CN108388728A - Mos器件spice局域失配模型 - Google Patents

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Abstract

本发明通过在现有MOS器件SPICE局域失配模型中增加宽长效应系数,将宽长效应对MOS器件SPICE局域失配模型的影响充分考虑,重新建立SPICE局域失配模型方程。其中,阈值电压(vth0)SPICE局域失配模型方程为lcal_vth0_d_n=aa×gl_1n×geo_fac×mos_local_flag;gl_1n是正态分布函数,geo_fac是尺寸因子,mos_local_flag是局域失配模型标识。阈值电压宽长效应系数aa=mis_a_1×Lmis_a_2×Wmis_a_3,mis_a_1是阈值电压调整参数,mis_a_2是长度效应参数,mis_a_3是宽度效应参数,L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度。本发明能准确的反映局域失配随着宽长变化而产生的变化,使SPICE局域失配模型适配范围更广,能与实测数据具有更高的吻合度。

Description

MOS器件SPICE局域失配模型
技术领域
本发明涉及半导体领域,特别是涉及一种MOS器件SPICE局域失配模型。
背景技术
根据经典文献,MOS器件的失配是某些制造工艺流程中导致相同MOS器件物理量不随时间改变的随机涨落的现象。特定工艺下器件失配程度决定了电路的最终设计精度和成品率。电路设计者需要精确的MOSFET失配模型来约束电路优化设计,版图设计者需要相应的设计规则来减小芯片失配。尤其是在CMOS工艺器件尺寸进入深亚微米范围后,器件失配随着尺寸的减小而愈发严重,制约了射频/模拟集成电路的性能。当然,数字电路也不是完全不考虑器件失配的影响,在大规模存储器的设计中,必须考虑晶体管失配对子存储单元时钟信号的影响。
局域失配和全局失配:局域失配可以简单理解为局部区域内器件之间的参数失配;而全局失配是整个硅片上的参数变化(如温度,掺杂浓度)而引起的失配。我们研究的局域失配由两部分引起:
器件在版图上的尺寸。器件的面积越大,就越会有好的匹配效果。这被称为“面积定律”。器件在版图上的距离。器件在版图上靠的越近,匹配效果也越好。这被称为“间距定律”。
其中,P是器件的某个电学参数,σP是P的失配ΔP的标准差Ap和Sp分别是面积效应参数及间距效应参数,D是两个器件的间距。
旧的SPICE局域失配模型方程一般在MOS器件的紧凑模型中的某几个参数上加上局域失配模型,比如阈值电压vth0,单位伏特(V),关系到MOS晶体管在漏端电压Vd给定情况下,栅极电压Vg加到多大的时候晶体管能够导通并工作。以及,载流子迁移率u0,单位电场强度下载流子的漂移速度,单位是平方厘米/(伏特·秒),cm2/(v·s),关系到晶体管饱和电流Idsat或线性区电流Idlin和大小,而Idsat大小代表晶体管的性能强弱。这两个参数的传统的局域失配模型如下,它们分别用来调整电压失配和电流失配的程度:
vth0:
lcal_vth0_d_n=(va×gl_1n)×geo_fac×mos_local_flag 公式①
u0:
lcal_u0_d_n=(vb×gl_2n)×geo_fac×mos_local_flag 公式②
其中geo_fac是尺寸因子,geo_fac=1/sqrt(wef×lef),wef和lef是等效宽度和等效长度,表征器件物理上的实际宽度和长度,一般来说lef=L×scale,wef=W/nf×scale,scale是尺寸缩减因子,L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度,nf是指MOS晶体管版图做成插指形状后插指的数量,va和vb是没有单位的指定调整系数,va和vb可以任意指定,也可以通过代数表达式获得,mos_local_flag是局域失配模型标识,这个参数设成1为打开适配模型,设成0为关闭局域失配模型。gl_1n和gl_2n是两个名字不一样但实质一样的正态分布函数,正态分布(Normal distribution),也称“常态分布”,又名高斯分布(Gaussian distribution),对其蒙特卡洛仿真n次会得到n个呈正态分布的数据,n是正整数。比如对其蒙特卡洛仿真100次会得到100个呈正态分布的数据。正态分布的概率密度函数曲线与横轴积分为1,代表所有样本出现的总概率为100%。正态分布的概率密度函数的取值范围是不定的,要根据实际情况确定,但正态分布函数取值一定是正实数。
由于相同工艺条件在同一个模块的相邻的相同MOS器件上的随机涨落,导致相邻的同样的MOS器件上会出现电学表现不一致的情况,这种现象称为MOS管的局域失配现象。过去经典理论认为MOS器件局域失配大小与器件面积的开方成反比,只要面积一样的MOS晶体管其局域失配就是一样的,但实测数据表明相同面积但宽度和长度各不相同的MOS器件的局域失配并不一样。
