CN101976274A - 提取场效晶体管的spice模型的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提取场效晶体管的SPICE模型的方法，包括如下步骤：在通用模型的基础上，调用长沟道区器件、宽沟道区器件和短沟道窄沟道区器件；在所述通用模型的基础上，利用区域化模型的参数提取方法，分别提取所述长沟道区、宽沟道区、短沟道窄沟道区器件的模型参数、利用最小二乘法误差拟合的方法，获得所述长沟道区、宽沟道区、短沟道窄沟道区所有器件的模型参数；根据所述长沟道区、宽沟道区、短沟道窄沟道区所有器件的模型参数，提取所述场效晶体管的通用模型参数。本发明的提取场效晶体管的SPICE模型的方法同时具有通用模型和区域化模型的优点。

Description

提取场效晶体管的SPICE模型的方法
技术领域
本发明涉及一种提取场效晶体管的SPICE模型的方法。
背景技术
场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor，MOS)是半导体集成电路中一种重要的半导体器件，在集成电路工艺领域中被广泛的应用。为了预测场效晶体管器件在所处的环境中的性能和可靠性，需要对场效晶体管进行仿真。
SPICE(Simulation Program with Intergraded Circuit Emphasis)是器件设计行业应用最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本SPICE软件，这些软件的仿真核心大同小异，都采用了美国加利福尼亚大学伯克莱分校开发的SPICE模拟算法。通常SPICE软件提供通用模型(Global model)和区域化模型(Binning model)。通用模型是一种可缩放的模型(Scalable model)，能够适用于全部尺寸的器件，但是通用模型的精确度没有区域化模型的精确度高，尤其是在亚微米的器件中。虽然区域化模型对建立SPICE模型是一个不错的选择，但是，利用区域化模型提取的参数不连续，例如提取的漏源电流参数IDS和漏源电导参数GDS不连续。
发明内容
本发明的目的在于提供一种建立在通用模型和区域化模型基础上的提取场效晶体管的SPICE模型的方法。
一种提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：在通用模型的基础上，调用长沟道区器件、宽沟道区器件和短沟道窄沟道区器件；在所述通用模型的基础上，利用区域化模型的参数提取方法，分别提取所述长沟道区器件的模型参数、所述宽沟道区器件的模型参数、所述短沟道窄沟道区器件的模型参数；根据提取的所述长沟道区器件的模型参数、利用最小二乘法误差拟合的方法，获得长沟道区所有器件的模型参数，根据提取的所述宽沟道区器件的模型参数、利用最小二乘法误差拟合的方法，获得宽沟道区所有器件的模型参数，根据提取的所述短沟道窄沟道区器件的模型参数，利用最小二乘法误差拟合的方法，获得短沟道窄沟道区所有器件的模型参数；根据所述长沟道区所有器件的模型参数，所述宽沟道区所有器件的模型参数，所述短沟道窄沟道区所有器件的模型参数，提取所述场效晶体管的通用模型参数。
本发明优选的一种技术方案，在通用模型的基础上，调用的所述长沟道区器件的沟道长度相同，沟道宽度不同。
本发明优选的一种技术方案，在通用模型的基础上，调用的所述宽沟道区器件的沟道宽度相同，沟道长度不同。
本发明优选的一种技术方案，所述短沟道窄沟道区器件为小尺寸器件。
本发明优选的一种技术方案，利用区域化模型的参数提取方法，提取的模型参数包括零偏阈值电压参数、一阶体效应系数和低电场迁移率。
本发明优选的一种技术方案，所述场效晶体管的通用模型参数中的零偏阈值电压参数VTH0＝VTH0+LVTH0/Leff+WVTH0/Weff+PVTH0/(Leff*Weff)，其中，LVTH0表示所述宽沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，WVTH0表示所述长沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，PVTH0表示所述短沟道窄沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，Leff表示器件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。
