CN101739469A - 提取mos晶体管应力效应模型参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，包括以下步骤：步骤一、设计MOS晶体管测试图形组，MOS晶体管测试图形组有一组或多组，其中至少有一组MOS晶体管测试图形沟道尺寸变化；步骤二、对上述测试图形组中的MOS晶体管进行测试，取得以上所有晶体管的测试数据，得到阈值电压和饱和电流与源有源区或漏有源区长度的关系曲线，根据数值优化以及曲线拟合，得到MOS晶体管有关应力效应的模型参数。采用该方法，可以方便地得到MOS晶体管有关应力效应的模型参数。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件的仿真分析技术，特别涉及一种提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法。
背景技术
随着半导体集成电路工艺的特征尺寸的不断减少，MOS晶体管的应力效应变得越来越明显。MOS晶体管的应力效应对器件的杂质掺杂分布以及载流子的迁移率都有较大的影响，最终会影响到MOS晶体管的阈值电压(Vth)和饱和电流(Idsat)的数值。因此，为了更精确地仿真亚微米或深亚微米MOS晶体管的电学特征，必须准确地提取全套的MOS晶体管有关应力效应的模型参数。
在工业界所采用的MOS晶体管BSIM4模型(Berkeley Short-channelIGFET Model-伯克利短沟道绝缘栅场效应管模型)中，有五组和应力效应相关的模型参数，分别是参数组1(KUO，KVTHO和STK2)，参数组2(KVSAT和STETAO)，参数组3(LKUO/LLODKUO和LKVTHO/LLODVTH和LODK2/LODETAO)，参数组4(WKUO/WLODKUO和WKVTHO/WLODVTH)和参数组5(PKUO)。以上每一组模型参数都有非常明确的物理意义，如：参数组1主要用于描述应力效应对大尺寸器件阈值电压和载流子迁移率的影响；参数组2主要用于描述应力效应对短沟道长度器件阈值电压和饱和电流的影响；参数组3主要用于描述应力效应对固定沟道宽度，可变沟道长度的器件阈值电压和载流子迁移率的影响；参数组4主要用于描述应力效应对固定沟道长度，可变沟道宽度的器件阈值电压和载流子迁移率的影响；参数组5主要用于描述应力效应对小尺寸器件阈值电压和载流子迁移率的影响。
而提取应力效应模型参数的重要前提之一就是完整科学合理的测试图形的设计。目前，业界多采用固定沟道宽度(W)、沟道长度(L)，改变源/漏有源区长度(SA/SB)的晶体管单体测试图形。运用此方法，虽然能提取出部分重要的应力效应的模型参数，但是还不能提取出完整的参数，对器件应力效应的仿真也有不良的影响。
如果采用目前业界的“固定沟道宽度(W)和沟道长度(L)，改变源/漏有源区长度(SA/SB)的晶体管单体测试图形”，只能提取参数组1和2中应力效应相关的模型参数，因为KUO，KVTHO和STK2，KVSAT和STETAO都是描述固定沟道宽度和沟道长度的晶体管的应力效应。但是，参数组3(LKUO/LLODKUO和LKVTHO/LLODVTH和LODK2/LODETAO)，参数组4(WKUO/WLODKUO和WKVTHO/WLODVTH)的模型参数是描述可变沟道宽度和沟道长度的晶体管的应力效应，传统的晶体管单体测试图形由于晶体管的沟道宽度和沟道长度都是固定的，显然无法经测试体现出不同沟道宽度和沟道长度所带来的应力对晶体管特性的影响。而如果模型缺少了参数组3和4中应力效应相关的模型参数，器件应力效应的仿真精度根本无法谈起。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，采用该方法，可以方便地得到MOS晶体管有关应力效应的模型参数。
为解决上述技术问题，本发明的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，包括以下步骤：
步骤一.设计MOS晶体管测试图形组，MOS晶体管测试图形组有一组或多组，其中至少有一组MOS晶体管测试图形沟道尺寸变化；
步骤二.对上述测试图形组中的MOS晶体管进行测试，取得以上所有晶体管的测试数据，得到阈值电压和饱和电流与源有源区或漏有源区长度的关系曲线，根据数值优化以及曲线拟合，得到MOS晶体管有关应力效应的模型参数。
所述的一组MOS晶体管测试图形，可以是沟道宽度固定，沟道长度改变。
所述的一组MOS晶体管测试图形，可以是沟道长度固定，沟道宽度改变。
所述设计的MOS晶体管测试图形组中还可以包括一组MOS晶体管测试图形，该组MOS晶体管测试图形沟道宽度、沟道长度为小尺寸。
所述设计的MOS晶体管测试图形组中还可以包括一组MOS晶体管测试图形，该组MOS晶体管测试图形中的MOS晶体管为多叉指形状MOS晶体管结构。
