一种mosfet bsim4子电路器件模型及其建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种MOSFET BSIM4子电路器件模型系统及其建模方法，包括标准MOSFET BSIM4子电路模型和全局参数修正模型，所述全局参数修正模型包括：电流值拟合曲线库，包括至少一条沟道长度L方向上的电流值拟合曲线和至少一条沟道宽度W方向上的电流值拟合曲线；参数修正模块，用于对需要修正的N个全局参数分别在L、W和小器件方向上进行修正；和调用模块，用于将修正之后的全局参数调用到所述的标准MOSFET BSIM4子电路模型中。
【专利说明】
一种MOSFET BSIM4子电路器件模型及其建模方法
技术领域
[0001]本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种应用于M0SFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应管)电学仿真的新的BS頂4子电路器件模型。
【背景技术】
[0002]随着半导体器件特征尺寸日益减小并进入纳米级别，对半导体器件电学仿真模型的要求也逐步提高。BS頂4模型是目前业界对22纳米一 130纳米标准工艺MOSFET进行建模时应用最广泛的模型，其较为成熟且复杂度非常高，具体可以参见BSIM4模型手册(BSIM4Manual)。
[0003]标准的MOSFET BSM4子电路模型包括外围子电路和BS頂4 compact模型，在传统的MOSFET BS頂4器件模型中，全局参数在MOSFET的沟道长度和沟道宽度缩小时，会在子电路模型外对相应的和沟道长度L以及沟道宽度W相关的参数进行修正，并且都是用有效的沟道长度(LefT)和有效的沟道宽度(WefT)来进行计算的。
[0004]这种方法的问题在于，第一，模型中有效的沟道长度和有效的沟道宽度都是很难确定的。为了全局模型的需要，常常会对LefT和WefT进行较大的调整，但是，如果全局参数还是据此修正，就会对仿真结果产生较大的误差。
[0005]第二，传统的MOSFET BS頂4模型中，Leff和Weff对每个全局参数都是固定的，不能针对不同的全局参数进行实时调整，尤其在线宽越来越小的小尺寸器件模型中，拟合误差会变得更大，因为小尺寸效应不再受到任何长沟道器件参数等比例缩放规则的限制。
[0006]所以，对小尺寸器件全局参数的修正能力不高是现有技术的MOSFETBS頂4模型存在的一个很大的缺陷。因此，如何提供一种新的MOSFET电路器件模型，在不影响大尺寸参数修正的情况下，当小尺寸MOSFET的沟道长度L和沟道宽度W缩小时，可以解决上述BSIM4compact模型因为对全局参数修正能力不足而导致的模型精度不高的问题，有可以已成为本领域技术人员需要解决的技术。
【发明内容】
[0007]本发明解决的技术问题在于提供一种MOSFETBS頂4子电路器件模型系统，其具有清晰的物理意义及高度的准确性，能够在面对不同尺寸MOSFET的沟道长度L和沟道宽度W缩小的情况下，解决传统的MOSFET BSM4模型对全局参数修正能力不足的缺陷，从而提高模拟精度。
[0008]为实现上述目的，本发明提供一种MOSFETBSM4子电路器件模型系统，包括标准的MOSFET BSM4子电路模型和全局参数修正模型，所述全局参数修正模型可以对全局参数分别在沟道长度L方向、沟道宽度W方向和小器件方向(即对沟道长度L和沟道宽度W方向上同时修正)进行修正，所述全局参数修正模型还包括:
[0009]—个电流值拟合曲线库，包括至少一条沟道长度L方向上的电流值拟合曲线和至少一条沟道宽度W方向上的电流值拟合曲线；
