JP2005064164A - Method of extracting characteristic of mosfet - Google Patents

Method of extracting characteristic of mosfet Download PDF

Info

Publication number
JP2005064164A
JP2005064164A JP2003290981A JP2003290981A JP2005064164A JP 2005064164 A JP2005064164 A JP 2005064164A JP 2003290981 A JP2003290981 A JP 2003290981A JP 2003290981 A JP2003290981 A JP 2003290981A JP 2005064164 A JP2005064164 A JP 2005064164A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
capacitance
gate
overlap
mosfet
length
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003290981A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akio Kiyota
明生 清田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2003290981A priority Critical patent/JP2005064164A/en
Publication of JP2005064164A publication Critical patent/JP2005064164A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that the overlap capacity and overlap length of MOSFET are extracted from the measured capacitance between a gate and a source/drain when the MOSFET is turned off, but the accurate overlap length cannot be derived because the measured capacitance includes an internal fringe capacitance, moreover a present transistor model lacks in performance, and therefore errors are increased in the gate capacitance simulation of a short channel device. <P>SOLUTION: An overlap capacitance parameter is previously derived within a gate voltage range in which the MOSFET is kept in an off-state, the simulation of overlap capacitance characteristics is run using the overlap capacitance parameter, and an overlap length is derived from the overlap capacitance value when the MOSFET is turned on, whereby a correlation between the overlap capacitance and the overlap length is obtained to improve gate capacitance simulation in accuracy. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、MOSFETなどのMISFET(金属−絶縁物−半導体電界効果トランジスタ)の回路シミュレーションを行う際に、重要な特性となるオーバーラップ容量パラメータ、オーバーラップ長の抽出方法に関する。   The present invention relates to a method for extracting an overlap capacitance parameter and an overlap length, which are important characteristics when performing a circuit simulation of a MISFET (metal-insulator-semiconductor field effect transistor) such as a MOSFET.

近年、半導体素子の最小寸法の微細化が進み、ゲート長寸法0.1μm以下での設計も検討され始めている。このような微細素子で構成される超LSIの技術分野において、上記半導体素子を新たに設計開発したり、不純物拡散濃度などの製造工程を変えたい場合に、その都度、実際に半導体集積回路を試作すると、開発に要する時間が長くなり、開発コストも高くつくことになる。そこで、実際の回路を試作して設計を進める代わりに、一連のコンピュータ・シミュレーションを活用して設計を進める作業が行われている。   In recent years, the miniaturization of the minimum dimension of a semiconductor element has progressed, and a design with a gate length dimension of 0.1 μm or less has begun to be studied. In the technical field of VLSI composed of such fine elements, each time you want to newly design and develop the above-mentioned semiconductor elements or change the manufacturing process such as impurity diffusion concentration, the semiconductor integrated circuit is actually prototyped. This increases the time required for development and increases the development cost. Therefore, instead of proceeding with designing an actual circuit as a prototype, work is being carried out using a series of computer simulations to advance the design.

この一連のシミュレーションは、不純物濃度などのプロセスデータを抽出するためのプロセスシミュレータと、半導体素子であるMOSFETの電気的特性を抽出するデバイスシミュレーションと、回路シミュレーションとから成る。   This series of simulations includes a process simulator for extracting process data such as impurity concentration, a device simulation for extracting electrical characteristics of a MOSFET as a semiconductor element, and a circuit simulation.

ここで、上記の回路シミュレーションでは、上記デバイスパラメータに基づいて得た正確なMOSFETの電気的特性からSPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)と称される回路解析プログラム用のモデルパラメータを抽出して、上記SPICEパラメータを用いてSPICEを起動して、メモリ動作、フリップフロップ動作などが解析される。   Here, in the above circuit simulation, model parameters for a circuit analysis program called SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) are extracted from the accurate MOSFET electrical characteristics obtained based on the above device parameters, The SPICE is activated using the SPICE parameters, and the memory operation, flip-flop operation, and the like are analyzed.

これらシミュレーションの結果が実測結果から大きく外れていると、設計時に望んだ回路特性を得ることが出来なくなり、最悪の場合には設計のやり直しが必要になる。よって、シミュレーション結果が実測結果に高い精度で一致すればするほど、短い期間で所望の超LSIを開発できることになるので、精度のよいシミュレーション技術の開発が強く望まれる。   If the results of these simulations deviate significantly from the actual measurement results, the circuit characteristics desired at the time of design cannot be obtained, and in the worst case, the design must be reworked. Therefore, as the simulation result matches the actual measurement result with higher accuracy, a desired VLSI can be developed in a shorter period of time. Therefore, development of a highly accurate simulation technique is strongly desired.

そのためには、回路シミュレーションに組み込まれたデバイスモデルが、実際のデバイス特性を再現できるように、予め上述のプロセスシミュレーション及びデバイスシミュレーションを実施して、あるいは試作段階で試作した素子から、SPICEパラメータの抽出を正確に行っておく必要がある。   For this purpose, the SPICE parameters are extracted from the elements that have been implemented in advance by the above-mentioned process simulation and device simulation so that the device model incorporated in the circuit simulation can reproduce the actual device characteristics, or from the prototype manufactured at the prototype stage. Must be done accurately.

このようなSPICEパラメータのうち特に重要な特性として、例えばMOSトランジスタのオーバーラップ長ΔLがある。ここでオーバーラップ長ΔLとはMOSトランジスタのゲート電極とソース・ドレイン拡散層領域がオーバーラップする領域の長さと定義される。ここで、ゲート電極はゲート絶縁膜を介してMOSトランジスタのチャネル領域及び上記オーバーラップ領域上に形成されることになる。図10はこの従来のオーバーラップ長抽出方法を説明するための図で、実行ゲート電圧Vge毎のチャネル抵抗Rのゲート長依存性を示した図である。   Among such SPICE parameters, a particularly important characteristic is, for example, the overlap length ΔL of the MOS transistor. Here, the overlap length ΔL is defined as the length of the region where the gate electrode of the MOS transistor and the source / drain diffusion layer region overlap. Here, the gate electrode is formed on the channel region of the MOS transistor and the overlap region via the gate insulating film. FIG. 10 is a diagram for explaining this conventional overlap length extraction method and shows the dependency of the channel resistance R on the gate length for each execution gate voltage Vge.