本发明的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，设计的MOS晶体管测试图形组中至少有一组MOS晶体管测试图形沟道尺寸变化，能够测试体现出不同沟道宽度或沟道长度所带来的应力对晶体管特性的影响，可以方便地得到MOS晶体管有关应力效应的模型参数，能更精确地仿真亚微米或深亚微米MOS晶体管的电学特征。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是一MOS晶体管示意图；
图2是多叉指MOS晶体管示意图。
具体实施方式
MOS晶体管如图1所示，其中，SA是源有源区长度，SB是漏有源区长度，L是沟道长度，W是沟道宽度，LOD是扩散区长度，等于L、SA与SB之和。
设计规则是半导体器件的版图设计中应该遵循的最小的尺寸数值。例如在0.18um工艺中，设计规则为：沟道宽度W的取值范围(W≥0.4um)、沟道长度L的取值范围(L≥0.18um)、源有源区长度SA或漏有源区长度SB的取值范围(SA或SB≥0.36um)。
本发明的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法的一实施方式，包括以下步骤：
步骤一.设计测试图形组，包括六组，
测试图形组1：MOS晶体管固定沟道宽度W、沟道长度L，沟道宽度W、沟道长度L为大尺寸，例如可以是10um≤W≤50um，5um≤L≤20um，源有源区长度SA、漏有源区长度SB改变，例如，取MOS晶体管沟道宽度W为20um，取沟道长度L为10um，取源有源区长度SA＝漏有源区长度SB，为Smin(Smin是设计规则中SA或SB的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Smin＝0.36um)～10um范围内的5个尺寸；
测试图形组2：MOS晶体管固定沟道宽度W、沟道长度L，沟道长度L取短尺寸，例如可以是0.15um≤L≤0.5um，源有源区长度SA、漏有源区长度SB改变，例如取沟道宽度W为20um，取沟道长度L为Lmin(Lmin是设计规则中L的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Lmin＝0.18um)，源有源区长度SA＝漏有源区长度SB，取Smin(Smin是设计规则中SA或SB的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Smin＝0.36um)～10um范围内的5个尺寸；
测试图形组3：MOS晶体管沟道宽度W固定，沟道长度L改变，例如沟道宽度W为20um，沟道长度L取Lmin(Lmin是设计规则中L的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Lmin＝0.18um)～10um范围内的5个尺寸，源有源区长度SA＝漏有源区长度SB，取Smin(Smin是设计规则中SA或SB的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Smin＝0.36um)～10um范围内的两个尺寸；
测试图形组4：MOS晶体管沟道长度L固定，沟道宽度W改变，例如沟道长度L为10um，沟道宽度W取Wmin(Wmin是设计规则中W的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Wmin＝0.4um)～20um范围内的5个尺寸，源有源区长度SA＝漏有源区长度SB，取Smin(Smin是设计规则中SA或SB的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Smin＝0.36um)～10um范围内的两个尺寸；
测试图形组5：MOS晶体管沟道宽度W和沟道长度L为小尺寸，例如可以是0.3um≤W≤1um、0.15um≤L≤0.5um，例如沟道宽度W为Wmin(Wmin是设计规则中W的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Wmin＝0.4um)，沟道长度L为Lmin(Lmin是设计规则中L的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Lmin＝0.18um)，源有源区长度SA＝漏有源区长度SB，取Smin(Smin是设计规则中SA或SB的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Smin＝0.36um)～10um范围内的5个尺寸；
(6)测试图形组6：为了验证多叉指形状(multi-finger)MOS晶体管和应力效应相关的公式的正确性，还需设计一组多叉指形状MOS晶体测试图形，例如，取沟道宽度W＝20um，取沟道长度L为Lmin(Lmin是设计规则中L的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Lmin＝0.18um)，源有源区长度SA＝漏有源区长度SB，取Smin(Smin是设计规则中SA或SB的最小值，例如根据上述0.18um工艺中设计规则，Smin＝0.36um)～10um范围内的两个尺寸，多叉指形状MOS晶体管结构的叉指数可以为2、4、8或16。多叉指形状(multi-finger)MOS晶体管的结构如图2所示，晶体管栅的个数多于一个。