[0010]参数修正模块，用于对需要修正的N个全局参数分别在三个方向上进行修正，其中，N为正整数，全局参数在沟道长度L方向上的修正值是保持沟道宽度W不变，通过全局参数在沟道长度L方向上的可调参数的函数来拟合一条所述沟道长度L方向上的电流值拟合曲线得到，全局参数在沟道宽度W方向上的修正值是保持沟道长度L不变，通过全局参数在沟道宽度W方向上的可调参数的函数来拟合一条所述沟道宽度W方向上的电流值拟合曲线得到，全局参数在小器件方向上的修正值是通过全局参数在小器件方向上的可调参数的函数来同时拟合所述L和W方向上的的电流值拟合曲线得到；
[0011]调用模块，用于将修正之后的全局参数调用到所述的标准MOSFETBSM4子电路模型中。
[0012]在一些优选的实施例中，所述全局参数在沟道长度L方向上、在沟道宽度W方向上和在小器件方向上的可调参数的函数为pwr幂函数。
[0013]在另一些优选的实施例中，在调用模块中，通过应用修正之后的全局参数得到的新的电流值曲线可以反馈增加到所述电流值拟合曲线库中。
[0014]在另一些优选的实施例中，所述全局参数在沟道长度L方向上、在沟道宽度W方向上和在小器件方向上的可调参数分别包括至少三个。
[0015]为实现上述目的，本发明再提供一种技术方案如下:
[0016]一种MOSFET BS頂4子电路器件模型系统的建模方法，可以对全局参数进行修正，包括如下步骤:
[0017]步骤S1:将MOSFET器件模型写成子电路模型，包括外围子电路和BS頂4 compact模型，并在所述子电路中调用沟道长度L和沟道宽度W;
[0018]步骤S2:对N个需要修正的全局参数分别在三个方向上定义修正值的计算公式，其中，N为正整数，全局参数在沟道长度L方向上的修正值是保持沟道宽度W不变，通过全局参数在沟道长度L方向上的可调参数的函数来拟合电流值拟合曲线库中的一条所述沟道长度L方向上的电流值拟合曲线得到，全局参数在沟道宽度W方向上的修正值是保持沟道长度L不变，通过全局参数在沟道宽度W方向上的可调参数的函数来拟合电流值拟合曲线库中的一条所述沟道宽度W方向上的电流值拟合曲线得到，全局参数在小器件方向上的修正值是通过全局参数在小器件方向上的可调参数的函数来同时拟合所述电流值拟合曲线库中的L和W方向上的的电流值拟合曲线得到；
[0019]步骤S3:将修正过的N个全局参数分别调用到所述外围子电路和BSIM4c0mpact模型中。
[0020]从上述技术方案可以看出，本发明提供的MOSFETBS頂4子电路器件模型系统的有益效果在于:
[0021]第一，通过调用相应的沟道长度L和沟道宽度W对全局参数进行修正，替代了原有传统模型通过有效的沟道长度LefT和有效的沟道宽度WefT来进行计算，不必再受原有模型中Leff和Weff的限制。
[0022]第二，每个全局参数都可以有自己的沟道长度和沟道宽度的相关修正公式，增加了模型调整的空间。
[0023]第三，显著提高了MOSFET BSM4全局模型的模拟精度，达到了小线宽器件模型的拟合精度，满足了电路设计者的需要，拓展了 BS頂4全局模型的使用空间。
【附图说明】
[0024]图1所示为本发明应用于MOSFET电学仿真的BSIM4器件模型的结构框图和流程图
[0025]图2所示为根据本发明的一个优选的实施例
[0026]图3所示为当沟道长度=9微米时，在沟道宽度W方向上，55纳米MOSFET BSIM4compact模型与根据本发明的子电路模型拟合电流测量数据的曲线对比
[0027]图4所示为当沟道长度= 0.054微米时，在沟道宽度W方向上，55纳米MOSFET BSIM4compact模型与根据本发明的子电路模型拟合电流测量数据的曲线对比
[0028]图5所示为图3和图4中部分数值的拟合误差对比
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图和实施例进一步详细阐述本发明。以下实施例并不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。
