘制所有器件在该漏极电压Vds下的二阶微分值Ids″与沟道宽度设计值Wdrawn的线性曲线，该漏极电压Vds的选择保证MOSFET器件工作在线性区；5)延长步骤4)获得的线性曲线直至与直角坐标系中的沟道宽度设计值Wdrawn相交，交点值的一半即为宽度偏移量。
2. 如权利要求1所述的宽度偏移量的确定方法，其特征在于，所述步骤2)中采用半导体参数测试仪测试所有MOSFET器件的电学特性。
3. 如权利要求1所述的宽度偏移量的确定方法，其特征在于，所述半导体参数测试仪测试的三个探针头分别与待测MOSFET器件的源极、漏极和栅极相连。
4. 如权利要求1所述的宽度偏移量的确定方法，其特征在于，所述步骤2)中所述的漏极扫描电压递增幅度值0 < A Vds < 0. 05V。
5. 如权利要求1所述的宽度偏移量的确定方法，其特征在于，所述步骤4)中选择的漏极电压Vds满足0 < Vds < (V^-Vth)/2，其中，Vgs为栅极电压，Vds为漏极电压，Vth为MOSFET器件阈值电压。
6. 如权利要求1所述的宽度偏移量的确定方式，其特征在于，所述步骤3)中的二阶微分法求的二阶微分值Id/是采用公式<formula>formula see original document page 2</formula>其中，Vds为漏极电压，L为漏极电流，AIds'为漏极电流L导数的增量，AVds为漏极的快速扫描电压递增幅度值。
7. 如权利要求5所述的宽度偏移量的确定方式，其特征在于，所述步骤4)中选择的漏极电压Vds为大于0小于1. 32V。
8. 如权利要求1或5所述的宽度偏移量的确定方式，其特征在于，所述步骤2)中所述的漏极扫描电压递增幅度值A Vds为0. 02V，所述步骤4)中选择的漏极电压Vds为0. 2V。
全文摘要
本发明提供一种确定MOSFET器件BSIM模型参数宽度偏移量Wint的方法。首先利用半导体参数测试仪测量至少3个拥有相同沟道长度、不同沟道宽度的MOSFET器件的Ids-Vds输出特性；然后求出漏极电流Ids对漏极电压Vds的二阶导数Ids″；通过延长Ids″与MOSFET沟道设计宽度Wdrawn的曲线便可容易得到准确的MOSFET器件的宽度偏移量Wint。
文档编号G01B21/02GK101726274SQ20091019972
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者伍青青, 王曦, 罗杰馨, 肖德元, 陈静 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所