そしてMOSトランジスタの実行チャネル長Leffは、図7に示すデバイス断面略図のように、シリコン基板の表面におけるソース側PN接合部−ドレイン側PN接合間の距離、換算すれば、ゲート長からオーバーラップ長を指し引いた距離に相当することになるので、オーバーラップ長ΔLが正確に求められれば、同時に正確な実行チャネル長Leffを得ることができる。   The effective channel length Leff of the MOS transistor is the distance between the source-side PN junction and the drain-side PN junction on the surface of the silicon substrate as shown in the device cross-sectional schematic diagram of FIG. Therefore, if the overlap length ΔL is accurately obtained, the accurate execution channel length Leff can be obtained at the same time.

従来の技術としては、オーバーラップ長ΔLの導出は、例えば(特許文献1)に記載されているように、ゲート長Lの異なる複数のMOSトランジスタについて、下記の式(1)で示される様々の実行ゲート電圧Vge毎に、MOSトランジスタのドレイン電圧Vdが微小なときの、式(2)で与えられるチャネル抵抗(ソース電極−ドレイン電極間の抵抗)Rを測定することによって行われていた(以下、第1の従来例と記す)。   As a conventional technique, the derivation of the overlap length ΔL is, for example, as described in (Patent Document 1), with respect to a plurality of MOS transistors having different gate lengths L, as shown in the following formula (1). For each execution gate voltage Vge, the channel resistance (resistance between the source electrode and the drain electrode) R given by the equation (2) when the drain voltage Vd of the MOS transistor is very small is measured (hereinafter referred to as “reduction voltage”). This is referred to as a first conventional example).

すなわち、
Vge = Vg − Vth ・・・式(1)
ここで、Vgはゲート電圧(ゲート−ソース間電圧)、Vthはしきい値電圧である。また、
R = ( ΔId / ΔVd )−1 ・・・式(2)
ここで、Vdはドレイン電圧(ドレイン−ソース間電圧)、Idはドレイン電流(ドレイン−ソース間電流)である。
That is,
Vge = Vg−Vth (1)
Here, Vg is a gate voltage (gate-source voltage), and Vth is a threshold voltage. Also,
R = (ΔId / ΔVd) −1 Formula (2)
Here, Vd is a drain voltage (drain-source voltage), and Id is a drain current (drain-source current).

前記の図10は上記第1の従来例でのオーバーラップ長ΔLの抽出を実施する際に得られる、実効ゲート電圧Vgeごとのチャネル抵抗Rのゲート長Lの依存性を示す特性図である。ここで、図10はnMOSトランジスタのデータで、プロットが測定点、直線群は最小自乗法による補完演算で求められた各実効ゲート電圧Vge1〜Vge5に対する回帰直線群である。   FIG. 10 is a characteristic diagram showing the dependence of the channel length R on the gate length L for each effective gate voltage Vge, which is obtained when the overlap length ΔL is extracted in the first conventional example. Here, FIG. 10 shows nMOS transistor data, where the plot is a measurement point, and the straight line group is a regression line group for each effective gate voltage Vge1 to Vge5 obtained by a complementary operation by the least square method.

この実効ゲート電圧Vge1〜Vge5に対応する複数の回帰直線は、同図に示すように、略一点(a,b)に収斂する。この収斂点における横軸上の座標点aがオーバーラップ長ΔLに相当する。なお、縦軸上の座標値bはソース・ドレイン拡散層の寄生抵抗に相当する。   A plurality of regression lines corresponding to the effective gate voltages Vge1 to Vge5 converge to approximately one point (a, b) as shown in FIG. A coordinate point a on the horizontal axis at the convergence point corresponds to the overlap length ΔL. The coordinate value b on the vertical axis corresponds to the parasitic resistance of the source / drain diffusion layer.

また、(特許文献2)ある第2の従来例のように、容量特性からゲートオーバーラップ長を求める手法がある。図12はこの抽出フローを示す。これは、異なるゲート長を持つ測定素子から、ゲート−ソース・ドレイン容量特性を図4に示すゲート容量(Cg)−ゲート電圧(Vg)特性の様に測定しておき、飽和状態におけるゲート−ソース・ドレイン容量値のゲート長依存性を図11のように描かせ、縦軸の切片からゲート電極側面からゲート側面フリンジ容量を求めており、ゲート−ソース・ドレイン容量特性で、ゲート長L依存性を持ち始める点Vg=Vxにおける容量値をCxとし、オーバーラップ容量とする。なお、このVxはゲート−ソース・ドレイン容量特性をゲート電圧で微分して図5のような特性を得て、急峻な変化が表れる点としても求められる。そして図11における容量値がCxとなる点からオーバーラップ長ΔLを算出している。
特開平7−176740号公報(第8−9頁、図4、図5) 特開2001−338986号公報(第11−12頁、図4、図6)
Further, there is a technique for obtaining the gate overlap length from the capacitance characteristics as in the second conventional example (Patent Document 2). FIG. 12 shows this extraction flow. This is because the gate-source / drain capacitance characteristics are measured from the measurement elements having different gate lengths as in the gate capacitance (Cg) -gate voltage (Vg) characteristics shown in FIG. The gate length dependency of the drain capacitance value is drawn as shown in FIG. 11, and the gate side fringe capacitance is obtained from the side surface of the gate electrode from the intercept of the vertical axis. Let Cx be the capacitance value at the point Vg = Vx at which the point begins to have an overlap capacitance. This Vx is also obtained as a point where a steep change appears by differentiating the gate-source / drain capacitance characteristics by the gate voltage to obtain the characteristics as shown in FIG. Then, the overlap length ΔL is calculated from the point where the capacitance value in FIG. 11 becomes Cx.
JP-A-7-176740 (pages 8-9, FIG. 4, FIG. 5) JP 2001-338986 A (pages 11-12, FIG. 4, FIG. 6)

上述したように、近年の超LSIの微細化、高密度化に伴い、使用されるMOSトランジスタの構造は、ゲート長がより短くなる傾向にある。
しかし、上記第1の従来例のようなオーバーラップ長ΔL導出方法では、ゲート長が短くなると、チャネル抵抗Rのゲート長L依存性の直線性が崩れ、上記回帰直線群が一点に収斂しなくなり、このためオーバーラップ長ΔLを一意に求めることが困難になる。これは、MOSトランジスタの短チャネル効果の1つである2次元の効果(電流密度の2次元分布)を無視することができなくなるためである。
As described above, with the recent miniaturization and higher density of VLSI, the MOS transistor structure used tends to have a shorter gate length.
However, in the method of deriving the overlap length ΔL as in the first conventional example, when the gate length is shortened, the linearity of the channel resistance R dependency on the gate length L is lost, and the regression line group does not converge to one point. For this reason, it is difficult to uniquely determine the overlap length ΔL. This is because a two-dimensional effect (two-dimensional distribution of current density) that is one of the short channel effects of the MOS transistor cannot be ignored.

