CN108388729A - Mos器件spice局域失配模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MOS器件SPICE局域失配模型,其中在某一参数的现有SPICE局域失配模型方程增加温度效应系数。温度效应系数tcoef采用下述计算；tcoef＝1.0+(temper‑25.0)×[tc1+tc2×(temper‑25.0)],temper是模型中设定的仿真温度，tc1是一次项系数，tc2是二次项系数。本发明通过在现有MOS器件SPICE局域失配模型中增加温度效应系数，将温度效应对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温度变化而产生的变化，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。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”。
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。
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，l是MOS器件版图实际长度，w是MOS器件版图实际宽度,nf是MOS晶体管做成插指形状后插指的数量,scale是尺寸缩减因子，va和vb是没有单位的指定调整系数，va和vb可以指定为任意实数，也可以通过关于宽度W和长度L或其他尺寸参数的代数多项式表达。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(Normaldistribution)，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。
目前，局域失配模型中尚未引入温度效应模型，这样模型就不能准确的反映局域失配随着温度变化而产生的变化。未加入温度系数的局域失配模型将只能匹配25摄氏度下即常温情况的局域失配数据。
如图1～图3所示，若使用未加入温度效应系数的局域失配模型，这样模型与不同温度(-40摄氏度，25摄氏度，125摄氏度)的实测数据不能吻合。经过对图1～图3的分析，对于Idsat和Vtlin，-40摄氏度和125摄氏度的常温失配模型分列实测数据两侧，提示应缩小125摄氏度模型，增大-40摄氏度模型，故应配合一个单调函数作为温度系数来添加到原有局域失配模型中。
MOS器件电学特性参数的定义如下表1
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
表1
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符合温度效应的实测数据的MOS器件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,在某一参数的现有SPICE局域失配模型方程增加温度效应系数。
进一步改进所述SPICE局域失配模型，当模型中设定的仿真温度为25摄氏度时，该温度效应系数不起作用，当模型中设定的仿真温度为非25摄氏度时，该温度效应系数起作用。
进一步改进所述SPICE局域失配模型，温度效应系数tcoef采用下述公式(1)计算；
tcoef＝1.0+(temper-25.0)×[tc1+tc2×(temper-25.0)] 公式(1)
temper是模型中设定的仿真温度，temper可以自动读取数据文档中设定的温度作为它的值,tc1是一次项系数，tc2是二次项系数。tc1、tc2可任意指定。
进一步改进所述SPICE局域失配模型，tc2＝0。
进一步改进所述SPICE局域失配模型，电压失配局域失配模型lcal_vth0_d_n采用下述公式(2)计算；
lcal_vth0_d_n＝tcoef×(va×gl_1n)×geo_fac×mos_local_flag 公式(2)
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w和长度l，l是MOS器件版图实际长度，w是MOS器件版图实际宽度,lef＝l×scale，wef＝'w/nf×scale，scale是尺寸缩减因子,nf是MOS晶体管做成插指形状后插指的数量，gl_1n是正态分布函数,va是没有单位的指定调整系数，va可以是任意实数，va也可以通过关于宽度W和长度L或其他尺寸参数的代数多项式表达，通常-2≤va≤2，mos_local_flag是局域失配模型标识，mos_local_flag是1为打开适配模型，mos_local_flag是0为关闭局域失配模型。
进一步个改进所述SPICE局域失配模型，电流失配局域失配模型lcal_u0_d_n采用下述公式(3)计算；
lcal_u0_d_n＝tcoef×(vb×gl_2n)×geo_fac×mos_local_flag 公式(3)
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w和长度l，l是MOS器件版图实际长度，w是MOS器件版图实际宽度,lef＝l×scale，wef＝w/nf×scale，scale是尺寸缩减因子,nf是MOS晶体管做成插指形状后插指的数量，gl_2n是正态分布函数,vb是没有单位的指定调整系数,vb可以是任意实数，vb也可以通过关于宽度W和长度L或其他尺寸参数的代数多项式表达，通常-2≤vb≤2，mos_local_flag是局域失配模型标识，mos_local_flag是1为打开适配模型，mos_local_flag是0为关闭局域失配模型。
