CN112016261B - Mosfet阈值电压的spice子电路模型建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，包括：建立MOSFET阈值电压SPICE子电路模型，所述MOSFET阈值电压SPICE子电路模型包括：底数沟道长度修正项参数、线性修正项参数和幂指数项参数；调整所述底数沟道长度修正项参数、线性修正项参数和幂指数项参数使得在实测数据不规则情况下对MOSFET的阈值电压随尺寸变化的特性进行拟合后得到高精度的模型。在本发明提供的一种MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法中，建立子电路模型对MOSFET阈值电压的数据进行处理，可以在数据不规则情况下对MOSFET阈值电压随尺寸变化的特性数据进行高精度拟合。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法。
背景技术
SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是一种用于电路描述与仿真的语言仿真器软件，用于检测电路的连接和功能的完整性，以及用于预测电路的行为。SPICE主要用于模拟电路和混合信号电路的仿真。如果要SPICE很好地工作，必须提供器件级模型参数，业界通用的SPICE模型有BSIM系列、PSP或经验模型等。SPICE建模工程师依靠器件理论及经验，提取模型参数以供SPICE仿真程序使用。
SPICE建模是连接半导体工艺制造技术与电路设计的桥梁，它为电路设计者提供电路仿真的器件级模型。一个完整的工艺节点的SPICE模型一般包括MOSFET、BJT以及相关的后端金属互联层电容(MOM电容)、MOSFET的寄生电阻、MOS变容管(MOS Varactor)等的模型。传统的BSIM4模型能够应用在28nm-180nm的工艺节点上，能够很好的拟合相应工艺节点的MOSFET的电学特性。
然而，但在某些情况下，如图1，横坐标是所需建模的MOS器件的沟道长度(μm)，纵坐标是阈值电压(V)，点代表MOS器件的阈值电压实测数据10；曲线代表MOS器件的阈值电压BSIM4模型值20。可以看到MOS器件的阈值电压随尺寸变化的实测数据(实际的阈值电压)趋势特性出现不规则的情况(趋势突变，凹陷或凸起，在MOS器件沟道长度较小时很明显有凸起的趋势)，这一般是工艺原因造成的。对于模型工程师而言，使用传统的BSIM4模型对这种不规则情况的数据进行拟合得到的模型的精度不高，传统BSIM4阈值电压模型无法在随尺寸形成一定趋势后有突然的变化，即无法拟合类似突变趋势的数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，可以对不规则情况下的MOSFET阈值电压数据进行拟合后得到高精度的SPICE子电路模型。
为了达到上述目的，本发明提供了一种MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，包括：
建立MOSFET阈值电压SPICE子电路模型，所述MOSFET阈值电压SPICE子电路模型包括：底数沟道长度修正项参数、线性修正项参数和幂指数项参数；
调整所述底数沟道长度修正项参数、线性修正项参数和幂指数项参数使得使得在数据不规则情况下，子电路模型对MOSFET的阈值电压随尺寸变化的趋势实测数据可以进行高精度拟合。
可选的，在所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法中，调整所述底数沟道长度修正项参数、线性修正项参数和幂指数项参数包括：
调整子电路模型的底数沟道长度修正项参数，以使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型发生变化；
调整子电路模型的线性修正项参数，以使得第二长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型发生变化；
调整子电路模型的幂指数项参数，以使得第三长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型发生变化，同时，使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生变化，并且第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型变化的幅度大于第三长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型变化的幅度。
可选的，在所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法中，设定MOSFET阈值电压SPICE子电路模型的参数公式如下：
其中：vt_lckt为BSIM4模型的阈值电压参数VTH0在沟道长度方向所添加的修正项公式；l_vt为线性修正项；dl_vt是底数沟道长度修正项；ln_vt是幂指数项；lef是有效沟道长度。
可选的，在所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法中，调整子电路模型的底数沟道长度修正项参数，以使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生变化的方法包括：
减小子电路模型的底数沟道长度修正项参数，以使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型减小；
增大子电路模型的底数沟道长度修正项参数，以使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型增加。