步骤二.利用上述测试图形组，取得以上所有晶体管的测试数据，得到阈值电压和饱和电流与源有源区或漏有源区长度的关系曲线，根据数值优化以及曲线拟合，得到MOS晶体管有关应力效应的模型参数。
(1)对测试图形组1中的晶体管进行测试，即可以得到应力效应对大尺寸器件阈值电压和饱和电流的影响。而参数组1恰恰用于描述应力效应对大尺寸器件阈值电压和载流子迁移率的影响，因此，优化调整参数组1中的模型参数的数值，即可以使器件仿真结果与实际测试的应力数据相拟合。
(2)对测试图形组2中的晶体管进行测试，即可以得到应力效应对短沟道器件阈值电压和饱和电流的影响。而参数组2恰恰用于描述应力效应对短沟道器件阈值电压和饱和电流的影响，因此，优化调整参数组2中的模型参数的数值，即可以使器件仿真结果与实际测试的应力数据相拟合。
(3)对测试图形组3中的晶体管进行测试，即可以得到应力效应对不同沟道长度的器件阈值电压和饱和电流的影响。而参数组3恰恰用于描述应力效应对不同沟道长度器件阈值电压和载流子迁移率的影响，因此，优化调整参数组3中的模型参数的数值，即可以使器件仿真结果与实际测试的应力数据相拟合。
(4)对测试图形组4中的晶体管进行测试，即可以得到应力效应对不同沟道宽度的器件阈值电压和饱和电流的影响。而参数组4恰恰用于描述应力效应对不同沟道宽度器件阈值电压和载流子迁移率的影响，因此，优化调整参数组4中的模型参数的数值，即可以使器件仿真结果与实际测试的应力数据相拟合。
(5)对测试图形组5中的晶体管进行测试，即可以得到应力效应对小尺寸器件阈值电压和饱和电流的影响。而参数组5恰恰用于描述应力效应对小尺寸器件阈值电压和载流子迁移率的影响，因此，优化调整参数组5中的模型参数的数值，即可以使器件仿真结果与实际测试的应力数据相拟合。
(6)最后，对测试图形组6中的多叉指形状MOS晶体管进行测试，测试取得该组多叉指形状MOS晶体管的阈值电压和饱和电流的数值，同时用(1)～(5)中提取的模型参数对多叉指形状的MOS晶体管进行仿真，仿真取得多叉指形状的MOS晶体管的阈值电压和饱和电流的模拟数值，根据测试取得的结果和仿真取得的一致性，验证多叉指形状的MOS晶体管应力效应公式的正确性，如果测试取得的结果和仿真取得的结果基本一致，则可以很好地验证多叉指形状的MOS晶体管应力效应公式的正确性。
Claims (12)
1.一种提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一.设计MOS晶体管测试图形组，MOS晶体管测试图形组有一组或多组，其中至少有一组MOS晶体管测试图形沟道尺寸变化；
步骤二.对上述测试图形组中的MOS晶体管进行测试，取得以上所有晶体管的测试数据，得到阈值电压和饱和电流与源有源区或漏有源区长度的关系曲线，根据数值优化以及曲线拟合，得到MOS晶体管有关应力效应的模型参数。
2.根据权利要求1所述的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，所述的一组MOS晶体管测试图形，沟道宽度固定，沟道长度改变。
3.根据权利要求2所述的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，所述的一组MOS晶体管测试图形，沟道宽度为20um；沟道长度取设计规则中沟道长度的最小值～10um范围内的5个尺寸；源有源区长度等于漏有源区长度，取设计规则中源有源区长度或漏有源区长度的最小值～10um范围内的两个尺寸。
4.根据权利要求1所述的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，所述的一组MOS晶体管测试图形，沟道长度固定，沟道宽度改变。
5.根据权利要求4所述的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，所述的一组MOS晶体管测试图形，沟道长度为10um；沟道宽度取设计规则中沟道宽度的最小值～20um范围内的5个尺寸；源有源区长度等于漏有源区长度，取设计规则中源有源区长度或漏有源区长度的最小值～10um范围内的两个尺寸。
6.根据权利要求1所述的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，所述设计的MOS晶体管测试图形组中还包括一组MOS晶体管测试图形，该组MOS晶体管测试图形沟道宽度、沟道长度为小尺寸。
7.根据权利要求6所述的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，所述沟道宽度、沟道长度为小尺寸的一组MOS晶体管测试图形，沟道宽度取设计规则中沟道宽度的最小值；沟道长度取设计规则中沟道长度的最小值；源有源区长度等于漏有源区长度，取设计规则中源有源区长度或漏有源区长度的最小值～10um范围内的5个尺寸。
