一种FinFET器件阈值电压模型构建方法与流程

一种finfet器件阈值电压模型构建方法
技术领域
1.本发明涉及半导体集成电路技术领域，具体涉及一种finfet器件阈值电压模型构建方法。


背景技术：

2.随着集成电路技术的不断发展，器件尺寸不断缩小，平面晶体管的短沟道效应致使摩尔定律一度遭到质疑。1999年，finfet器件作为一种新型三维结构被提出，它大大增强了栅极对沟道电流的控制能力，极大程度上缓解了平面晶体管在先进工艺节点下泄漏电流大、功耗高等问题，成为22nm及以下工艺节点下的主流结构。
3.晶体管阈值电压不仅是模型建立时的关键参数，在广泛使用的模拟和数模混合电路设计过程中也起着重要的作用。为了尽可能提高模型的精确度以降低电路设计难度，人们从考虑各种影响阈值电压的因素，诸如串联寄生电阻、表面陷阱电荷、器件结构、材料、物理尺寸等，搭建了适用于微米量级的物理基模型以及适用于纳米量级的电荷基模型。
4.尽管学术界和工业界在晶体管阈值电压的描述上做了很努力，但人们在建立阈值电压模型时往往将温度视为常量，并忽略了晶体管偏置条件改变导致的温度漂移对模型准确度的影响。但随着器件尺寸的不断缩小，尤其是针对当今集成度大幅增加、散热严重不良的finfet集成电路，温度漂移对晶体管阈值电压的影响将不能再被忽略，而经验表明，不同的偏置电压会改变finfet器件温度，因此，温度相关阈值电压方程的建立对高集成度、先进工艺的电路设计具有重要意义。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种finfet器件阈值电压模型构建方法解决了finfet器件的阈值电压测算精度的问题。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种finfet器件阈值电压模型构建方法，包括以下步骤：
8.s1、测量并获取施加了偏置电压的finfet器件的闪烁噪声功率谱密度、跨导和沟道温度，并通过牛顿迭代法，求解晶体管闪烁噪声方程组，得到闪烁噪声、跨导-沟道温度映射模型；
9.s2、向finfet器件施加不同的偏置电压，测量并获取每个偏置电压下finfet器件的闪烁噪声功率谱密度和跨导，并通过闪烁噪声、跨导-沟道温度映射模型，求解每个偏置电压下finfet器件的沟道温度；
10.s3、根据步骤s2所述的各个偏置电压下finfet器件的沟道温度，通过插值法得到偏置电压-沟道温度关系模型；
11.s4、根据偏置电压-沟道温度关系模型和温度-阈值电压方程，建立finfet器件阈值电压模型。
12.进一步地，所述步骤s1中的晶体管闪烁噪声方程组包括以下各式：
13.s
vg|flicker
·gm2
＝a1·
a2·
(t1+t2+t3)
[0014][0015][0016]
lc＝l
elec
+v
ds
/e
crit
[0017]
β＝kt/q
[0018]
q0＝4βc
si
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026][0027][0028][0029]
[0030][0031]
其中，s
vg|flicker
为闪烁噪声功率谱密度，gm为跨导，a1为第一乘子参数，a2为第二乘子参数，t1为第一参量，t2为第二参量，t3为第三参量，f为工作频率，lc为导电沟道长度等效参数，β为温度电压当量，qs为源极移动电荷密度，qd为漏极移动电荷密度，c
ox
为栅氧化层的单位电容率，c
si
为硅单位电容率，ln(
·
)为自然对数函数，q0为第一电荷密度参数，μ
eff
为载流子有效迁移率，n
ot
为单位面积陷阱电荷数量，w为有效导电沟道宽度，l为有效导电沟道长度，v
gseff
为栅极源极间有效电压，a
bulk
为体系数，l
elec
为导电沟道电学长度，v
ds
为漏极源极间外加电压，e
crit
为临界电场强度，k为玻尔兹曼常数，t为沟道温度，g为单电子的电荷量，μ0为载流子低场迁移率，θ1为载流子迁移率第一修正系数，θ2为载流子迁移率第二修正系数，v
gs
为栅极源极间外加电压，为栅极与本征硅之间的功函数差，q
′
为沟道电荷密度的导数，v为准电子费米势，ni为本征载流子浓度，t
si
为硅材料层厚度，b为第四参量，i
ds
为漏极源极电流，t
1，1
为第一参量的第一计算因子，t
1，2
为第一参量的第二计算因子，n为斜率因子，c为第五参量，t
2，1
为第二参量的第一计算因子，t
2，2
为第二参量的第二计算因子，arctg(
·
)为反正切函数。
[0032]
进一步地，所述步骤s4中的温度-阈值电压方程为：
[0033][0034]
其中，v
th
为阈值电压。
[0035]
本发明的有益效果为：
[0036]
1)本发明建立了偏置电压-沟道温度关系模型，其与温度-阈值电压方程的结合，精确描述了偏置电压因改变了沟道温度而对阈值电压的影响，解决了finfet器件的阈值电压测算精度的问题。
[0037]
2)本发明通过自主推导和构建的晶体管闪烁噪声方程组刻画闪烁噪声、跨导与沟道温度的科学规律，并根据测试得到的闪烁噪声功率谱密度、跨导和沟道温度，通过数值分析方法中的牛顿迭代法对难以求解且复杂的晶体管闪烁噪声方程组进行处理，得到只需输入闪烁噪声功率谱密度值和跨导值便可输出沟道温度值的非线性回归数值模型～闪烁噪声、跨导-沟道温度映射模型。
[0038]
3)基于闪烁噪声、跨导-沟道温度映射模型，在建立偏置电压-沟道温度关系模型之时，只需测量不同偏置电压时的闪烁噪声功率谱密度和跨导，便可准确计算各偏置电压对应的沟道温度，大大降低纳米级finfet器件沟道温度的获取难度。