本发明优选的一种技术方案，所述场效晶体管的通用模型参数中的一阶体效应系数K1＝K1+K1/Leff+K1/Weff+K1/(Leff*Weff)，其中，Leff表示器件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。
本发明优选的一种技术方案，所述场效晶体管的通用模型参数中的低电场迁移率U0＝U0+U0/Leff+U0/Weff+U0/(Leff*Weff)，其中，Leff表示器件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。
与现有技术相比，本发明的提取场效晶体管的SPICE模型的方法建立在通用模型和区域化模型基础上，同时具有通用模型和区域化模型的优点，能够适用于全部尺寸的器件，且具有较高的精确度。
附图说明
图1是本发明的提取场效晶体管的SPICE模型的方法的流程图。
图2是本发明在通用模型的基础上提取的器件的尺寸分布示意图。
图3是本发明提取LVTH0模型参数的方法示意图。
图4是本发明提取WVTH0模型参数的方法示意图。
图5是本发明提取PVTH0模型参数的方法示意图。
图6-图9是利用现有方法获得的场效晶体管的IDS-VGS-VDS特性曲线图。
图10-图13是本发明的提取SPICE模型的方法获得的场效晶体管的IDS-VGS-VDS特性曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
请参阅图1，图1是本发明的提取场效晶体管的SPICE模型的方法的流程图。首先，在通用模型的基础上，调用长沟道区器件、宽沟道区器件和短沟道窄沟道区器件。请参阅图2，图2是本发明在通用模型的基础上提取的器件的尺寸分布示意图。优选的，在通用模型的基础上，调用的所述宽沟道区器件的沟道宽度相同，沟道长度不同，为了便于描述，定义该区域的器件为L器件。优选的，在通用模型的基础上，调用的所述长沟道区器件的沟道长度相同，沟道宽度不同，为了便于描述，定义该区域的器件为W器件。优选的，在通用模型的基础上，所述短沟道窄沟道区器件为小尺寸器件，为了便于描述，定义所述区域的器件为P器件。
在所述通用模型的基础上，利用区域化模型的参数提取方法，分别提取所述L区器件的模型参数、所述W区器件的模型参数、所述P区器件的模型参数。优选的，提取的模型参数包括零偏阈值电压参数VTH0、一阶体效应系数k1和低电场迁移率U0。优选的，本发明采用四个不同的L器件，定义提取的这四个L器件的VTH0参数分别为LVTH0(1)、LVTH0(2)、LVTH0(3)、LVTH0(4)。所述L器件的k1参数分别为Lk1(1)、Lk1(2)、Lk1(3)、LK1(4)。所述W器件的U0参数分别为LU0(1)、LU0(2)、LU0(2)、LU0(4)。优选的，本发明采用四个不同的W器件，定义提取的这四个W器件的VTH0参数分别为WVTH0(1)、WVTH0(2)、WVTH0(3)、WVTH0(4)。所述W器件的k1参数分别为Wk1(1)、Wk1(2)、Wk1(3)、WK1(4)。所述W器件的U0参数分别为WU0(1)、WU0(2)、WU0(3)、WU0(4)。优选的，本发明采用四个不同的P器件，定义提取的这四个P器件的VTH0参数分别为PVTH0(1)、PVTH0(2)、PVTH0(3)、PVTH0(4)。所述P器件的k1参数分别为Pk1(1)、Pk1(2)、Pk1(3)、PK1(4)。所述P器件的U0参数分别为PU0(1)、PU0(2)、PU0(3)、PU0(4)。
请参阅图3，图3是本发明提取L区所有器件的LVTH0模型参数的方法示意图。将所述四个不同的L器件的VTH0参数LVTH0(1)、LVTH0(2)、LVTH0(3)、LVTH0(4)绘制在坐标图上，并利用最小二乘法误差拟合(least-square error fitting)的方法，即可获得L区全部器件的VTH0参数LVTH0。依据相同的方法，可以获得L区全部器件的k1参数Lk1、L区全部器件的U0参数LU0。
请参阅图4，图4是本发明提取W区所有器件的WVTH0模型参数的方法示意图。将所述四个不同的W器件的VTH0参数WVTH0(1)、WVTH0(2)、WVTH0(3)、WVTH0(4)绘制在坐标图上，并利用最小二乘法误差拟合的方法，即可获得W区全部器件的VTH0参数WVTH0。依据相同的方法，可以获得W区全部器件的k1参数Wk1、W区全部器件的U0参数WU0。
