CN113792510B - Mosfet的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MOSFET的仿真方法，包括：选用至少两个不同沟道长度的MOSFET，使用Silvaco TCAD对MOSFET分别进行多次仿真，获得每个MOSFET的多个仿真结果；从多个仿真结果中选出仿真值与该MOSFET的实际值最接近并且仿真时间最短的最优仿真结果；获取每个MOSFET的最优仿真结果的网格信息；对每个MOSFET的网格信息和沟道长度进行拟合得到网格信息和沟道长度之间的函数关系；将函数导入仿真文档中，形成仿真方法。使用此仿真文档可以对至少两个不同沟道长度的MOSFET进行仿真，并且在仿真短沟道MOSFET时，可以提高仿真精度。在仿真长沟道MOSFET时，可以节省运算资源。

Description

MOSFET的仿真方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种MOSFET的仿真方法。

背景技术

使用Silvaco TCAD对MOSFET进行工艺仿真时，通常需要使用同一个仿真文档(DECK)对不同沟道长度(0.05μm～20μm)的MOSFET进行工艺仿真和校准。由于不同MOSFET的沟道长度可能差别非常大，如果仿真结构的网格(Mesh)间距固定不变，那么生成的网格结构往往只适用于其中一种沟长的MOSFET，另一种沟长MOSFET的仿真会丢失精度或者消耗大量的运算资源。例如用仿真短沟MOSFET的仿真文件进行长沟MOSFET仿真，由于沟道区域网格间距不变，增长的沟道区域将生成过多的网格，而长沟MOSFET的沟道掺杂分布通常比较均匀，实际并不需要太多的网格进行运算，过多的网格将会消耗大量不必要的运算资源，拖慢仿真进度。例如，图1和图2，图1和图2的横坐标和纵坐标的单位均为μm，是使用现有技术的仿真方法得到的仿真结果，可以看出图1和图2的网格的宽度相同，图2的MOSFET的沟道长度比图1的MOSFET的沟道长度长非常多，所以图2的网格数量非常多，导致在仿真过程中，浪费大量的运算资源。而如果还有另一个MOSFET比图1的沟道长度短很多，又会出现非常少的网格，导致仿真精度不高。

为了避免这种情况，常用的解决方法是建立沟长与沟道网格之间的等比例关系，使网格间距随沟长按一定比例进行缩放，这样能够使不同长度的沟道内存在数量大致相当的网格进行仿真运算。但这只能满足同一个仿真文档同时对2种沟长MOSFET的工艺仿真，当需要进行更多不同沟长MOSFET仿真，这种等比例关系对运算资源的节省效果会减弱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MOSFET的仿真方法，可以仿真不同沟道尺寸的MOSFET，并且使得仿真结果精确，同时不会浪费过多运算资源。

为了达到上述目的，本发明提供了一种MOSFET的仿真方法，包括：

步骤S1：选用至少两个不同沟道长度的MOSFET，使用Silvaco TCAD对所述MOSFET分别进行多次仿真，以获得每个所述MOSFET的多个仿真结果，所述仿真结果由至少一个网格组成，所述网格代表所述MOSFET的仿真值；

步骤S2：从多个所述仿真结果中选出所述仿真值与该MOSFET的实际值最接近并且仿真时间最短的最优仿真结果，每个所述MOSFET均具有最优仿真结果；

步骤S3：获取每个所述最优仿真结果的网格信息；

步骤S4：对每个所述MOSFET的所述网格信息和沟道长度进行拟合得到所述网格信息和沟道长度之间的函数关系；

步骤S5：将所述函数导入所述Silvaco TCAD的仿真文档中，形成MOSFET的仿真方法。

可选的，在所述的仿真方法中，所述沟道的长度范围为0.05μm～20μm。

可选的，在所述的仿真方法中，所述网格信息包括网格在X轴和Y轴上的坐标值，其中，所述X轴和Y轴垂直。

可选的，在所述的仿真方法中，所述网格的数量大于一个时，所述网格依次排列在所述仿真结果中。

可选的，在所述的仿真方法中，在步骤S1中，所述网格的数量大于一个时，所述网格的宽度相同。

可选的，在所述的仿真方法中，在步骤S1中，使用Silvaco TCAD进行多次仿真时，每次仿真时改变网格的宽度，所述网格的数量大于一个时，每个所述网格改变的宽度相同。

