专利名称：Mosfet失配模型的建立及仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件建模方法，具体涉及一种MOSFET失配模型的建立及 仿真方法。
背景技术：
在电路设计的过程中，由于器件工艺失配误差的存在会对设计造成一定的偏差。 综合来说，栅氧厚度之间的差异、器件尺寸、器件之间的间距等因素都会对工艺失配误差产 生影响。 因此，随着电路设计要求的提高，对模型精度的要求不仅仅体现在电学特性上，还 要求能够反映由于工艺的失配造成的特性误差。但是现有的器件模型通常除了描述工艺水 准的上下限以外，并没有专门描述实际误差情况。因此，有必要在原先的模型基础上，建立 失配随机误差的描述功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种MOSFET失配模型的建立方法，它能够在 原先的模型基础上，建立失配随机误差的描述功能。 为解决上述技术问题，本发明M0SFET失配模型的建立及仿真方法的技术解决方 案为 采用BSIM3模型(由伯克利大学研发的一种工业标准器件模型)为基础，分为以 下步骤 第一步，利用统计原理建立模型参数随机误差统计表达式； 与器件的沟道区二维面积成反比的工艺参数的误差表达式为<formula>formula see original document page 3</formula>
与器件沟道的一维长或宽成反比的工艺参数的误差表达式为<formula>formula see original document page 3</formula>
第二步，根据模型参数随机误差统计表达式的物理定义，分别在BSIM3模型中选 择具有针对性的模型参数，并对其添加统计表达式修正项； 选择BSIM3模型参数中的vtho、tox、lint、wint和u0这5个参数，添加修正公式， 作为开启电压、栅氧厚度、沟道栅长、沟道栅宽和迁移率的误差描述；开启电压的误差修正表达式为<formula>formula see original document page 3</formula>
栅氧厚度的误差修正表达式为<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 4</formula>迁移率的误差修正表达式为AwO二l + ^^承agm^s(0,l,l); 沟道栅长的误差修正表达式为A/ int = 4* agaw^KO， 1， 1)
v『 .沟道栅宽的误差修正表达式为Awint = "^*agm/M(0,l，l);
第三步，建立对应的SPICE宏模型； 第四步，定义修正系数的初始值；定义系数avthO、atox、adl、adw和auO的初始值。
第五步，将所述修正系数的初始值代入模型中，调试和仿真模型参数。
本发明可以达到的技术效果是 本发明通过调整模型中失配误差函数修正式的系数，可以使模型精确地描述出实 际工艺失配误差的趋势。通过调试参数，实际工艺监控趋势线与模型仿真趋势线可以做到 非常接近。因此该建模方法可以方便且较好地模拟实际工艺的失配统计误差。
采用本发明建立MOSFET失配模型，无需花费大量的时间反复调试，可以快速准确 的提取相关的模型参数，能够提高工作效率。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明 图1是实际测试得到的开启电压误差同器件尺寸的趋势与通过仿真得到的开启 电压误差同器件尺寸的趋势的比较图； 其中实线代表实际测试得到的开启电压误差同器件尺寸的趋势线，虚线代表将初 始值代入失配误差函数修正式的系数中以后通过仿真得到的开启电压误差同器件尺寸的 趋势线。 图2是实际测试得到的饱和电流误差同器件尺寸的趋势与通过仿真得到的饱和 电流误差同器件尺寸的趋势的比较图； 其中实线代表实际测试得到的饱和电流误差同器件尺寸的趋势线，虚线代表将初 始值代入失配误差函数修正式的系数中以后通过仿真得到的饱和电流误差同器件尺寸的 趋势线。 图3是实际测试得到的开启电压误差同器件尺寸的趋势与通过仿真得到的开启 电压误差同器件尺寸的趋势的比较图； 其中实线代表实际测试得到的开启电压误差同器件尺寸的趋势线，虚线代表将参 数提取得到的最终值代入失配误差函数修正式的系数中以后通过仿真得到的开启电压误 差同器件尺寸的趋势线。 图4是实际测试得到的饱和电流误差同器件尺寸的趋势与通过仿真得到的饱和 电流误差同器件尺寸的趋势的比较图； 其中实线代表实际测试得到的饱和电流误差同器件尺寸的趋势线，虚线代表将参 数提取得到的最终值代入失配误差函数修正式的系数中以后通过仿真得到的饱和电流误 差同器件尺寸的趋势线。