上記第2の従来例は、図8に示すような内側フリンジ容量CF_inが存在する電圧条件でオーバーラップ長を導出しているため、構造的なオーバーラップ長よりも大きいオーバーラップ長が導出され、上記オーバーラップ長を用いて現行もっとも普及しているトランジスタモデルBSIM3、およびトランジスタモデルBSIM4で容量シミュレーションを行うと、低しきい値MOSトランジスタにおいてシミュレーション誤差が増大する。   In the second conventional example, since the overlap length is derived under the voltage condition in which the inner fringe capacitance CF_in as shown in FIG. 8 exists, an overlap length larger than the structural overlap length is derived, When a capacity simulation is performed with the transistor model BSIM3 and the transistor model BSIM4 that are currently most popular using the overlap length, a simulation error increases in a low threshold MOS transistor.

上記の内側フリンジ容量CF_inとは図8に示すように、ゲート−ソース・ドレイン間に付く寄生容量の一つで、ソース、もしくはドレインからPN接合、酸化膜を介したゲートから見たときの容量と定義し、ゲート電極側面からソース、もしくはドレインまでのフリンジ容量を外側フリンジ容量CF_sideと定義する。デバイスシミュレータによる解析から、Nchトランジスタにおいては、内側フリンジ容量はP型基板表面が空乏化している状態で存在し、基板表面にチャネルが形成されるとチャネルによってシールドされるため消滅することが分かった。そしてMOSFETが飽和状態にありチャネルが形成される時、オーバーラップ容量は下記の式(4)に示すように酸化膜容量のオーバーラップ長分に相当する容量値を取り、ゲート−ソース・ドレイン容量Cds_gは下記の式(5)に示すようにゲート酸化膜容量のゲート長分とゲート電極側面からのフリンジ容量の和となることが分かった。   As shown in FIG. 8, the inner fringe capacitance CF_in is one of the parasitic capacitances between the gate, the source and the drain. The capacitance when viewed from the gate through the PN junction and oxide film from the source or drain. The fringe capacitance from the side surface of the gate electrode to the source or drain is defined as the outer fringe capacitance CF_side. From the analysis by the device simulator, it was found that in the Nch transistor, the inner fringe capacitance exists when the surface of the P-type substrate is depleted, and disappears because the channel is shielded by the channel when it is formed on the substrate surface. . When the MOSFET is in a saturated state and a channel is formed, the overlap capacitance takes a capacitance value corresponding to the overlap length of the oxide film capacitance as shown in the following formula (4), and the gate-source-drain capacitance Cds_g was found to be the sum of the gate length of the gate oxide film capacitance and the fringe capacitance from the side surface of the gate electrode as shown in the following equation (5).

Cov(Vgs=V1) = εox・W・ΔL/Tox ・・・式(4)
Cds_g(Vgs=V1)=εox・W・L/Tox + 2・CF_side ・・・式(5)
Pchトランジスタの場合も同様に、P型とN型が入れ替るだけで、同様の現象が生じている。式(5)でフリンジ容量CF_sideを2倍しているのは、ソース側、ドレイン側両方を考慮したためである。
Cov (Vgs = V1) = εox · W · ΔL / Tox (4)
Cds_g (Vgs = V1) = εox · W · L / Tox + 2 · CF_side (5)
Similarly, in the case of the Pch transistor, the same phenomenon occurs only by switching between the P-type and the N-type. The reason why the fringe capacitance CF_side is doubled in the equation (5) is because both the source side and the drain side are considered.

現在、最も普及しているトランジスタモデルであるBSIM3、およびBSIM4では、オーバーラップ容量モデル式に内側フリンジ容量が考慮されていない他に、酸化膜厚、オーバーラップ長も式に入っておらず、飽和状態において式(4)、式(5)が成り立たないケースが生じている(非特許文献 BSIM3v3, Manual,1995 p4−18〜4―20 UC Berkeley)。   Currently, BSIM3 and BSIM4, which are the most popular transistor models, do not consider the inner fringe capacity in the overlap capacity model formula, and the oxide film thickness and overlap length are not included in the formula. There are cases in which equations (4) and (5) do not hold in the state (Non-Patent Document BSIM3v3, Manual, 1995 p4-18 to 4-20 UC Berkeley).

つまり、Cds_g特性からオーバーラップ容量パラメータを抽出して、正確なオーバーラップ長を入れたとしても、オーバーラップ長とオーバーラップ容量の相関が無いため、強反転状態においても式(4)の関係が満たされず、特に、微細デバイスでMOSゲート容量シミュレーション精度の低下を招いている。   In other words, even if the overlap capacity parameter is extracted from the Cds_g characteristic and an accurate overlap length is inserted, there is no correlation between the overlap length and the overlap capacity. This is not satisfied, and in particular, the accuracy of MOS gate capacitance simulation is reduced in a fine device.

第2の従来例で抽出したオーバーラップ長は、内側フリンジ容量の分だけ構造上のオーバーラップ長よりも数nm長くなり、正確なオーバーラップ長は導出できないが、上記は実行チャネル長が短くなることと等価となり、結果的にシミュレーションの実効チャネル長部分のMOSゲート容量が減少する分が、チャネル形成時の内側フリンジ容量の消滅効果を表していたことにより、Vxが0ボルト以上の範囲であれば強反転状態におけるゲート容量のシミュレーション精度の低下を免れていた。これは現行のオーバーラップ容量モデル特性は図6に示すように、ゲート電圧の上昇にともない、飽和するまで増加していく特性を有しており、Vgが0ボルト以上でほぼ飽和しているためである。つまり、オーバーラップ長を抽出したバイアス点で使用したオーバーラップ容量モデル特性が飽和していない場合に誤差δCovが生じる。   The overlap length extracted in the second conventional example is several nanometers longer than the structural overlap length by the amount of the inner fringe capacity, and an accurate overlap length cannot be derived. As a result, the decrease in the MOS gate capacitance in the effective channel length portion of the simulation represents the disappearance effect of the inner fringe capacitance at the time of channel formation, so that Vx is in the range of 0 volts or more. For example, the simulation accuracy of the gate capacitance in the strong inversion state was avoided. This is because, as shown in FIG. 6, the current overlap capacitance model characteristic has a characteristic of increasing until saturation as the gate voltage increases, and is almost saturated when Vg is 0 volts or more. It is. That is, the error δCov occurs when the overlap capacitance model characteristic used at the bias point from which the overlap length is extracted is not saturated.