可选的，在所述的仿真方法中，对所述MOSFET的运算单元尺寸进行仿真时，选用第一MOSFET和第二MOSFET进行仿真，第一MOSFET的沟道长度为0.6μm，第二MOSFET的沟道长度为10μm。

可选的，在所述的仿真方法中，对所述第一MOSFET使用Silvaco TCAD进行多次仿真，得到第一最优仿真结果的网格信息；对所述第二MOSFET使用Silvaco TCAD进行多次仿真，得到第二最优仿真结果的网格信息。

可选的，在所述的仿真方法中，使用所述第一最优仿真结果的网格信息、第一MOSFET的沟道长度、第二最优仿真结果的网格信息和第二MOSFET的沟道长度进行拟合得到沟道长度和所述网格信息之间的函数关系。

可选的，在所述的仿真方法中，对所述MOSFET的运算单元尺寸进行仿真时，所述网格信息和沟道长度之间的函数关系为：网格尺寸＝X*LOG(L)+Y，其中：X为网格的边在X轴上的坐标值，Y为网格的边在X轴上的坐标值，L为沟道长度。

在本发明提供的MOSFET的仿真方法中，使用本发明的网格生成方法，通过仿真实验，获得沟道长度和网格信息的函数关系，并将此函数关系加入到仿真文档。在使用此仿真文档对至少两个不同沟道长度的MOSFET进行仿真，在仿真短沟道的MOSFET时，可以生成足够数量的网格，使得短沟道仿真的精度提高。在仿真长沟道的MOSFET时，不会生成过多的网格，节省运算资源。

附图说明

图1和图2是使用现有技术的MOSFET的仿真方法的仿真结果图；

图3是本发明实施例的MOSFET的仿真方法的流程图；

图4至图6是本发明实施例的MOSFET的仿真方法的仿真结果图。

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。

请参照图3，本发明提供了一种MOSFET的仿真方法，包括：

步骤S1：选用至少两个不同沟道长度的MOSFET，使用Silvaco TCAD对所述MOSFET分别进行多次仿真，以获得每个所述MOSFET的多个仿真结果，所述仿真结果由至少一个网格组成，所述网格代表所述MOSFET的仿真值；

步骤S2：从多个所述仿真结果中选出所述仿真值与该MOSFET的实际值最接近并且仿真时间最短的最优仿真结果，每个所述MOSFET均具有最优仿真结果；

步骤S3：获取每个所述最优仿真结果的网格信息；

步骤S4：对每个所述MOSFET的所述网格信息和沟道长度进行拟合得到所述网格信息和沟道长度之间的函数关系；

步骤S5：将所述函数导入所述Silvaco TCAD的仿真文档中，形成MOSFET的仿真方法。

进一步的，所述沟道的长度范围为0.05μm～20μm。本发明实施例的每个MOSFET的沟道长度的范围为0.1μm～20μm，当至少两个MOSFET的沟道长度不同时，可以采用同一个仿真文档进行仿真。