请参阅图5，图5是本发明提取P区所有器件的PVTH0模型参数的方法示意图。将所述四个不同的P器件的VTH0参数PVTH0(1)、PVTH0(2)、PVTH0(3)、PVTH0(4)绘制在坐标图上，并利用最小二乘法误差拟合的方法，即可获得P区全部器件的VTH0参数PVTH0。依据相同的方法，可以获得P区全部器件的k1参数Pk1、P区全部器件的U0参数PU0。
根据L区全部器件的模型参数、W区全部器件的模型参数、P区全部器件的模型参数，提取所述场效晶体管的通用模型参数。优选的，本发明提取所述场效晶体管的通用模型参数中的VTH0参数、k1参数和U0参数。所述场效晶体管的通用模型参数中的零偏阈值电压参数
VTH0＝VTH0+LVTH0/Leff+WVTH0/Weff+PVTH0/(Leff*Weff)
其中，LVTH0表示所述宽沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，WVTH0表示所述长沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，PVTH0表示所述短沟道窄沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，Leff表示器件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。所述场效晶体管的通用模型参数中的一阶体效应系数
K1＝K1+K1/Leff+K1/Weff+K1/(Leff*Weff)
所述场效晶体管的通用模型参数中的低电场迁移率
U0＝U0+U0/Leff+U0/Weff+U0/(Leff*Weff)。
与现有技术相比，本发明的提取场效晶体管的SPICE模型的方法建立在通用模型和区域化模型基础上，同时具有通用模型和区域化模型的优点，能够适用于全部尺寸的器件，且具有较高的精确度。
请参阅图6，图6是在W/L/T＝10/0.13/25的条件下，利用现有技术测得的场效晶体管的IDS-VGS-VDS特性曲线图。其中，第一组测量数据为线性区的IDS-VGS曲线图，测量条件是不同的VBS扫描，且VDS很小(0.1V)，以保证器件工作在线性区。第二组测量数据为线性区的IDS-VGS曲线图，测量条件是不同的VBS扫描，且VDS足够大(1.5V)，以保证器件工作在饱和区。第三组测量数据为线性区的IDS-VDS曲线图，测量条件是不同的VGS扫描，且VBS＝0，此时，既包括线性区也包括饱和区。第四组测量数据为线性区的IDS-VDS曲线图，测量条件是不同的VGS扫描，VBS为允许的最大衬底偏压(1.2V)，此时，既包括线性区也包括饱和区。依据相同的原理，图7是在W/L/T＝0.15/10/25的条件下，利用现有技术测得的场效晶体管的IDS-VGS-VDS特性曲线图。图8是在W/L/T＝0.3/0.13/25的条件下，利用现有技术测得的场效晶体管的IDS-VGS-VDS特性曲线图。图9是在W/L/T＝10/10/25的条件下，利用现有技术测得的场效晶体管的IDS-VGS-VDS特性曲线图。在上述四种情况下，仿真结果与测量数据的均方根误差(RMS Error)统计如表1所示：
表1
  W/L   IDVG@VDS＝0.1  IDVG@VDS＝Vdd  IDVD@VBS＝0  IDVD@VBS＝Vdd
  10/0.13   4.45％   5.41％   5.29％   7.11％
  0.15/10   2.82％   33.51％   1.27％   6.95％
  0.3/0.13   8.1％   7.3％   8.47％   10.06％
  10/10   0.7％   1.56％   1.81％   2.28％
请参阅图10，图10是在W/L/T＝10/0.13/25的条件下，利用本发明的提取SPICE模型的方法获得的场效晶体管的IDS-VGS-VDS特性曲线图。图11是在W/L/T＝0.15/10/25的条件下，利用本发明的提取SPICE模型的方法获得的场效晶体管的IDS-VGS-VDS特性曲线图。图12是在W/L/T＝0.15/0.13/25的条件下，利用本发明的提取SPICE模型的方法获得的场效晶体管的IDS-VGS-VDS特性曲线图。图13是在W/L/T＝10/10/25的条件下，利用本发明的提取SPICE模型的方法获得的场效晶体管的IDS-VGS-VDS特性曲线图。在上述四种情况下，仿真结果与测量数据的均方根误差统计如表2所示：
表2
  W/L   IDVG@VDS＝0.1  IDVG@VDS＝Vdd  IDVD@VBS＝0  IDVD@VBS＝Vdd