しかし近年、MOSトランジスタの低しきい値化が進んでおり、Vxが0ボルト以下となるデバイスも見受けられ、Vxが0ボルト以下のMOSトランジスタに第2の従来例を適用すると、オーバーラップ容量モデル特性が飽和していない領域でオーバーラップ長を見積もることになり、強反転状態においてオーバーラップ長から酸化膜容量をかけて計算されるオーバーラップ容量よりも、シミュレーションのオーバーラップ容量の方が大きい値をとることになり、その差が誤差となっていた。   However, in recent years, the threshold of MOS transistors has been lowered, and there are devices in which Vx is 0 volts or less. When the second conventional example is applied to a MOS transistor having Vx of 0 volts or less, an overlap capacitance model is obtained. The overlap length is estimated in the region where the characteristics are not saturated, and the simulation overlap capacity is larger than the overlap capacity calculated by multiplying the overlap length by the oxide film capacity in the strong inversion state. The difference was an error.

低しきい値となる微細デバイスにおいても、高精度な容量シミュレーションを可能とするオーバーラップ容量パラメータ、及びオーバーラップ長を抽出する手法を提供することが急務である。   There is an urgent need to provide a method for extracting an overlap capacity parameter and an overlap length that enable highly accurate capacity simulation even in a micro device having a low threshold.

トランジスタがオンしている時の容量特性、およびオフしている状態でのオーバーラップ容量特性を高精度にシミュレーションできるオーバーラップ容量パラメータおよびオーバーラップ長のMOSFETの特性抽出方法を提供する。   Provided is a method for extracting characteristics of an overlap capacitance parameter and an overlap length MOSFET that can accurately simulate a capacitance characteristic when a transistor is on and an overlap capacitance characteristic when the transistor is off.

従来、オーバーラップ長は、ドレイン・ソース−ゲート容量の実測特性から、オーバーラップ容量が主成分となる電圧条件から計算していた。
本発明では、ドレイン・ソース−ゲート間容量特性の実測特性から、MOSトランジスタにチャネルが形成されていない、MOSFETがオフ状態におけるゲート電圧範囲でオーバーラップ容量モデルパラメータを抽出しておき、抽出したモデルパラメータを使ってオーバーラップ容量特性をシミュレーションし、チャネルが形成される電圧条件、つまりVg=V1においてシミュレーションしたオーバーラップ容量値からゲート電極側面フリンジ容量を引いた値をゲート酸化膜容量で割り算してオーバーラップ長を導出するものである。こうすることで、飽和状態におけるオーバーラップ容量モデル値とオーバーラップ長の整合性を取ることができ、結果として内側フリンジ容量消滅の効果とモデルの誤差を打ち消す分だけ、オーバーラップ長が構造から得られる値と異なる値を取ることになる。
Conventionally, the overlap length has been calculated from the voltage characteristics where the overlap capacitance is the main component, based on the measured characteristics of the drain / source-gate capacitance.
In the present invention, from the measured characteristics of the drain-source-gate capacitance characteristics, the overlap capacitance model parameter is extracted in the gate voltage range in which the channel is not formed in the MOS transistor and the MOSFET is off, and the extracted model Overlap capacitance characteristics are simulated using parameters, and the voltage condition under which the channel is formed, that is, the value obtained by subtracting the gate electrode side fringe capacitance from the simulated overlap capacitance value at Vg = V1, is divided by the gate oxide film capacitance. The overlap length is derived. In this way, it is possible to achieve consistency between the overlap capacity model value and the overlap length in the saturated state, and as a result, the overlap length is obtained from the structure by the amount that cancels out the effects of the inner fringe capacity disappearance and the model error. It will take a value that is different from the value obtained.

上記MOSFETがオフしているゲート電圧範囲とは、MOSトランジスタのチャネルが形成されていない電圧範囲であり、ドレイン・ソース−ゲート間容量特性の微分特性を取り、急峻な変化が現れる直前までの電圧値とする。この電圧境界条件は、(特許文献1)の図5のVxと同じくする。   The gate voltage range in which the MOSFET is turned off is a voltage range in which the channel of the MOS transistor is not formed, takes the differential characteristics of the drain-source-gate capacitance characteristics, and the voltage until just before a steep change appears. Value. This voltage boundary condition is the same as Vx in FIG. 5 of (Patent Document 1).

上記ゲート電極側面フリンジ容量はMOSFETの断面構造をTCAD(Technology Computer Aided Design)、もしくは容量シミュレータ上で再現し、シミュレーションすることで得る。まず、ゲート電極側面付近のメッシュを増加させ、図9(a)に示すようにゲート電極を電極端で分割し、分割した方の電極105をダミーゲートと名付けると、ダミーゲート−ソース間の容量を解析することで、側面フリンジ容量CF_sideと酸化膜を介した容量CF_oxの和が得られる。ここから、酸化膜を介した容量成分CF_oxを除去するため、分割した電極長さ分を切り出した構造を図9(b)に示すようにシミュレータ上で作り出し、上記構造でダミーゲート−ソース間の容量CF_oxを解析して、図9(a)の解析値からCF_oxを除去することで、側面フリンジ容量CF_sideを求めることができる。   The gate electrode side fringe capacitance can be obtained by reproducing and simulating the cross-sectional structure of the MOSFET on a TCAD (Technology Computer Aided Design) or a capacitance simulator. First, when the mesh near the side surface of the gate electrode is increased, the gate electrode is divided at the electrode ends as shown in FIG. 9A, and the divided electrode 105 is named a dummy gate. Is obtained, the sum of the side fringe capacitance CF_side and the capacitance CF_ox via the oxide film is obtained. From this, in order to remove the capacitive component CF_ox via the oxide film, a structure in which the divided electrode lengths are cut out is created on the simulator as shown in FIG. By analyzing the capacitance CF_ox and removing CF_ox from the analysis value of FIG. 9A, the side fringe capacitance CF_side can be obtained.