8.根据权利要求1所述的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，所述设计的MOS晶体管测试图形组中还包括一组MOS晶体管测试图形，该组MOS晶体管测试图形中的MOS晶体管为多叉指形状MOS晶体管结构。
9.根据权利要求8所述的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，所述一组MOS晶体管测试图形，沟道宽度为20um，沟道长度取设计规则中沟道长度的最小值，源有源区长度等于漏有源区长度，取设计规则中源有源区长度或漏有源区长度的最小值～10um范围内的两个尺寸。
10.根据权利要求8或9所述的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，所述一组MOS晶体管测试图形中的MOS晶体管为叉指数为2、4、8或16的多叉指形状MOS晶体管结构。
11.根据权利要求1所述的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，所述设计的MOS晶体管测试图形组，包括六组，
测试图形组1：MOS晶体管固定沟道宽度、沟道长度，沟道宽度、沟道长度为大尺寸；
测试图形组2：MOS晶体管固定沟道宽度、沟道长度，沟道长度为短尺寸；
测试图形组3：MOS晶体管沟道宽度固定，沟道长度改变；
测试图形组4：MOS晶体管沟道长度固定，沟道宽度改变；
测试图形组5：MOS晶体管沟道宽度、沟道长度为小尺寸；
测试图形组6：MOS晶体管为多叉指形状MOS晶体管结构。
12.根据权利要求11所述的提取MOS晶体管应力效应模型参数的方法，其特征在于，所述六组MOS晶体管测试图形组为：
测试图形组1：MOS晶体管沟道宽度为20um，沟道长度为10um，源有源区长度等于漏有源区长度，取设计规则中源有源区长度或漏有源区长度的最小值～10um范围内的5个尺寸；
测试图形组2：MOS晶体管沟道宽度为20um，沟道长度为设计规则中沟道长度的最小值，源有源区长度等于漏有源区长度，取设计规则中源有源区长度或漏有源区长度的最小值～10um范围内的5个尺寸；
测试图形组3：MOS晶体管沟道宽度为20um；沟道长度取设计规则中沟道长度的最小值～10um范围内的5个尺寸；源有源区长度等于漏有源区长度，取设计规则中源有源区长度或漏有源区长度的最小值～10um范围内的两个尺寸；
测试图形组4：MOS晶体管沟道长度为10um；沟道宽度取设计规则中沟道宽度的最小值～20um范围内的5个尺寸；源有源区长度等于漏有源区长度，取设计规则中源有源区长度或漏有源区长度的最小值～10um范围内的两个尺寸；
测试图形组5：MOS晶体管沟道宽度取设计规则中沟道宽度的最小值；沟道长度取设计规则中沟道长度的最小值；源有源区长度等于漏有源区长度，取设计规则中源有源区长度或漏有源区长度的最小值～10um范围内的5个尺寸；
测试图形组6：MOS晶体管沟道宽度为20um，沟道长度取设计规则中沟道长度的最小值，源有源区长度等于漏有源区长度，取设计规则中源有源区长度或漏有源区长度的最小值～10um范围内的两个尺寸，叉指数为2、4、8或16的多叉指形状MOS晶体管结构。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANGHAI HUAHONG GRACE SEMICONDUCTOR MANUFACTURING Free format text: FORMER OWNER: HUAHONG NEC ELECTRONICS CO LTD, SHANGHAI Effective date: 20140108 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 201206 PUDONG NEW AREA, SHANGHAI TO: 201203 PUDONG NEW AREA, SHANGHAI |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140108 Address after: 201203 Shanghai city Zuchongzhi road Pudong New Area Zhangjiang hi tech Park No. 1399 Patentee after: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corporation Address before: 201206, Shanghai, Pudong New Area, Sichuan Road, No. 1188 Bridge Patentee before: Shanghai Huahong NEC Electronics Co., Ltd. |