如图1所示,空心点为实测数据,第一线条为符合实测数据的模型拟合线,实心点是以SPICE局域失配模型仿真值画出的点,第二线条为SPICE局域失配模型线,SPICE模型的第二线条拟合线努力做到与实测数据的第一线条拟合线一致。通过调整参数,如vth0(阈值电压),u0(载流子迁移率),toxe(栅氧化层电学厚度)等参数,能够将SPICE模型的第二线条拟合线调整到实测数据的第一线条拟合线位置一致。但此时从图1可以看到,对于相同面积但宽度长度不一样的器件,实测的空心点分开比较远,与SPICE模型仿真的点不一致。栅氧化层电学厚度是利用生产线上测得的MOS晶体管栅氧化层电容推算出的栅氧化层厚度。
这就表明MOS器件的局域失配现象中蕴含了宽长效应,宽度长度各不相同但其乘积即面积相同的MOS器件的局域失配各不相同。过去MOS器件的SPICE局域失配模型采用了经典理论的方程去描述局域失配,但在实践中模型与数据并不能很好的吻合,我们需要进一步的改进模型,使其与实测数据能够吻合。
几个MOS器件电学特性参数的定义如下表
Idsat 当Vds=Vdd;Vgs=Vdd;Vbs=0v时Ids的值
Idlin 当Vds=50mV;Vgs=Vdd;Vbs=0v时Ids的值
Idoff 当Vds=Vdd;Vgs=0V;Vbs=0v时Ids的值
Vtlin 当Ids=40nA×(W/L),Vds=50mV时Vgs的值
Vtsat 当Ids=40nA×(W/L),Vds=Vdd时Vgs的值
Vds是MOS漏端与源端之间电压,Vgs是栅端与源端之间电压,Vbs是衬底与源端之间电压,Vdd是电源电压,Ids是MOS漏端电流。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种与现有技术相比能够更符合MOS器件宽长效应实测数据的SPICE局域失配模型。
为解决上述技术问题,本发明提供的MOS器件SPICE局域失配模型,在现有SPICE局域失配模型方程增加宽长效应系数。
其中,所述宽长效应系数是幂函数,该幂函数可以表达为:
A=B×LC×WD
A是MOS器件某参数宽长效应系数,B是该参数调整参数,C是长度效应参数,D是宽度效应参数,L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度。
其中,建立阈值电压(vth0)SPICE局域失配模型时,阈值电压宽长效应系数aa采用以下公式计算获得;
aa=mis_a_1×Lmis_a_2×Wmis_a_3
其中mis_a_1是阈值电压调整参数,mis_a_2是长度效应参数,mis_a_3是宽度效应参数,L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度。
其中,-2≤mis_a_1≤2,0≤mis_a_2≤1,0≤mis_a_3≤1。
其中,阈值电压(vth0)SPICE局域失配模型方程如下:
lcal_vth0_d_n=aa×gl_1n×geo_fac×mos_local_flag;
其中,aa是阈值电压宽长效应系数,gl_1n是正态分布函数,geo_fac是尺寸因子,mos_local_flag是局域失配模型标识。
其中,建立载流子迁移率(u0)SPICE局域失配模型时,载流子迁移率宽长效应系数ab采用以下公式计算获得;
ab=mis_b_1×Lmis_b_2×Wmis_b_3
其中mis_b_1是载流子迁移率调整参数,mis_b_2是长度效应参数,mis_b_3是宽度效应参数,L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度。
其中,-2≤mis_b_1≤2,0≤mis_b_2≤1,0≤mis_b_3≤1。
其中,载流子迁移率(u0)SPICE局域失配模型方程如下:
lcal_u0_d_n=ab×gl_2n×geo_fac×mos_local_flag;
其中,ab是载流子迁移率宽长效应系数,gl_2n是正态分布函数,geo_fac是尺寸因子,mos_local_flag是局域失配模型标识。
其中,建立栅氧化层电学厚度(toxe)SPICE局域失配模型时,栅氧化层电学厚度宽长效应系数ac采用以下公式计算获得;
ac=mis_c_1×Lmis_c_2×Wmis_c_3
mis_c_1是栅氧化层电学厚度调整参数,mis_c_2是长度效应参数,mis_c_3是宽度效应参数,L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度。
其中,-2≤mis_c_1≤2,0≤mis_c_2≤1,0≤mis_c_3≤1。
其中,栅氧化层电学厚度(toxe)SPICE局域失配模型方程如下:
lcal_toxe_d_n=ac×gl_3n×geo_fac×mos_local_flag;
ac是栅氧化层电学厚度宽长效应系数,gl_3n是正态分布函数,geo_fac是尺寸因子,mos_local_flag是局域失配模型标识。
本发明通过在现有MOS器件SPICE局域失配模型中增加宽长效应系数,将宽长效应对MOS器件SPICE局域失配模型的影响充分考虑。本发明能准确的反映局域失配随着宽长变化而产生的变化,使SPICE局域失配模型适配范围更广,能与实测数据具有更高的吻合度。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