进一步的，所述网格信息包括网格在X轴和Y轴上的坐标值，其中，所述X轴和Y轴垂直。本发明实施例要仿真的MOSFET的参数为运算单元的尺寸和阈值电压。基于有限元仿真思想，TCAD中一个MOSFET将被分割为多个运算单元，每个运算单元包含具体的材料类型、物理尺寸和元素掺杂等信息，再通过设置模型边界条件等求解不同偏微分方程得到这个MOSFET的物理构成和电学性能。改变运算单元尺寸，也就意味着将一个MOSFET分割成不同数量的有限元进行仿真。分割的单元数量太少，MOSFET的仿真值会失真，分割的单元数量太多，会消耗额外的运算资源。因此最理想的情况就是设置的网格(运算单元)尺寸非常合理，既得到与实际相符的MOSFET电性，又不占用额外的运算资源。改变运算单元的尺寸进行仿真以判断其尺寸是否达标时，就至少会产生一个仿真值，而一般MOSFET具有非常多的运算单元，如果每个运算单元的仿真值都显示出来，就可以使用一个网格代表一个运算单元，网格对应的尺寸就是运算单元的尺寸，因此，可以将网格在X轴和Y轴中的对应的坐标转化为网格的尺寸，从而得到运算单元的尺寸。

进一步的，仿真结果，以仿真结果图显示，所述网格的数量大于一个时，所述网格依次排列在所述仿真结果中。并且网格与网格相邻并没有交集。这样每个网格都有对应的X轴的坐标值以及Y轴的坐标值，很轻易的就可以根据网格的端点所在的坐标值计算出网格的边的尺寸，从而得到网格的尺寸。

进一步的，在步骤S1中，所述网格的数量大于一个时，所述网格的宽度相同。在仿真实验中和现有技术的仿真方法中，网格的宽度即映射在X轴上的距离相同，无论是现有技术还是在仿真实验得到函数关系的过程中，网格的长度是在已设定的前提下进行的。因此，本发明实施例要求的网格信息具体是指网格的宽度。

进一步的，在步骤S1中，使用Silvaco TCAD进行多次仿真时，每次仿真时改变网格的宽度，所述网格的数量大于一个时，每个所述网格改变的宽度相同。无论是现有技术还是在仿真实验得到函数关系的过程中，要得到最优仿真结果，需要不断的实验，而每次实验改变的变量就是网格的宽度，而网格数量大于一个时，每个网格的宽度是相等的，因此，改变网格的宽度时，是所有网格的宽度均会改变，并且改变的数值是一样的。也正是因为这样，当MOSFET的沟道长度较大时，以固定的网格宽度划分时，就会出现非常多的网格，实际上MOSFET的掺杂比较均匀，不需要这么多的网格数量，当然，如果将网格的宽度增加来减少网格的数量，增加后的网格宽度又不适合短沟道的MOSFET(网格数量太少，会使短沟道的MOSFET的仿真精度减低)，因此，发明人发现，如果网格的宽度是变化的，并且能根据沟道长度适应性变化，那么就可以适应多个不同沟道长度的MOSFET的仿真。

进一步的，对所述运算单元的尺寸进行仿真时，选用第一MOSFET和第二MOSFET进行仿真，第一MOSFET的沟道长度为0.6μm，第二MOSFET的沟道长度为10μm。本实施例的第一MOSFET和第二MOSFET只是选的例子，并不是局限于此，在本发明的其他实施例中，也可以选择其他数量的MOSFET进行仿真以得到沟道长度和网格信息的函数关系，并且选用的MOSFET的数量越多，得到的函数关系越适合不同尺寸的MOSFET的仿真。同时，选用的MOSFET的尺寸也可以是其他尺寸，尺寸的数值差别越大，得到的函数关系越适合不同尺寸的MOSFET的仿真。选用的第一MOSFET和第二MOSFET或者其他实施例的多个MOSFET可以是同一工艺制作形成的，也可以是不同工艺制作形成的。

进一步的，对所述第一MOSFET使用Silvaco TCAD进行多次仿真，得到第一最优仿真结果的网格信息；对所述第二MOSFET使用Silvaco TCAD进行多次仿真，得到第二最优仿真结果的网格信息。