可选的，在所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法中，调整子电路模型的幂指数项参数，以使得第二长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生变化的方法包括：
减小子电路模型的线性修正项参数，以使得第二长度的沟道的MOS器件阈值电压模型减小；
增大子电路模型的线性修正项参数，以使得第二长度的沟道的MOS器件阈值电压模型增加。
可选的，在所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法中于，调整子电路模型的幂指数项参数，以使得第三长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生变化且使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生极快变化的方法包括：
减小子电路模型的幂指数项参数，以使得第三长度的沟道的MOS器件阈值电压模型增加，且使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生极快增加；
增大子电路模型的幂指数项参数，以使得第三长度的沟道的MOS器件阈值电压减小，且使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生极快减小。
可选的，在所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法中，所述第一长度大于或等于0.054μm和小于或等于0.108μm。
可选的，在所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法中，所述第二长度大于或等于0.054μm和小于或等于0.27μm。
可选的，在所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法中，所述第三长度大于或等于0.054μm和小于或等于0.27μm。
在本发明提供的一种MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法中，建立子电路模型对MOSFET阈值电压的数据进行处理，可以在数据不规则情况下MOSFET阈值电压随尺寸变化的特性数据进行拟合后能得到高精度的模型。
附图说明
图1是现有技术的BSIM4的MOSFET阈值电压模型对实测数据拟合的示意图；
图2是本发明实施例的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法的流程图；
图3至图9是本发明实施例的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型的调节的示意图；
图中：10-MOS器件的阈值电压实测数据、20-BSIM4阈值电压模型拟合曲线、110-MOS器件的阈值电压实测数据、111-第一MOS器件的阈值电压实测数据、112-第二MOS器件的阈值电压实测数据、113-第三MOS器件的阈值电压实测数据、120-子电路阈值电压模型拟合曲线、121-子电路阈值电压模型拟合曲线、122-调节后的子电路阈值电压模型拟合曲线。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在下文中，术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。
一般来说，小尺寸的MOSFET器件的电学特性实测数据比大尺寸器件更有可能出现实测数据突变的不规则情况。所以我们的思路是利用子电路模型的方法，将原BSIM4模型中调整阈值电压的参数进行公式化，添加一个能对小尺寸器件范围有着较大影响的阈值电压公式，利用这个添加的公式引入更多的数学拟合参数对突变数据进行更为精细化的调整。
MOSFET器件包括PMOS器件和NMOS器件，在这里，我们使用子电路模型对NMOS器件的电学特性进行了建模，当沟道宽度固定，阈值电压随沟道长度变化的电学特性模型曲线能够很好地和实测数据进行拟合。
参照图2，本发明提供了一种MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，包括：
S11：建立MOSFET阈值电压SPICE子电路模型，所述MOSFET阈值电压SPICE子电路模型包括：底数沟道长度修正项参数(dl_vt)、线性修正项参数(l_vt)和幂指数项参数(ln_vt)；
S12：调整所述底数沟道长度修正项参数、线性修正项参数和幂指数项参数使得在数据不规则情况下，子电路模型对MOSFET的阈值电压随尺寸变化的趋势实测数据可以进行高精度拟合。
进一步的，调整所述底数沟道长度修正项参数、线性修正项参数和幂指数项参数包括：
调整子电路模型的底数沟道长度修正项参数，以使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型发生变化；
调整子电路模型的线性修正项参数，以使得第二长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型发生变化；
调整子电路模型的幂指数项参数，以使得第三长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型发生变化，同时，使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生变化，并且第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型变化的幅度大于第三长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型变化的幅度。
优选的，设定MOSFET阈值电压SPICE子电路模型的参数公式如下：