[0030]图1示出的是本发明提供的一种MOSFETBSM4子电路模型系统的结构流程图和实施步骤，该模型系统用于修正MOSFET器件中N个全局参数在各个方向上的修正值，包括沟道长度L方向、沟道宽度W方向和小器件方向，其中，小器件方向是指同时在沟道长度L方向和沟道宽度W方向上进行修正。
[0031 ] 根据本发明的实施例，当N为I时，以55纳米MOSFET模型nl 2为例，选取迀移率u0，结合图2说明本发明的子电路模型的结构和流程。
[0032]在子电路模型101中，先将该55纳米N沟道MOSFET写成子电路模型，并调用沟道长度L和宽度W。如图2所示，在子电路模型中，包括外围子电路和BSIM4 compact模型，在外围子电路中调用了 L和W，在BS頂4compact模型中，定义了迀移率u0的初始值为0.032。
[0033]在全局参数修正模型102中，包括参数修正模块103、电流值拟合曲线库104和调用模块105。其中，电流值修正拟合曲线库103包括:至少一条沟道长度L方向上的电流值拟合曲线和至少一条L方向的电流值拟合曲线，这些曲线包括标准BSMI4子电路模型的电流值曲线。如图2所示，在参数修正模块103中，对迀移率uO分别在沟道长度L、沟道宽度W和小器件方向利用计算公式进行修正。在这个实施例中，该计算公式是通过利用迀移率u0在不同方向上的修正值参数的幂函数pwr来拟合电流值拟合曲线库104中不同方向上的电流值曲线得到的。更具体地，迀移率uO在沟道长度L方向上的修正值uO_Lckt，是通过固定沟道宽度W，通过计算沟道长度L方向上的参数L_u0、dL_u0和Ln_u0的pwr幂函数来拟合沟道长度L方向上的电流值曲线，使得修正后的数值更为接近实际测量值，其中，参数L_U0、dL_u0、Ln_u0是可以在L方向进行调整的参数;迀移率uO在沟道宽度W方向上的修正值uO_Wckt，是通过固定沟道长度L，通过计算沟道长度W方向上的参数W_u0、dW_uO和Wn_u0的pwr幂函数来拟合沟道长度W方向上的电流值曲线，使得修正后的数值更为接近实际测量值，其中，参数W_u0、dff_u0、Wn_u0是可以在W方向进行调整的参数;迀移率uO在小器件方向上的修正值uO_Pckt，是通过同时计算沟道长度L方向上的参数L_u0、dL_u0、Ln_u0以及沟道宽度W方向上的参数W_uO、dff_u0、Wn_u0的pwr幂函数来同时拟合沟道长度L方向上和沟道宽度W方向上的电流值曲线，使得修正后的数值更为接近实际测量值参，其中，P_uO、dP_uO、LP_uO是可以同时在L方向和W方向进行调整的参数。
[0034]在调用模块105中，将参数修正模块104中得到的修正值计算公式加入到子电路模型中。如图2所示，在外围子电路中分别增加了三个方向上不同的修正值计算公式，在BS頂4compact模型中调用了修正过的迀移率uO= ‘0.032+uo_Lckt+u0_Wckt+u0_Pckt’。至此，对迀移率uO这个全局参数在各个方向上的修正完成。在一些优选的实施例中，调用模块105中，运用修正过的全局参数得到的电流值曲线可以反馈增加至所述电流值拟合曲线库中。
[0035]图3所示为在沟道宽度W方向上，55纳米MOSFET BSIM4 compact模型与根据本发明的子电路模型拟合电流测量数据的曲线对比。即当固定大尺寸的沟道长度L为9微米时，拟合沟道宽度从0.1微米到10微米之间的电流曲线，可以发现，无论是线性区电流还是饱和区电流，由本发明的子电路模型得到的曲线明显更接近于测量得到的数据值。
[0036]图4也显示了在沟道宽度W方向上，55纳米MOSFET BSIM4 compact模型与根据本发明的子电路模型拟合电流测量数据的曲线对比。与图3相比，此处固定小尺寸的沟道长度L为0.054微米时，拟合沟道宽度从0.1微米到10微米之间的电流曲线，可以发现，无论是线性区电流还是饱和区电流，由本发明的子电路模型得到的曲线明显更接近于测量得到的数据值。
[0037]图5所示为图3和图4部分数值的拟合误差对比，即当沟道长度L分别为9微米和