进一步的，使用所述第一最优仿真结果的网格信息、第一MOSFET的沟道长度、第二最优仿真结果的网格信息和第二MOSFET的沟道长度进行拟合得到沟道长度和所述网格信息之间的函数关系。这里的拟合将会处理大量的数据，例如，如果是仿真运算单元的尺寸时，如图1和图2，可以看到网格的数量非常多，每个仿真结果都可能具有这么多的网格，因此网格信息也是非常多的，所以要处理这么多数据的拟合关系可以通过拟合工具进行，例如，EXCEL。

实施例一

对所述MOSFET的运算单元尺寸进行仿真时，得到的沟道长度和网格信息之间的函数关系包括但不限于对数函数、指数函数、幂函数以及这些函数组成的单项式或多项式。本实施例中仿真得到的所述沟道长度和所述网格信息之间的函数关系为：网格尺寸＝X*LOG(L)+Y，其中：X为网格的边在X轴上的坐标值，Y为网格的边在X轴上的坐标值，L为沟道长度，该函数的自变量是仿真对象MOSFET的沟道长度，因变量是网格间距的数值。这里的网格尺寸也是网格信息其中的一部分，而网格尺寸更为具体的是指网格宽度，即映射在X轴上的尺寸。将所述函数导入所述Silvaco TCAD的仿真文档中，形成MOSFET的仿真方法，对所述MOSFET的运算单元尺寸进行仿真，得到的网格的宽度不相等，并且宽度呈对数增长。本发明实施例5V NMOS的沟道长度和沟道网格的尺寸非常规律，呈对数函数关系，仿真结果调用更少的网格数，这将使其在后续的工艺仿真和器件仿真调用更少的运算资源，而仿真速度大大加快。因此本发明对于网格构造合理性、运算资源的节省有显著的提升效果。将式子输入TCAD仿真文档的网格语句中，使用此仿真文档对10μm×0.6μm的5V NMOS进行仿真，得到的仿真结果如图4，使用现有技术的仿真文档对10um×0.6μm的MOSFET进行仿真，得到的仿真结果如图1，可以看出，图1和图4的网格数量差不多。使用此仿真文档对10μm×10μm 5VNMOS进行仿真，得到的仿真结果如图5，与现有技术的仿真结果图2进行对比。图5的网格数量减少了许多，大大的减少了运算的资源，现有技术的仿真结果随仿真结构的沟长增长，沟道区域的网格大小固定不变，因此图2中包含过量的网格，将调用非常多的运算资源。图1、图2、图4和图5的横坐标及纵坐标的单位均为μm。

实施例二

本发明实施例中，对所述MOSFET的阈值电压进行仿真时，所述沟道长度和所述网格信息之间的函数关系为：网格尺寸＝B*L+C，其中：B为常数，C为非零常数，L为沟道长度。

具体的，图6是某样品实测得到不同沟道尺寸3.3V NMOS的VT roll-off曲线，这是在进行器件匹配中常用的一条特性曲线。要描述这条曲线的上升或下降变化，需要仿真至少3个尺寸NMOS的阈值电压(Threshold Voltage,VT值)。这里进行仿真的是4个尺寸的3.3VNMOS，沟槽宽度和沟道长度分别是：10μm×0.35μm，10μm×0.5μm，10μm×1μm和10μm×10μm。

表1是分别用两种不同方法仿真这4个尺寸NMOS，所调用的网格点数量对比。表中的常用方法是指定义沟道区域网格尺寸随沟长等比例变化。由此可以获得沟道长度的增长，沟道网格随之越大的效果。