本发明通过在现有MOS器件SPICE局域失配模型中增加温度效应系数，将温度效应对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温度变化而产生的变化，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是没有温度系数的25摄氏度NMOS的局域失配随器件尺寸变化示意图。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，有两个表征的电学参数，分别是Idsat，Vtlin。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是没有温度系数的125摄氏度NMOS的局域失配随器件尺寸变化示意图。图2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，有两个表征的电学参数，分别是Idsat，Vtlin。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3是没有温度系数的-40摄氏度NMOS的局域失配随器件尺寸变化示意图。图3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，有两个表征的电学参数，分别是Idsat，Vtlin。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4是添加线性温度系数后的125摄氏度NMOS的局域失配随器件尺寸变化示意图。图4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，有两个表征的电学参数，分别是Idsat，Vtlin。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5是添加线性温度系数后的-40摄氏度NMOS的局域失配随器件尺寸变化示意图。图5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，有两个表征的电学参数，分别是Idsat，Vtlin。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
本发明提供的MOS器件SPICE局域失配模型,在某一参数的现有SPICE局域失配模型方程增加温度效应系数。
当模型中设定的仿真温度为25摄氏度时，该温度效应系数不起作用，当模型中设定的仿真温度为非25摄氏度时，该温度效应系数起作用。
温度效应系数tcoef采用下述公式(1)计算；
tcoef＝1.0+(temper-25.0)×[tc1+tc2×(temper-25.0)] 公式(1)
temper是模型中设定的仿真温度，tc1是一次项系数，tc2是二次项系数。
经过与实测数据的比对参考图4和图5，局域失配的温度效应为单调函数，故令tc2＝0时模型方程为线性方程，线性方程能更好的拟合温度效应的实测数据。这样我们通过调整tc1的值就能够使模型拟合局域失配的温度效应实测数据，使模型能表征不同温度的局域失配。
电压失配局域失配模型lcal_vth0_d_n采用下述公式(2)计算；
lcal_vth0_d_n＝tcoef×(va×gl_1n)×geo_fac×mos_local_flag (公式2)
电流失配局域失配模型lcal_u0_d_n采用下述公式(3)计算；
lcal_u0_d_n＝tcoef×(vb×gl_2n)×geo_fac×mos_local_flag 公式(3)
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w和长度l，l是MOS器件版图实际长度，w是MOS器件版图实际宽度,lef＝l×scale，wef＝'w/nf×scale，scale是尺寸缩减因子,nf是MOS晶体管做成插指形状后插指的数量，gl_1n、gl_2n是正态分布函数,va、vb是没有单位的指定调整系数，va、vb可以是任意实数，va、vb也可以通过关于宽度W和长度L或其他尺寸参数的代数多项式表达，通常-2≤va≤2，-2≤vb≤2，mos_local_flag是局域失配模型标识，mos_local_flag是1为打开适配模型，mos_local_flag是0为关闭局域失配模型。
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 (8)

1.一种MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于：在某一参数的现有SPICE局域失配模型方程增加温度效应系数。
2.如权利要求1所述的MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于：当模型中设定的仿真温度为25摄氏度时，该温度效应系数不起作用，当模型中设定的仿真温度为非25摄氏度时，该温度效应系数起作用。
3.如权利要求2所述的MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于：温度效应系数tcoef采用下述公式(1)计算；
tcoef＝1.0+(temper-25.0)×[tc1+tc2×(temper-25.0)] 公式(1)
temper是模型中设定的仿真温度，tc1是一次项系数，tc2是二次项系数。
4.如权利要求3所述的MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于：tc2＝0。
5.如权利要求4所述的MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于：电压失配局域失配模型lcal_vth0_d_n采用下述公式(2)计算；
lcal_vth0_d_n＝tcoef×(va×gl_1n)×geo_fac×mos_local_flag 公式(2)
geo_fac是尺寸因子，nf是MOS晶体管做成插指形状后插指的数量，gl_1n是正态分布函数,va是没有单位的指定调整系数，mos_local_flag是局域失配模型标识。
6.如权利要求5所述的MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于：-2≤va≤2。
7.如权利要求4所述的MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于：电流失配局域失配模型lcal_u0_d_n采用下述公式(3)计算；
lcal_u0_d_n＝tcoef×(vb×gl_2n)×geo_fac×mos_local_flag 公式(3)
geo_fac是尺寸因子，×××nf是MOS晶体管做成插指形状后插指的数量，gl_2n是正态分布函数,vb是没有单位的指定调整系数，mos_local_flag是局域失配模型标识。
8.如权利要求7所述的MOS器件SPICE局域失配模型,其特征在于：-2≤vb≤2。
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