上記ゲート酸化膜容量とは、オーバーラップ容量測定素子と同ウェハ内にあり、同一のゲート幅を持ち、ゲート長の異なるMOSFETのCds_g特性を図4のように測定しておき、飽和状態となるゲート電圧をV1となるときの容量値をCL1,CL2とすると、単位ゲート幅辺りのゲート酸化膜容量は下記の式(6)で表される。ゲート幅Wを等しくし、ゲート長Lのみ異なるMOSFETのゲート−ソース・ドレイン間の容量の差を取ることで、オーバーラップ容量成分と外側フリンジ容量成分が除去でき、単位ゲート長辺りのゲート酸化膜容量成分を得ることができる。   The gate oxide film capacitance is in the same wafer as the overlap capacitance measuring element, and the Cds_g characteristics of MOSFETs having the same gate width and different gate lengths are measured as shown in FIG. When the capacitance values when the gate voltage is V1 are CL1 and CL2, the gate oxide film capacitance per unit gate width is expressed by the following equation (6). By making the gate width W equal and taking the difference in capacitance between the gate and source / drain of MOSFETs that differ only in gate length L, the overlap capacitance component and the outer fringe capacitance component can be removed, and the gate oxide film around the unit gate length A capacitive component can be obtained.

Cox = (CL2−CL1) / (L2−L1) ・・・式(6)
もしくは、上記ゲート酸化膜容量は、大面積MOSトランジスタのCds_g実測特性から得られる、Vg=V1における単位面積辺りの容量とすることもできる。MOSFETのゲート長、ゲート幅が大きくなれば、オーバーラップ長、オーバーラップ幅が全体に占める割合が小さくなり、容量の主成分は酸化膜容量となるためである。なお、容量値から見積もったゲート酸化膜厚は光学測定から得られたゲート酸化膜厚よりも厚くなるが、これはゲート電極の空乏化や、反転層が有限の厚みを持つためである。
Cox = (CL2-CL1) / (L2-L1) (6)
Alternatively, the gate oxide film capacitance may be a capacitance per unit area at Vg = V1 obtained from the Cds_g measurement characteristic of the large area MOS transistor. This is because if the gate length and gate width of the MOSFET are increased, the ratio of the overlap length and overlap width to the whole is reduced, and the main component of the capacitance is the oxide film capacitance. Note that the gate oxide film thickness estimated from the capacitance value is thicker than the gate oxide film thickness obtained from the optical measurement, because the gate electrode is depleted and the inversion layer has a finite thickness.

TCADによる解析によりMOSFETが飽和状態にある時、MOSFETのゲート容量Cds_gは酸化膜容量値のゲート長分とゲート電極側面フリンジ容量の和と見なせるため、その関係を満たせれば強反転条件におけるMOSゲート容量シミュレーション値は実測値と一致する。つまり、強反転時のオーバーラップ容量シミュレーション値が酸化膜容量のオーバーラップ長分に相当するように、オーバーラップ長を導出することで、MOSゲート容量のシミュレーション精度を確保できる。上記の方法で導出されたオーバーラップ長が構造から得られるオーバーラップ長とは異なる値を取ったとしても、飽和時の容量は酸化膜容量のゲート長分とゲート電極側面フリンジ容量の和となるため、実測容量値を同じ値を取る。   When the MOSFET is in a saturated state by analysis by TCAD, the gate capacitance Cds_g of the MOSFET can be regarded as the sum of the gate length of the oxide film capacitance value and the gate electrode side surface fringe capacitance. The capacity simulation value matches the actual measurement value. That is, the simulation accuracy of the MOS gate capacitance can be ensured by deriving the overlap length so that the overlap capacitance simulation value at the time of strong inversion corresponds to the overlap length of the oxide film capacitance. Even if the overlap length derived by the above method takes a value different from the overlap length obtained from the structure, the capacitance at saturation is the sum of the gate length of the oxide film capacitance and the fringe capacitance on the side surface of the gate electrode. Therefore, the measured capacity value is the same value.

そのようなオーバーラップ長ΔLは下記の式(7)から求まる。
ΔL = (Cov_model1 − CF_side) / Cox ・・・式(7)
上記の式(7)中のCov_model1は、図6に示すようにトランジスタにチャネルが形成されていないゲート電圧範囲から抽出したオーバーラップ容量パラメータを用いてSPICEシミュレーションして得られる、Vg=V1時のオーバーラップ容量モデル特性値である。この時、オーバーラップ容量モデル特性をシミュレーションする際、オーバーラップ容量モデルが実効チャネル長部分のMOS容量モデルと独立している場合は、実行チャネル長部分のMOSゲート容量成分を、酸化膜厚に相当するパラメータ、BSIM3ではToxを1mというように大きい値を代入してSPICEシミュレーションすることでオーバーラップ容量シミュレーション特性のみ得ることができる。
Such an overlap length ΔL is obtained from the following equation (7).
ΔL = (Cov_model1−CF_side) / Cox (7)
Cov_model1 in the above equation (7) is obtained by SPICE simulation using an overlap capacitance parameter extracted from a gate voltage range in which no channel is formed in the transistor as shown in FIG. 6, when Vg = V1. It is an overlap capacity model characteristic value. At this time, when simulating the overlap capacitance model characteristics, if the overlap capacitance model is independent of the MOS capacitance model of the effective channel length portion, the MOS gate capacitance component of the effective channel length portion corresponds to the oxide film thickness. In the BSIM3 parameter, only overlap capacitance simulation characteristics can be obtained by substituting a large value such as 1 m for Tox and performing SPICE simulation.

つまり、本オーバーラップ長抽出手法はトランジスタモデルBSIM3、もしくはBSIM4のように、内側フリンジ容量を考慮しておらず、オーバーラップ長とオーバーラップ容量の相関が取れていないオーバーラップ容量モデルを用いても、MOSゲート容量シミュレーション精度を確保できる技術である。   In other words, this overlap length extraction method does not consider the inner fringe capacity and does not use the overlap capacity model in which the overlap length and the overlap capacity are not correlated, unlike the transistor model BSIM3 or BSIM4. This is a technology that can ensure the MOS gate capacitance simulation accuracy.

以上のように本発明によると、MOSFETがオンした状態におけるオーバーラップ容量とオーバーラップ長の整合を取り、MOSトランジスタが動作する電圧範囲において、高精度なゲート容量シミュレーション精度を確保できるようになり、より高精度な回路シミュレーションが可能となる。   As described above, according to the present invention, the overlap capacitance and the overlap length in the state where the MOSFET is turned on are matched, and in the voltage range in which the MOS transistor operates, it is possible to ensure a high-accuracy gate capacitance simulation accuracy. More accurate circuit simulation becomes possible.