沟道长度(μm)	0.35	0.5	1	10
					现有技术	3080	3465	4235	7315
本发明实施例	2618	2772	3003	3696

表1

现有技术是构建沟道长度与网格尺寸(单个网格宽度)之间的函数关系：

网格尺寸＝A*L，其中：A为常数，L为沟道长度；

而本发明实施例经过网格优化，数据拟合得到的沟道长度与网格尺寸之间的函数关系：

网格尺寸＝B*L+C，其中：B为常数，C为非零常数，L为沟道长度；

对比发现，无论是现有技术还是本发明实施例，在仿真沟道长度0.35μm到1μm的器件时，调用的网格数量相差不大，因此他们的运算量、运算时间也是相近的。在这个范围内改变仿真器件的沟道长度，仿真时间不会增加太多，两者都起到节省运算资源的效果。而当仿真器件的沟道长度增至10μm时，两者调用的网格点相差变得十分大，尽管本发明相比常用方法设置的函数关系只新增了常数项，节省网格运算量的效果却大大提升。

由此可见，常用方法采用的等比例变化有局限性，只适用roll-off曲线上的某2个尺寸器件的仿真，当需要仿真多个不同尺寸的器件时，就很难再实现节省运算量的效果。而经过本发明优化拟合得到的函数关系，对于器件网格构建具有更好的兼容性，可以实现多个不同沟长器件的快速仿真，节省更多的运算资源。

综上，在本发明实施例提供的MOSFET的仿真方法中，使用本发明的网格生成方法，通过仿真实验，获得沟道长度和网格信息的函数关系，并将此函数关系加入到仿真文档。在使用此仿真文档对至少两个不同沟道长度的MOSFET进行仿真，并且当沟道长度差距较大时，在仿真短沟道的MOSFET时，可以生成合适的数量的网格，使得短沟道仿真的精度提高。在仿真长沟道的MOSFET时，不会生成过多的网格，节省运算资源。

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 (9)

1.一种MOSFET的仿真方法，其特征在于，包括：

步骤S1：选用至少两个不同沟道长度的MOSFET，使用Silvaco TCAD对所述MOSFET分别进行多次仿真，以获得每个所述MOSFET的多个仿真结果；

步骤S2：从多个所述仿真结果中选出仿真值与该MOSFET的实际值最接近并且仿真时间最短的最优仿真结果；

步骤S3：获取每个所述MOSFET的最优仿真结果的网格信息；

步骤S4：对每个所述MOSFET的所述网格信息和沟道长度进行拟合得到所述网格信息和沟道长度之间的函数关系，所述网格信息和沟道长度之间的函数关系：网格宽度＝X*LOG(L)+Y，其中：X为网格的边在X轴上的坐标值，Y为网格的边在Y轴上的坐标值，L为沟道长度；

步骤S5：将所述函数导入所述Silvaco TCAD的仿真文档中，形成MOSFET的仿真方法。

2.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述沟道的长度范围为0.05μm～20μm。

3.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述网格信息包括网格在X轴和Y轴上的坐标值，其中，所述X轴和Y轴垂直。

4.如权利要求3所述的仿真方法，其特征在于，所述仿真结果包括至少一个网格，网格信息代表仿真值，所述网格的数量大于一个时，所述网格依次排列在所述仿真结果中。

5.如权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，在步骤S1中，所述网格的数量大于一个时，所述网格的宽度相同。

6.如权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，在步骤S1中，使用Silvaco TCAD进行多次仿真时，每次仿真时改变网格的宽度，所述网格的数量大于一个时，每个所述网格改变的宽度相同。

7.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，对所述MOSFET的运算单元尺寸进行仿真时，选用第一MOSFET和第二MOSFET进行仿真，第一MOSFET的沟道长度为0.6μm，第二MOSFET的沟道长度为10μm。

8.如权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，对所述第一MOSFET使用Silvaco TCAD进行多次仿真，得到第一最优仿真结果的网格信息；对所述第二MOSFET使用Silvaco TCAD进行多次仿真，得到第二最优仿真结果的网格信息。

9.如权利要求8所述的仿真方法，其特征在于，使用所述第一最优仿真结果的网格信息、第一MOSFET的沟道长度、第二最优仿真结果的网格信息和第二MOSFET的沟道长度进行拟合得到沟道长度和所述网格信息之间的函数关系。