图1是MOS器件局域失配标准差随器件面积开方的倒数变化的实测数据与模型拟合线示意图。图1中横坐标是MOS器件面积开方的倒数,纵坐标是相邻MOS器件局域失配的标准差,有四个表征的电学参数,分别是Vtlin,Vtsat,Idlin,Idsat,空心点为实测数据,第一条线是实测数据拟合线,实心点是模型仿真的点,第二线条为SPICE局域失配模型拟合线。
图2是采用指数函数系数表征宽长效应的局域失配模型与实测数据的示意图。图2横坐标是MOS器件面积开方的倒数,纵坐标是相邻MOS器件局域失配的标准差,有四个表征的电学参数,分别是Vtlin,Vtsat,Idlin,Idsat,空心点为实测数据,第一条线是实测数据拟合线,实心点是模型仿真的点,第二线条为SPICE局域失配模型拟合线。
具体实施方式
如图1所示,图1中空心点为实测数据,第一条线是实测数据拟合线,实心点是模型仿真的点,第二线条为SPICE局域失配模型拟合线,SPICE模型的第二线条拟合线努力做到与实测数据的第一线条拟合线一致。通过调整参数,如vth0,u0,toxe等参数,能够将SPICE模型的第二线条拟合线调整到实测数据的第一线条拟合线位置一致。但此时从图1可以看到,对于相同面积但宽度长度不一样的器件,实测的空心点分开比较远,与SPICE模型仿真的点不一致。
现有的SPICE局域失配模型方程一般在MOS器件的紧凑模型中的某几个参数上加上局域失配模型,比如挑选vth0和u0,分别用来调整电压失配和电流失配,这两个参数的传统的局域失配模型分别为:
vth0:
lcal_vth0_d_n=(va×gl_1n)×geo_fac×mos_local_flag 公式①
u0:
lcal_u0_d_n=(vb×gl_2n)×geo_fac×mos_local_flag 公式②
其中geo_fac是尺寸因子,geo_fac=1/sqrt(wef×lef),wef和lef是等效宽度和等效长度,表征器件物理上的实际宽度和长度,一般来说lef=L×scale,wef=W/nf×scale,scale是尺寸缩减因子,L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度,nf是指MOS晶体管版图做成插指形状后插指的数量。mos_local_flag是局域失配模型标识,这个参数设成1为打开适配模型,设成0为关闭局域失配模型。va和vb是没有单位的指定调整系数,也可以是代数表达式。
对旧的模型进行改进,将宽度宽长效应引入局域失配模型方程,具体做法如下:设计两个幂函数形式的系数aa,ab,如下:
建立阈值电压(vth0)SPICE局域失配模型时,阈值电压宽长效应系数aa采用以下公式计算获得;
aa=mis_a_1×Lmis_a_2×Wmis_a_3
mis_a_1是阈值电压调整参数,mis_a_2是长度效应参数(其为器件等效长度Leff的幂),mis_a_3是宽度效应参数(其为器件等效宽度Weff的幂),L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度。
mis_a_1理论上可以任意指定,通常-2≤mis_a_1≤2,0≤mis_a_2≤1,0≤mis_a_3≤1。
阈值电压(vth0)SPICE局域失配模型方程如下:
lcal_vth0_d_n=aa×gl_1n×geo_fac×mos_local_flag;
aa是阈值电压宽长效应系数,gl_1n是正态分布函数,geo_fac是尺寸因子,mos_local_flag是局域失配模型标识。
建立载流子迁移率(u0)SPICE局域失配模型时,载流子迁移率宽长效应系数ab采用以下公式计算获得;
ab=mis_b_1×Lmis_b_2×Wmis_b_3
mis_b_1是载流子迁移率调整参数,mis_b_2是长度效应参数(其为器件等效长度Leff的幂),mis_b_3是宽度效应参数(其为器件等效宽度Weff的幂),L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度。
mis_b_1在理论上可以任意指定,通常-2≤mis_b_1≤2,0≤mis_b_2≤1,0≤mis_b_3≤1。
载流子迁移率(u0)SPICE局域失配模型方程如下:
lcal_u0_d_n=ab×gl_2n×geo_fac×mos_local_flag;
其中,ab是载流子迁移率宽长效应系数,gl_2n是正态分布函数,geo_fac是尺寸因子,mos_local_flag是局域失配模型标识。
建立栅氧化层电学厚度(toxe)SPICE局域失配模型时,栅氧化层电学厚度宽长效应系数ac采用以下公式计算获得;
ac=mis_c_1×Lmis_c_2×Wmis_c_3
mis_c_1是栅氧化层电学厚度调整参数,mis_c_2是长度效应参数,mis_c_3是宽度效应参数,L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度。
其中,-2≤mis_c_1≤2,0≤mis_c_2≤1,0≤mis_c_3≤1。
其中,栅氧化层电学厚度(toxe)SPICE局域失配模型方程如下:
lcal_toxe_d_n=ac×gl_3n×geo_fac×mos_local_flag;
ac是栅氧化层电学厚度宽长效应系数,gl_3n是正态分布函数,geo_fac是尺寸因子,mos_local_flag是局域失配模型标识。
如图2所示,使用指数函数系数的局域失配模型在相同面积不同宽长的器件的情况下,仿真点上下分散的更开了,这样就与实测数据更加符合了。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明,但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下,本领域的技术人员还可做出许多变形和改进,这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于:在现有SPICE局域失配模型方程增加宽长效应系数。
2.如权利要求1所述MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于:所述宽长效应系数是幂函数。
3.如权利要求1所述MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于:建立阈值电压(vth0)SPICE局域失配模型时,阈值电压宽长效应系数aa采用以下公式计算获得;
aa=mis_a_1×Lmis_a_2×Wmis_a_3
其中mis_a_1是阈值电压调整参数,mis_a_2是长度效应参数,mis_a_3是宽度效应参数,L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度。
4.如权利要求3所述MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于:-2≤mis_a_1≤2,0≤mis_a_2≤1,0≤mis_a_3≤1。
5.如权利要求3所述MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于:阈值电压(vth0)SPICE局域失配模型方程如下:
lcal_vth0_d_n=aa×gl_1n×geo_fac×mos_local_flag;
其中,aa是阈值电压宽长效应系数,gl_1n是正态分布函数,geo_fac是尺寸因子,mos_local_flag是局域失配模型标识。
6.如权利要求1所述MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于:建立载流子迁移率(u0)SPICE局域失配模型时,载流子迁移率宽长效应系数ab采用以下公式计算获得;
ab=mis_b_1×Lmis_b_2×Wmis_b_3
其中mis_b_1是载流子迁移率调整参数,mis_b_2是长度效应参数,mis_b_3是宽度效应参数L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度。
7.如权利要求6所述MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于:-2≤mis_b_1≤2,0≤mis_b_2≤1,0≤mis_b_3≤1。
8.如权利要求6所述MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于:载流子迁移率(u0)SPICE局域失配模型方程如下:
lcal_u0_d_n=ab×gl_2n×geo_fac×mos_local_flag;
其中,ab是载流子迁移率宽长效应系数,gl_2n是正态分布函数,geo_fac是尺寸因子,mos_local_flag是局域失配模型标识。
9.如权利要求1所述MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于:建立栅氧化层电学厚度(toxe)SPICE局域失配模型时,栅氧化层电学厚度宽长效应系数ac采用以下公式计算获得;
ac=mis_c_1×Lmis_c_2×Wmis_c_3
其中mis_c_1是栅氧化层电学厚度调整参数,mis_c_2是长度效应参数,mis_c_3是宽度效应参数,L是MOS器件版图实际长度,W是MOS器件版图实际宽度。
10.如权利要求9所述MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于:-2≤mis_c_1≤2,0≤mis_c_2≤1,0≤mis_c_3≤1。
11.如权利要求9所述MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于:栅氧化层电学厚度(toxe)SPICE局域失配模型方程如下:
lcal_toxe_d_n=ac×gl_3n×geo_fac×mos_local_flag;
其中,ac是栅氧化层电学厚度宽长效应系数,gl_3n是正态分布函数,geo_fac是尺寸因子,mos_local_flag是局域失配模型标识。
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