短チャネルデバイスにおいてもオーバーラップ容量を含めたゲート容量を高精度にシミュレーションできるオーバーラップ容量およびオーバーラップ長を抽出できる。
このよう本発明は、微細化、高集積化あるいは多機能化する半導体装置の実現を容易とし、高性能の半導体装置の実現を促進に寄与できる。
Even in a short channel device, it is possible to extract the overlap capacitance and the overlap length that can simulate the gate capacitance including the overlap capacitance with high accuracy.
As described above, the present invention facilitates the realization of a semiconductor device that is miniaturized, highly integrated, or multi-functional, and can contribute to the promotion of the realization of a high-performance semiconductor device.

(実施の形態1)
図を参照して本発明の(実施の形態1)を説明する。
図2は本発明のMOSFETのオーバーラップ長の抽出装置の構成を示し、図3は同抽出装置を構成する容量計測装置の構成を示す。
(Embodiment 1)
(Embodiment 1) of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 shows the configuration of the MOSFET overlap length extraction device of the present invention, and FIG. 3 shows the configuration of the capacitance measuring device constituting the extraction device.

本発明の大きな特徴は、ゲート−ソース・ドレイン容量特性のゲート電圧依存性から、トランジスタにチャネルが形成されていないゲート電圧範囲でトランジスタモデルを用いてオーバーラップ容量パラメータを抽出しておき、上記抽出済みのパラメータとトランジスタモデルを用いてSPICEシミュレーションを行ってオーバーラップ容量モデル特性を得て、ゲート電圧が電源電圧時のオーバーラップ容量モデル値からフリンジ容量を引いた値を酸化膜容量で割り算することでオーバーラップ長を算出していることである。   A major feature of the present invention is that the overlap capacitance parameter is extracted using a transistor model in a gate voltage range where a channel is not formed in the transistor from the gate voltage dependence of the gate-source / drain capacitance characteristics, and the above extraction is performed. Perform SPICE simulation by using the existing parameters and transistor model to obtain overlap capacitance model characteristics, and divide the value obtained by subtracting the fringe capacitance from the overlap capacitance model value when the gate voltage is the power supply voltage by the oxide film capacitance The overlap length is calculated by

本発明を具現化するために、この例のオーバーラップ長算出装置は図2に示すように、被測定素子群1について、上述のゲート‐ソース・ドレイン間容量を計測する容量計測装置2と、キーボードやマウスなどの入力装置3と、記録媒体4に書き込まれた各種の処理プログラムの制御により動作するCPUなどのデータ処理装置5と、計測データや演算データ等を一時記憶する記憶装置6と、ディスプレイやプリンタなどの出力装置7とから概略構成されている。   In order to embody the present invention, as shown in FIG. 2, an overlap length calculation device of this example includes a capacitance measuring device 2 that measures the gate-source-drain capacitance described above for a device group 1 to be measured, An input device 3 such as a keyboard and a mouse; a data processing device 5 such as a CPU that operates under the control of various processing programs written in the recording medium 4; a storage device 6 that temporarily stores measurement data, calculation data, and the like; An output device 7 such as a display or a printer is schematically configured.

上記容量計測装置2は、図3に示すように、被測定素子群1を取り付けるための素子取付部21とデータ処理装置5の制御により、被測定素子群1の各測定対象素子についてゲート−ソース・ドレイン間の電流・電圧を計測するための計測部22から構成されている。   As shown in FIG. 3, the capacitance measuring device 2 controls the gate-source for each measurement target element of the measured element group 1 under the control of the element mounting portion 21 for mounting the measured element group 1 and the data processing device 5. -It is comprised from the measurement part 22 for measuring the electric current and voltage between drains.

素子取付部21はゲート1g、ソース1s、ドレイン1d、半導体基板1bのそれぞれに電気的に接続される取付端子を有し、これら取付端子は、ウェハ状態の被測定素子群1にプローブを立てる場合にはプローバから成り、被測定素子群1がパッケージに組み込まれている場合は、パッケージ取付用のソケットから成る。なお、ゲート1gと基板1bの間にはゲート絶縁膜1oxが存在する。   The element mounting portion 21 has mounting terminals that are electrically connected to the gate 1g, the source 1s, the drain 1d, and the semiconductor substrate 1b. These mounting terminals are used when a probe is placed on the device group 1 to be measured in a wafer state. Consists of a prober, and when the device group 1 to be measured is incorporated in a package, it consists of a socket for mounting the package. A gate insulating film 1ox exists between the gate 1g and the substrate 1b.

また、計測部22は、各ゲート1gに直流バイアス電圧を印加するための可変の直流バイアス電圧源221と、ゲート1g−ソース1s及びドレイン1d間の印加電圧を計測するための電圧計223と、ゲート1gからソース1s及びドレイン1dに流れる電流を測定するための電流計224とを備えている。   The measurement unit 22 includes a variable DC bias voltage source 221 for applying a DC bias voltage to each gate 1g, a voltmeter 223 for measuring an applied voltage between the gate 1g-source 1s and the drain 1d, And an ammeter 224 for measuring a current flowing from the gate 1g to the source 1s and the drain 1d.

この例では、直流バイアス電圧源221と交流電圧源222とは互いに直列接続され、その一方の出力端は、前記の素子取付端子に接続され、他方の出力端は接地されている。ここで、素子取付部21の基板取付端子は接地され、ソース取付端子、ドレイン取付端子は電流計224を介して接地されている。また、ゲート取付端子とソース・ドレイン取付端子の間には電圧計223が接続されている。このように各測定素子は素子取付部21を介して電気的に計測部22に接続されるようになっている。   In this example, the DC bias voltage source 221 and the AC voltage source 222 are connected in series with each other, one output end of which is connected to the element mounting terminal, and the other output end is grounded. Here, the substrate mounting terminal of the element mounting portion 21 is grounded, and the source mounting terminal and the drain mounting terminal are grounded via the ammeter 224. A voltmeter 223 is connected between the gate mounting terminal and the source / drain mounting terminal. In this way, each measuring element is electrically connected to the measuring section 22 via the element mounting section 21.

また、上記記録媒体4には、データ処理装置5に各種処理機能を実現させるための容量計測プログラム4a、容量曲線算出プログラム4b、容量特性微分計算プログラム4c、オーバーラップ容量パラメータ抽出プログラム4d、オーバーラップ容量特性表示プログラム4e、ゲート酸化膜厚算出プログラム4f、フリンジ容量算出プログラム4g、およびオーバーラップ長算出プログラム4hが記憶されている。   The recording medium 4 also includes a capacity measurement program 4a, a capacity curve calculation program 4b, a capacity characteristic differential calculation program 4c, an overlap capacity parameter extraction program 4d, an overlap, and the like for realizing various processing functions in the data processing device 5. A capacity characteristic display program 4e, a gate oxide film thickness calculation program 4f, a fringe capacity calculation program 4g, and an overlap length calculation program 4h are stored.