0.054微米时，选取了沟道宽度W从0.108微米到9微米之间的11个点，分别比较线性区电流拟合误差和饱和区电流拟合误差。从最后的结果可以看出，针对线性区电流，根据本发明的子电路模型得到的结果平均拟合误差为1.0%，由传统的BS頂4 compact模型得到的结果平均拟合误差为2.0%;针对饱和区电流，根据本发明的子电路模型得到的结果平均拟合误差为1.3%，由传统的BS頂4 compact模型得到的结果平均拟合误差为2.3%。显然根据本发明的子电路模型得到的结果更为符合实际测量值。
[0038]以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种MOSFETBS頂4子电路器件模型系统，包括标准MOSFET BSM4子电路模型和用于对全局参数进行修正的全局参数修正模型，其特征在于，所述全局参数修正模型还包括: 一个电流值拟合曲线库，包括至少一条沟道长度L方向上的电流值拟合曲线和至少一条沟道宽度W方向上的电流值拟合曲线； 参数修正模块，用于对需要修正的N个全局参数分别在三个方向上进行修正，其中，N为正整数，全局参数在沟道长度L方向上的修正值是保持沟道宽度W不变，通过所述全局参数在沟道长度L方向上的可调参数的函数来拟合一条所述沟道长度L方向上的电流值拟合曲线得到，全局参数在沟道宽度W方向上的修正值是保持沟道长度L不变，通过所述全局参数在沟道宽度W方向上的可调参数的函数来拟合一条所述沟道宽度W方向上的电流值拟合曲线得到，全局参数在小器件方向上的修正值是通过所述全局参数在小器件方向上的可调参数的函数来同时拟合所述L和W方向上的的电流值拟合曲线得到； 调用模块，用于将修正之后的全局参数调用到所述的标准MOSFET BSIM4子电路模型中。2.根据权利要求1所述的MOSFETBSM4子电路器件模型系统，其特征在于，所述全局参数在沟道长度L方向上、在沟道宽度W方向上和在小器件方向上的可调参数的函数为幂函数。3.根据权利要求1所述的MOSFETBSM4子电路器件模型系统，其特征在于，所述电流值拟合曲线库包括标准MOSFET BS頂4子电路模型的电流值曲线。4.根据权利要求1所述的MOSFETBSM4子电路器件模型系统，其特征在于，在调用模块中，通过应用修正之后的全局参数得到的新的电流值曲线可以反馈增加到所述电流值拟合曲线库中。5.根据权利要求1所述的MOSFETBISM4子电路器件模型系统，其特征在于，所述全局参数在沟道长度L方向上、在沟道宽度W方向上和在小器件方向上的可调参数分别包括至少三个。6.—种MOSFET BSIM4子电路器件模型系统的建模方法，可以对全局参数进行修正，其特征在于，包括如下步骤: 步骤S1:将MOSFET器件模型写成子电路模型，包括外围子电路和BSHMcompact模型，并在所述子电路中调用沟道长度L和沟道宽度W; 步骤S2:对N个需要修正的全局参数分别在三个方向上定义修正值的计算公式，其中，N为正整数，全局参数在沟道长度L方向上的修正值是保持沟道宽度W不变，通过所述全局参数在沟道长度L方向上的可调参数的函数来拟合电流值拟合曲线库中的一条所述沟道长度L方向上的电流值拟合曲线得到，全局参数在沟道宽度W方向上的修正值是保持沟道长度L不变，通过所述全局参数在沟道宽度W方向上的可调参数的函数来拟合电流值拟合曲线库中的一条所述沟道宽度W方向上的电流值拟合曲线得到，全局参数在小器件方向上的修正值是通过所述全局参数在小器件方向上的可调参数的函数来同时拟合所述电流值拟合曲线库中的L和W方向上的的电流值拟合曲线得到； 步骤S3:将修正过的N个全局参数分别调用到所述外围子电路和BS頂4c0mpact模型中。
【文档编号】G06F17/50GK105844006SQ201610163792
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】彭兴伟, 王伟
【申请人】上海华力微电子有限公司