  10/0.13   1.04％   0.72％   1.04％   1.54％
  0.15/10   1.39％   1.05％   1.05％   1.25％
  0.15/0.13   2.38％   1.05％   1.62％   1.94％
  10/10   0.74％   1.61％   1.82％   2.35％
对比表1和表2中的数据，可以进一步反映出，本发明的提取场效晶体管的SPICE模型的方法建立在通用模型和区域化模型基础上，同时具有通用模型和区域化模型的优点，能够适用于全部尺寸的器件，且具有较高的精确度。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (8)

1.一种提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在通用模型的基础上，调用长沟道区器件、宽沟道区器件和短沟道窄沟道区器件；
在所述通用模型的基础上，利用区域化模型的参数提取方法，分别提取所述长沟道区器件的模型参数、所述宽沟道区器件的模型参数、所述短沟道窄沟道区器件的模型参数；
根据提取的所述长沟道区器件的模型参数、利用最小二乘法误差拟合的方法，获得长沟道区所有器件的模型参数，根据提取的所述宽沟道区器件的模型参数、利用最小二乘法误差拟合的方法，获得宽沟道区所有器件的模型参数，根据提取的所述短沟道窄沟道区器件的模型参数，利用最小二乘法误差拟合的方法，获得短沟道窄沟道区所有器件的模型参数；
根据所述长沟道区所有器件的模型参数，所述宽沟道区所有器件的模型参数，所述短沟道窄沟道区所有器件的模型参数，提取所述场效晶体管的通用模型参数。
2.如权利要求1所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，在通用模型的基础上，调用的所述长沟道区器件的沟道长度相同，沟道宽度不同。
3.如权利要求1所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，在通用模型的基础上，调用的所述宽沟道区器件的沟道宽度相同，沟道长度不同。
4.如权利要求1所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，所述短沟道窄沟道区器件为小尺寸器件。
5.如权利要求1到4中任意一项所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，利用区域化模型的参数提取方法，提取的模型参数包括零偏阈值电压参数、一阶体效应系数和低电场迁移率。
6.如权利要求5所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，所述场效晶体管的通用模型参数中的零偏阈值电压参数
VTH0＝VTH0+LVTH0/Leff+WVTH0/Weff+PVTH0/(Leff*Weff)，
其中，LVTH0表示所述宽沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，WVTH0表示所述长沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，PVTH0表示所述短沟道窄沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，Leff表示器件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。
7.如权利要求5所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，所述场效晶体管的通用模型参数中的一阶体效应系数
K1＝K1+K1/Leff+K1/Weff+K1/(Leff*Weff)
其中，Leff表示器件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。
8.如权利要求5所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，所述场效晶体管的通用模型参数中的低电场迁移率
U0＝U0+U0/Leff+U0/Weff+U0/(Leff*Weff)
其中，Leff表示器件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。
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