容量計測プログラム4aは、容量計測装置2を制御してゲート電圧Vgを順次変化させて、ゲート電圧ごとにゲート−ソース・ドレイン間容量Cgの算出に必要な電流・電圧計測を行う手順を、データ処理装置5に実行させる。   The capacity measurement program 4a controls the capacity measurement device 2 to sequentially change the gate voltage Vg, and performs a procedure for performing current / voltage measurement necessary for calculating the gate-source-drain capacity Cg for each gate voltage. The processing device 5 is executed.

容量計測プログラム4bは、容量計測装置2の計測結果に基づいて各測定対象素子に対して上記ゲート−ソース・ドレイン間容量Cgのゲート電圧Vg依存性を求め、図4のようなCg−Vg特性の導出をデータ処理装置5に実行させる。   The capacitance measurement program 4b obtains the gate voltage Vg dependency of the gate-source-drain capacitance Cg for each measurement target element based on the measurement result of the capacitance measurement device 2, and the Cg-Vg characteristic as shown in FIG. Is derived by the data processing device 5.

容量特性微分計算プログラム4cは、各測定対象素子において、チャネルが形成され始める領域のゲートバイアス電圧での上記Cgのゲート電圧による微分値を算出する処理をデータ処理装置5に実行させ、図5のような特性を得て、MOSFETチャネルが形成されはじめるゲート電圧Vg=Vxを求める。   The capacity characteristic differential calculation program 4c causes the data processing device 5 to execute a process of calculating a differential value based on the gate voltage of Cg at the gate bias voltage in a region where a channel starts to be formed in each measurement target element. Obtaining such characteristics, a gate voltage Vg = Vx at which a MOSFET channel starts to be formed is obtained.

オーバーラップ容量パラメータ抽出プログラム4dは、測定対象素子において、チャネル領域が形成されないゲートバイアス条件でのCgのゲート長依存性に対して、シミュレーション特性を合わせ込むことでオーバーラップ容量に関連するパラメータ抽出処理を行う。トランジスタモデルBSIM3、もしくはトランジスタモデルBSIM4を用いる場合においては、パラメータCGSO,CGDO,CGSL,CGDL,CGBO,CKAPPA,CFを用いて、最小自乗法を用いて実測特性にシミュレーション特性を合わせ込むことで抽出する。   The overlap capacitance parameter extraction program 4d is a parameter extraction process related to overlap capacitance by combining simulation characteristics with the gate length dependency of Cg under a gate bias condition in which a channel region is not formed in the measurement target element. I do. In the case of using the transistor model BSIM3 or the transistor model BSIM4, extraction is performed by using the parameters CGSO, CGDO, CGSL, CGDL, CGBO, CKAPPA, CF and combining the simulation characteristics with the measured characteristics using the least square method. .

オーバーラップ容量特性表示プログラム4eは、オーバーラップ容量パラメータ抽出プログラム4dで抽出されたパラメータを使ってSPICEシミュレーションをすることで、図6のようなオーバーラップ容量モデル特性をディスプレイ上に表示させる。   The overlap capacity characteristic display program 4e performs SPICE simulation using the parameters extracted by the overlap capacity parameter extraction program 4d to display the overlap capacity model characteristics as shown in FIG. 6 on the display.

ゲート酸化膜容量算出プログラム4fは、容量計測プログラム4bで得られたゲート長の異なるMOSFETのCds_g特性から、飽和状態となるゲート電圧をV1となるときの容量値をCL1,CL2とすると、オーバーラップ長抽出用素子のゲート幅分の、単位ゲート幅辺りのゲート酸化膜容量を前記の式(6)から計算する。   Based on the Cds_g characteristics of the MOSFETs having different gate lengths obtained by the capacitance measurement program 4b, the gate oxide film capacitance calculation program 4f is overlapped if the capacitance values when the gate voltage to be saturated is V1 are CL1 and CL2. The gate oxide film capacity per unit gate width corresponding to the gate width of the long extraction element is calculated from the above equation (6).

Cox = (CL2−CL1) / (L2−L1) ・・・式(6)
フリンジ容量算出プログラム4gは、MOSFETのL方向断面構造をデバイスシミュレータ上に再現し、ゲート電極側面付近のメッシュを増加させ、図9(a)に示すようにゲート電極を電極端で分割し、分割した方の電極105をダミーゲートとすると、ダミーゲート−ソース間の容量を解析して、側面フリンジ容量CF_sideと酸化膜を介した容量CF_oxの和を算出する。更に、酸化膜を介した容量成分CF_oxを除去するため、分割した電極長さL_flinge分を切り出した構造を図9(b)に示すようにTCAD(Technology Computer Aided Design)シミュレータ上で作成し、上記構造でダミーゲート−ソース間の容量CF_oxを解析して、図9(a)の解析値からCF_oxを除去することで、側面フリンジ容量CF_sideを算出する。
Cox = (CL2-CL1) / (L2-L1) (6)
The fringe capacity calculation program 4g reproduces the L-direction cross-sectional structure of the MOSFET on the device simulator, increases the mesh near the side surface of the gate electrode, divides the gate electrode at the electrode end as shown in FIG. If the electrode 105 is a dummy gate, the capacitance between the dummy gate and the source is analyzed, and the sum of the side fringe capacitance CF_side and the capacitance CF_ox via the oxide film is calculated. Further, in order to remove the capacitive component CF_ox via the oxide film, a structure obtained by cutting out the divided electrode length L_flinge is created on a TCAD (Technology Computer Aided Design) simulator as shown in FIG. The side-side fringe capacitance CF_side is calculated by analyzing the capacitance CF_ox between the dummy gate and the source in the structure and removing CF_ox from the analysis value of FIG.

そして、オーバーラップ長算出プログラム4hは、オーバーラップ容量特性表示プログラム4eで得られたオーバーラップ容量モデル特性から、Vg=V1となる電圧条件で容量値Cov_model1を読み取り、この値からフリンジ容量算出プログラム4gで得られたフリンジ容量CF_sideを引き算したものをゲート酸化膜容量算出プログラム4fで得られた単位ゲート長さ辺りの酸化膜容量Coxで割り算する前記の式(7)の処理を行ってオーバーラップ長を抽出している。   Then, the overlap length calculation program 4h reads the capacitance value Cov_model1 under the voltage condition of Vg = V1 from the overlap capacitance model characteristic obtained by the overlap capacitance characteristic display program 4e, and from this value, the fringe capacitance calculation program 4g The overlap length obtained by subtracting the fringe capacitance CF_side obtained in the above step is divided by the oxide film capacitance Cox around the unit gate length obtained by the gate oxide capacitance calculation program 4f. Is extracted.