图5是本发明M0SFET失配模型的建立及仿真方法的流程图。 其中，vt器件的开启电压，Tox器件的栅氧厚度，L栅宽，W栅长，u迁移率，面 积修正系数，长度修正系数，S2,p宽度修正系数。
具体实施例方式
如图5所示，本发明MOSFET失配模型的建立及仿真方法，分为以下步骤
1、利用统计原理建立模型参数随机误差统计表达式； 假定一个器件参量P是由ql，q2，... ，qn等工艺参数所决定的函数，S卩P = f(ql， q2，q3，…，qn)。如果两个相同的器件之间的每个工艺参数都存在微小差别，则参量P的误 差o表达式为
一 ,
广 '、2
a仏乂
△《i
+
复
2
勿2
+ ...+
A《.Y
(1-1)
,n)可以有器件的开启电压o 对参量P有影响的工艺参数o 2Aqi(i = u, 氧厚度。m。/、沟道栅宽。a 、沟道栅长。a/、迂移率。Au2等。 根据实际失配测试得到的数据分析，可以认为这些o2Aqi(i = 1,2,3,...,n)是和器件
的维数尺寸成反比的，因此将失配误差和器件维数写成反比关系的函数表达式。而根据
栅氧厚度。m。/，沟道栅宽。a^，沟道栅长。a/，迂移率。"2的物理定义的不同，又将
o^qia^.u,...^)和器件维数尺寸的关系分为2类一类为o2Aqi与器件的沟道区二维面
积成反比的误差，其表达式为 2
匆 其中S丄
种形式表达。 另一类为o
，S
亂
。是面积修正系数c
(1-2)
通常开启电压、栅氧厚度和迁移率的误差都可以用这
只与器件沟道的一维长或宽成反比的误差，其表达式为
l.尸
『
S」
,.尸
〖
(1—3)
(1—4) 其中Su和S2,p为长度和宽度的修正系数。 利用以上假设而制定的公式(1-2)， (1-3)和(l-4)，可以在普通的BS頂3模型参 数中挑选相关参数添加随机误差函数修正项的方法来建立失配模型。 2、根据模型参数随机误差统计表达式的物理定义，分别在BSIM3模型中选择具有 针对性的模型参数，并对其添加统计表达式修正项；
选择BSM3模型参数中的vtho、 tox、 lint、 wint和u0这5 式，作为开启电压、栅氧厚度、沟道栅长、沟道栅宽和迁移率的误差描述。
因为vth0， tox和u0都和面积有关系，因此修正表达式可以为
个参数中添加修正公
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， +... 该模型格式采用了宏模型结构，其中vth0misn， dlmisn， dwmisn， toxmisn和 u0misn分另UX寸应于Avth0， Alint， Awint， A tox禾口 AuO。 geo_area， geo—l禾口 geo—w分另U 定义了修正项分母中的尺寸项。皿msigma_vthmis_n，皿msigma_dlmis_n，numsigma_dwmis_ n， numsigma_toxmis_n禾口 numsigma_u0mis_n分另U分开定义其等于agauss(O， 1， 1)函数以 保证不同的参数修正项是分别随机取值的。Mismatchflag = 1则表示该模型考虑了失配统 计误差的修正项，如果mismatchflag = 0则模型仍旧回到原先状态，其统计误差的修正项 都不予考虑。 本发明采用宏模型形式将已建立的误差统计表达式分别添加到模型中；不同的误
差统计表达式采用了分开调用spice内建agauss函数以保证不同的参数修正项分别随机
取值，此外模型中又添加了 mismatchflag参数作为普通M0SFET模型和失配模型之间的切
换，能够提高模型的灵活度。 4、定义修正系数的初始值； 为了提高参数提取的效率，先定义系数avth0， atox， adl， adw和au0的初始值。
首先确定atox， adl和adw的初始值。根据公式 Ar。X 二 /-* <3g<3U^(0,1,1)
V肌
Tox是器件的栅氧厚度，参考工艺监控的栅氧厚度监控统计，可以得到工艺中
一 a ox
o AT。x值，假设agauss(0，1，1) = l，则表示A Tox统计分布中到1个sigma的值为-
/附^
为器件的实际尺寸越小，失配情况越严重，所以W和L可以考虑器件最小的情形。如果得到 工艺监控的o AT。x，则有"A^ ，例如工艺中o AT。X为0. 7A，W = 0. 9um，L = 0. 54um可
以求出atox值为5e-ll(m)。 同样方法可以求出adl和adw这2个初始值c