[0039]
4)本发明不局限于晶体管尺寸，适用面广，可移植性好。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例提供的一种finfet器件阈值电压模型构建方法的流程图；
[0041]
图2为本发明实施例的finfet器件测试平台。
具体实施方式
[0042]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0043]
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种finfet器件阈值电压模型构建方法，包括以下步骤：
[0044]
s1、测量并获取施加了偏置电压的finfet器件的闪烁噪声功率谱密度、跨导和沟道温度，并通过牛顿迭代法，求解晶体管闪烁噪声方程组，得到闪烁噪声、跨导-沟道温度映射模型。
[0045]
晶体管闪烁噪声方程组包括以下各式：
[0046]svg|flicker
·gm2
＝a1·
a2·
(t1+t2+t3)
[0047][0048][0049]
lc＝l
elec
+v
ds
/e
crit
[0050]
β＝kt/q
[0051]
q0＝4βc
si
[0052][0053][0054][0055][0056][0057][0058]
[0059][0060][0061][0062][0063][0064]
其中，s
vg|flicker
为闪烁噪声功率谱密度，gm为跨导，a1为第一乘子参数，a2为第二乘子参数，t1为第一参量，t2为第二参量，t3为第三参量，f为工作频率，lc为导电沟道长度等效参数，β为温度电压当量，qs为源极移动电荷密度，qd为漏极移动电荷密度，c
ox
为栅氧化层的单位电容率，c
si
为硅单位电容率，ln(
·
)为自然对数函数，q0为第一电荷密度参数，μ
eff
为载流子有效迁移率，n
ot
为单位面积陷阱电荷数量，w为有效导电沟道宽度，l为有效导电沟道长度，v
gseff
为栅极源极间有效电压，a
bulk
为体系数，l
elec
为导电沟道电学长度，v
ds
为漏极源极间外加电压，e
crit
为临界电场强度，k为玻尔兹曼常数，t为沟道温度，g为单电子的电荷量，μ0为载流子低场迁移率，θ1为载流子迁移率第一修正系数，θ2为载流子迁移率第二修正系数，v
gs
为栅极源极间外加电压，为栅极与本征硅之间的功函数差，q
′
为沟道电荷密度的导数，v为准电子费米势，ni为本征载流子浓度，t
si
为硅材料层厚度，b为第四参量，i
ds
为漏极源极电流，t
1，1
为第一参量的第一计算因子，t
1，2
为第一参量的第二计算因子，n为斜率因子，c为第五参量，t
2，1
为第二参量的第一计算因子，t
2，2
为第二参量的第二计算因子，arctg(
·
)为反正切函数。
[0065]
本发明通过自主推导和构建的晶体管闪烁噪声方程组刻画闪烁噪声、跨导与沟道温度的科学规律，并根据测试得到的闪烁噪声功率谱密度、跨导和沟道温度，通过数值分析方法中的牛顿迭代法对难以求解且复杂的晶体管闪烁噪声方程组进行处理，得到只需输入闪烁噪声功率谱密度值和跨导值便可输出沟道温度值的非线性回归数值模型～闪烁噪声、跨导-沟道温度映射模型。
[0066]
本实施例向finfet器件施加偏置并测试闪烁噪声功率谱密度和跨导的装置如图2所示。将待测finfet器件作为具有输入端和输出端的二端网络，通过两个偏置器分别提供输入端偏置电压和输出端偏置电压，所述的输入端偏置电压和输出端偏置电压共同构成了本实施例所述的偏置电压，即在本实施例中，本发明所述的偏置电压为包含了两个元素的向量；接入了矢量网络分析仪、频谱分析仪和受衰减器调控功率的噪声源，以测量闪烁噪声功率谱密度；还接入了半导体参数分析仪以测量并计算跨导。
[0067]
s2、向finfet器件施加不同的偏置电压，测量并获取每个偏置电压下finfet器件的闪烁噪声功率谱密度和跨导，并通过闪烁噪声、跨导-沟道温度映射模型，求解每个偏置
电压下finfet器件的沟道温度。
[0068]
本发明基于闪烁噪声、跨导-沟道温度映射模型，在建立偏置电压-沟道温度关系模型之时，只需测量不同偏置电压时的闪烁噪声功率谱密度和跨导，便可准确计算各偏置电压对应的沟道温度，大大降低纳米级finfet器件沟道温度的获取难度。
[0069]
s3、根据步骤s2所述的各个偏置电压下finfet器件的沟道温度，通过插值法得到偏置电压-沟道温度关系模型。
[0070]
本发明的插值法用于填充上述已测偏置电压之间的偏置电压-沟道温度数据，不限于线性插值、sinc函数插值等方法。
[0071]
s4、根据偏置电压-沟道温度关系模型和温度-阈值电压方程，建立finfet器件阈值电压模型。
[0072]
温度-阈值电压方程为：
[0073][0074]
其中，v
th
为阈值电压。
[0075]
综上，本发明建立了偏置电压-沟道温度关系模型，其与温度-阈值电压方程的结合，精确描述了偏置电压因改变了沟道温度而对阈值电压的影响，解决了finfet器件的阈值电压测算精度的问题。本发明不局限于晶体管尺寸，适用面广，可移植性好。
[0076]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0077]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。