其中：vt_lckt为BSIM4模型的阈值电压参数在沟道长度方向所添加的修正项公式；l_vt为线性修正项；dl_vt是底数沟道长度修正项；ln_vt是幂指数项；lef是有效沟道长度，由沟道长度乘以尺寸缩减因子得到。
具体的，我们使用的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型的形式为：
.subckt nhvt12(子电路名)d g s b w＝1E-6l＝1E-6sa＝0sb＝0sd＝0as＝0ad＝0ps＝0pd＝0nrd＝0nrs＝0sca＝0scb＝0scc＝0nf＝1multi＝1(定义子电路名称，端口及声明参数)
.param(以下为参数的定义)
+scale_mos＝1
+lef＝'l*scale_mos'
+wef＝'w/nf*scale_mos'
+l_vt＝-1.82E-9 dl_vt＝-2.2E-8 ln_vt＝1
+w_u0＝-6E-11 dw_u0＝-3E-8 wn_u0＝1.1
+l_k2＝-9.9E-12 dl_k2＝-1.9E-8 ln_k2＝1.303
.param
+vt_lckt＝'l_vt/pwr((lef+dl_vt),ln_vt)'
m1 d g s b nhvt12 w＝wl＝l sa＝sa sb＝sb sd＝sd as＝as ad＝ad ps＝pspd＝pd nrd＝nrd nrs＝nrs sca＝sca scb＝scb scc＝scc nf＝nf m＝multi(定义MOS晶体管名称、端口及参数声明)
.model nhvt12 nmos(以下是MOSFET的BSIM4紧凑模型参数列表)
+vth0＝'0.54+vt_lckt'
(其余无关BSIM4模型参数不一一列出)
.ends nhvt12
在子电路模型建好之后，我们可以将其载入BSIMProPlus软件进行对实测数据的模型拟合。
如图3，横坐标是MOS器件的沟道长度(μm)，纵坐标是MOS器件的阈值电压(V)，为本发明的子电路模型最终对MOS器件阈值电压随沟道长度变化的实测数据拟合的效果。子电路模型调节的目标是子电路模型拟合曲线120和MOS器件的阈值电压实测数据110能够基本吻合。我们来看一下如何实际地调整子电路模型参数以拟合MOS器件的阈值电压随沟道长度变化的实测数据。如图4，MOS器件的沟道长度大约在0.054μm～0.108μm这一段中的子电路模型拟合曲线120和MOS器件的阈值电压实测数据110差别较大，而其他长度的沟道的子电路模型拟合曲线和阈值电压实测数据比较吻合，调整子电路模型中的dl_vt参数可以将沟道长度L最小(0.054μm≤L≤0.108μm)的几颗MOS器件的阈值电压模型进行调整而基本不影响L稍大一些(L>0.108μm)的MOS器件的阈值电压模型。因此，本发明实施例提供了一种MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型对0.054μm～0.108μm这一段中的子电路模型拟合曲线121进行调节，可以调整子电路模型的dl_vt参数，以使得第一长度(大于或等于0.054μm且小于或等于0.108μm)的沟道的MOS器件的阈值电压模型发生变化，例如第一MOS器件的阈值电压实测数据111和第二MOS器件的阈值电压实测数据112以及第一MOS器件的阈值电压实测数据111和第二MOS器件的阈值电压实测数据112之间的其他MOS器件的阈值电压实测数据。具体的方法为：减小子电路模型的dl_vt参数，以使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型减小，如图4。或者增大子电路模型的dl_vt参数，以使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型增加，如图5。最终使得模型拟合曲线在0.054μm～0.108μm这一段中符合MOS器件阈值电压的实测数据。图4和图5中，虚线即为调节后的子电路模型拟合曲线122，通过调整dl_vt参数增大或减小，子电路模型拟合曲线122将会提高和MOS器件的阈值电压实测数据110的吻合度。
进一步的，从子电路模型拟合曲线120上还发现调整子电路模型中的l_vt参数可以将沟道长度沟道长度比较小(L≤0.27μm)的几颗MOS器件的阈值电压模型进行调整而基本不影响沟道长度稍大一些(L>0.27μm)的MOS器件的阈值电压模型。dl_vt参数影响的范围集中在沟道长度最小的几颗MOS器件上，比l_vt参数影响的范围更小。可以调整子电路模型的l_vt参数，以使得第二长度(大于或等于0.054μm，小于或等于0.27μm)的沟道的MOS器件阈值电压模型发生变化，具体的方法为：减小子电路模型的l_vt参数，以使得第二长度的沟道的MOS器件阈值电压模型减小，如图6；或者增大子电路模型的l_vt参数，以使得第二长度的沟道的MOS器件阈值电压模型增加，如图7，通过调整l_vt参数增大或减小，子电路模型拟合曲线122将会提高和MOS器件阈值电压110的吻合度。
更进一步的，从子电路模型拟合曲线120上发现调整子电路模型中的ln_vt参数可以将沟道长度比较小(0.054μm≤L≤0.27μm)的几颗MOS器件的阈值电压模型进行调整而基本不影响沟道长度稍大一些(L>0.27μm)的MOS器件的阈值电压模型。ln_vt参数与l_vt参数不同地方在于，调整它的时候，虽然沟道长度较小(0.054μm≤L≤0.27μm)的几颗MOS器件的阈值电压模型都会变动，但是沟道长度最小(0.054μm≤L≤0.108μm)的那几颗MOS器件的阈值电压模型的变化明显比调l_vt参数的变化更快。具体的，调整子电路模型的ln_vt参数，以使得第三长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生变化的方法包括：减小子电路模型的ln_vt参数，以使得第三长度(小于或等于0.27μm)的沟道的MOS器件阈值电压模型增加，如图8；增大子电路模型的ln_vt参数，以使得第三长度的沟道的MOS器件阈值电压模型减小，如图9，通过调整ln_vt参数增大或减小，子电路模型拟合曲线122将会提高和MOS器件的阈值电压实测数据110的吻合度。