参考图i和图2，根据公式AWM)二^^承agm^s(0,U)，在工艺监控中vt
的失配定义为AVth，avthO可以视作与趋势线斜率有关。可以先设avthO的初始值等于斜率。 同样方法可以先给出auO的初始值。 将这5个参数的初始值代入模型中以后，可以作进一步的调试和仿真了。 本发明通过先定义失配模型参数初始值再进行spice仿真调试参数的方法，能够
节约了因反复调试参数而花费大量的时间，提高了工作效率。 5 、调试及仿真模型参数。 将模型代入到SPICE仿真工具中进行monte carlo运算，得到很多组不同的A vt 和A Idsat值，可以用Sigma函数求出它们的o Avt和o AIdsat。 通过调整模型中avth0、 atox、 adl、 adw和auO这5个系数，可以使得最后模型得 到的o "t和o M^t随器件尺寸的变化趋势和实际工艺监控中的变化趋势一致。最后结果
如图3、图4所示，图中x轴表示的是不同器件的;，y轴分别是o Avt，P o Md^，实线代
表的是实际工艺监控的o ht和o AIdsat的趋势线，虚线代表的是模型仿真得到的o ht和
O M^的趋势线，可以看到，通过调试参数，模型的仿真结果与实测结果非常接近。因此该
建模方法可以方便且较好地模拟实际工艺的失配统计误差。
8
权利要求
一种MOSFET失配模型的建立及仿真方法，采用BSIM3模型为基础，其特征在于，分为以下步骤第一步，利用统计原理建立模型参数随机误差统计表达式；与器件的沟道区二维面积成反比的工艺参数的误差表达式为 <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>与器件沟道的一维长或宽成反比的工艺参数的误差表达式为 <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，根据模型参数随机误差统计表达式的物理定义，分别在BSIM3模型中选择具有针对性的模型参数，并对其添加统计表达式修正项；第三步，建立对应的SPICE宏模型；第四步，定义修正系数的初始值；第五步，将所述修正系数的初始值代入模型中，调试和仿真模型参数。
2. 根据权利要求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 步选择BSIM3模型参数中的vtho、 tox、 lint、 wint和u0这5个参数中添加修正公式，作为 开启电压、栅氧厚度、沟道栅长、沟道栅宽和迁移率的误差描述，其表达式为<formula>formula see original document page 2</formula>其中vth0、 tox、u0与器件的沟道区二维面积成反比，Lint、Wint与器件沟道的一维长 或宽成反比，并且在修正项中添加有spice内建agauss随机统计函数。
3. 根据权利要求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 步采用宏模型形式将已建立的误差统计表达式分别添加到模型中；不同的误差统计表达式 分开调用spice内建agauss函数；添加mismatchf lag参数作为普通MOSFET模型和失配模 型之间的切换。
4. 根据权利要求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 步定义系数avth0、 atox、 adl、 adw和auO的初始值。
全文摘要
本发明公开了一种MOSFET失配模型的建立及仿真方法，采用BSIM3模型为基础，分为以下步骤第一步，利用统计原理建立模型参数随机误差统计表达式；第二步，根据模型参数随机误差统计表达式的物理定义，分别在BSIM3模型中选择具有针对性的模型参数，并对其添加统计表达式修正项；第三步，建立对应的SPICE宏模型；第四步，定义修正系数的初始值；第五步，将所述修正系数的初始值代入模型中，调试和仿真模型参数。本发明通过调整模型中失配误差函数修正式的系数，可以使模型精确地描述出实际工艺失配误差的趋势。通过调试参数，实际工艺监控趋势线与模型仿真趋势线可以做到非常接近，该建模方法可以方便且较好地模拟实际工艺的失配统计误差。
文档编号G06F17/50GK101739472SQ20081004394
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月18日 优先权日2008年11月18日
发明者周天舒, 王正楠 申请人:上海华虹Nec电子有限公司