从图4到图9的三个参数的调参数实践来看，我们想要对沟道长度较小的几颗MOS器件在BSIM4模型的基础上进行优化，就需要对这三个参数综合协调进行调参操作。
从图4可以看到，第三MOS器件，即L＝0.27μm这颗MOS器件，其阈值电压的模型值与数据点有一定差距，但L>0.27μm的MOS器件其模型值与数据点的拟合还是很精确的。所以我们一定会想要把L＝0.27μm的MOS器件的阈值电压模型值往上调到数据点，但不管调哪个参数，一定会使L<0.27μm的MOS器件的阈值电压模型值也整体往上升。这样我们通过只影响沟道长度最小的区域的dl_vt参数以及对沟道长度最小的区域影响非常大的ln_vt参数再将沟道长度最小区域的MOS器件阈值电压模型值再往下调。类似这样的互相弥补的操作，将整个模型调准确。
综上，在本发明实施例提供的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法中，建立子电路模型对MOSFET阈值电压随尺寸变化的数据进行处理，可以在数据不规则情况下对MOSFET阈值电压随尺寸变化特性的数据进行拟合后，能得到高精度的模型。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，其特征在于，包括：
建立MOSFET阈值电压SPICE子电路模型，所述MOSFET阈值电压SPICE子电路模型包括：底数沟道长度修正项参数、线性修正项参数和幂指数项参数；
调整所述底数沟道长度修正项参数、线性修正项参数和幂指数项参数使得使得在数据不规则情况下，子电路模型对MOSFET的阈值电压随尺寸变化的趋势实测数据可以进行高精度拟合；
调整所述底数沟道长度修正项参数、线性修正项参数和幂指数项参数包括：
调整子电路模型的底数沟道长度修正项参数，以使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型发生变化；
调整子电路模型的线性修正项参数，以使得第二长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型发生变化；
调整子电路模型的幂指数项参数，以使得第三长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型发生变化同时，使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生变化，并且第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型变化的幅度大于第三长度的沟道的MOS器件阈值电压的模型变化的幅度。
2.如权利要求1所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，其特征在于，设定MOSFET阈值电压SPICE子电路模型的参数公式如下：
其中：vt_lckt为BSIM4模型的阈值电压参数在沟道长度方向所添加的修正项公式；l_vt为线性修正项；dl_vt是底数沟道长度修正项；ln_vt是幂指数项；lef是有效沟道长度。
3.如权利要求1所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，其特征在于，调整子电路模型的底数沟道长度修正项参数，以使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生变化的方法包括：
减小子电路模型的底数沟道长度修正项参数，以使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型减小；
增大子电路模型的底数沟道长度修正项参数，以使得第一长度的沟道的MOS器件阈值电压模型增加。
4.如权利要求1所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，其特征在于，调整子电路模型的线性修正项参数，以使得第二长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生变化的方法包括：
减小子电路模型的线性修正项参数，以使得第二长度的沟道的MOS器件阈值电压模型减小；
增大子电路模型的线性修正项参数，以使得第二长度的沟道的MOS器件阈值电压模型增加。
5.如权利要求1所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，其特征在于，调整子电路模型的幂指数项参数，以使得第三长度的沟道的MOS器件阈值电压模型发生变化的方法包括：
减小子电路模型的幂指数项参数，以使得第三长度的沟道的MOS器件阈值电压模型增加；
增大子电路模型的幂指数项参数，以使得第三长度的沟道的MOS器件阈值电压减小。
6.如权利要求1所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，其特征在于，所述第一长度大于或等于0.054μm和小于或等于0.108μm。
7.如权利要求1所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，其特征在于，所述第二长度大于或等于0.054μm和小于或等于0.27μm。
8.如权利要求1所述的MOSFET阈值电压的SPICE子电路模型建模方法，其特征在于，所述第三长度大于或等于0.054μm和小于或等于0.27μm。
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