ΔL = (Cov_model − CF_side) / Cox ・・・式(7)
なお、記録媒体4は、磁気ディスク、磁気テープ等の磁気的メモリ、ROMやRAMなどの半導体メモリ、CR−ROMなどの光磁気メモリ、光学的メモリその他の記録媒体でもよい。
ΔL = (Cov_model−CF_side) / Cox (7)
The recording medium 4 may be a magnetic memory such as a magnetic disk or a magnetic tape, a semiconductor memory such as a ROM or a RAM, a magneto-optical memory such as a CR-ROM, an optical memory, or another recording medium.

なお、上述の装置はアジレント・テクノロジ(株)のICCAP、シルバコ・ジャパン(株)のUTMOST等の測定抽出ソフトウェアに、TCADソフトウェアを組み合わせることで実現できる。   The above-described apparatus can be realized by combining TCAD software with measurement extraction software such as ICCAP of Agilent Technologies, UTMOST of Silvaco Japan.

次に、図1のフローチャートなどを参照して、本発明の特徴となるオーバーラップ長ΔL抽出の手順を説明する。
まず、デバイスパラメータの抽出を行う対象の素子群を用意し、これを容量計測装置2の素子取付部21に取り付けておく。この取り付けは、図2に示すようになる。
Next, a procedure for extracting the overlap length ΔL, which is a feature of the present invention, will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, an element group to be subjected to device parameter extraction is prepared and attached to the element attaching portion 21 of the capacitance measuring apparatus 2. This attachment is as shown in FIG.

こうして、ゲート1gに直流バイアス電源221と交流電圧源222とが接続され、ソース端子及びドレイン端子は、電流計224を介して接地される。なお、ゲート取付端子とソース取付端子およびドレイン取付端子の間には、電圧計223が接続されているので、ゲート−ソース・ドレイン間の印加電圧が測定可能な状態である。   Thus, the DC bias power source 221 and the AC voltage source 222 are connected to the gate 1g, and the source terminal and the drain terminal are grounded via the ammeter 224. Since the voltmeter 223 is connected between the gate mounting terminal, the source mounting terminal, and the drain mounting terminal, the applied voltage between the gate, the source, and the drain can be measured.

この状態で入力装置3から測定開始の指示が与えられると、容量計測制御プログラム4aが記録媒体4からデータ処理装置5に読込まれ、データ処理装置5の動作を制御する。データ処理装置5は、容量計測プログラム4aの制御により、MISFETの容量計測処理(ステップ1)を実行する。   When an instruction to start measurement is given from the input device 3 in this state, the capacity measurement control program 4a is read from the recording medium 4 to the data processing device 5 to control the operation of the data processing device 5. The data processing device 5 executes a MISFET capacitance measurement process (step 1) under the control of the capacitance measurement program 4a.

(ステップ1)においては、データ処理装置5は可変の直流バイアス電圧源221によりゲート電圧VgをMOSトランジスタのゲート1gに印加し、更に交流電圧源222により、10kHz〜100kHzの振幅100mVの交流電圧を加えて、電流計224で交流電流値を測定し容量値に換算する。このようにして、所定のゲート電圧Vgでのゲート−ソース・ドレイン間容量Cgを測定する。そして、この容量測定は、複数の測定対象nチャネル素子を順次切り替えながら行う。この際、測定対象素子は、同一プロセス、同一ウェハ上で作成したものとし、ゲート幅は10μmで同一とし、ゲート長は使用プロセスの最小寸法から、数μm程度の範囲で2つ以上を用意しておく。また、大面積nMOSトランジスタ(ゲート長100μm、ゲート幅100μm)も用意しておく。   In (Step 1), the data processing device 5 applies the gate voltage Vg to the gate 1g of the MOS transistor by the variable DC bias voltage source 221 and further applies an AC voltage having an amplitude of 100 mV from 10 kHz to 100 kHz by the AC voltage source 222. In addition, an alternating current value is measured with an ammeter 224 and converted into a capacitance value. In this way, the gate-source-drain capacitance Cg at a predetermined gate voltage Vg is measured. The capacitance measurement is performed while sequentially switching a plurality of measurement target n-channel elements. At this time, it is assumed that the elements to be measured are created on the same process and on the same wafer, the gate width is the same at 10 μm, and the gate length is two or more in the range of several μm from the minimum dimension of the process used. Keep it. A large-area nMOS transistor (gate length 100 μm, gate width 100 μm) is also prepared.

なお、上記Cgの測定にあたって、パッド容量や配線容量を無視できない場合には、あらかじめパッド容量や配線容量を測定できるパターンを作っておき、実測しておく。次に、算出されたCgからパッド容量や配線容量の実測値を減算する。   In the measurement of Cg, if the pad capacity and the wiring capacity cannot be ignored, a pattern capable of measuring the pad capacity and the wiring capacity is made in advance and measured. Next, the measured values of the pad capacitance and the wiring capacitance are subtracted from the calculated Cg.

次に、(ステップ2)にて、上記容量計測処理にて得られた容量値からゲート容量(Cg)のゲート電圧(Vg)依存性を算出する。このようにして容量Cg−ゲート電圧Vg曲線を導出する。この曲線の例を図4に示す。図4では横軸にゲート電圧Vg、縦軸に上記容量Cgを示している。   Next, in (Step 2), the gate voltage (Vg) dependency of the gate capacitance (Cg) is calculated from the capacitance value obtained by the capacitance measurement process. In this way, the capacitance Cg-gate voltage Vg curve is derived. An example of this curve is shown in FIG. In FIG. 4, the horizontal axis represents the gate voltage Vg, and the vertical axis represents the capacitance Cg.

図4に示すように、ゲート電圧Vgが増大すると、Cgは特徴的なパターンで増加する。これについて簡単に説明する。ゲート電圧VgがnMOSトランジスタのしきい値以下であると、MOSトランジスタはオフ状態であり、MOSトランジスタのチャネル領域の電荷は、上記交流電圧に対して応答しない。このためにCgは小さな値である。ゲート電圧が増大し、しきい値を超えてくると、反転層がチャネル領域に形成され、Cgが増加する。そして、ゲート絶縁膜下の基板表面が完全に反転し充分な電子キャリア層が形成されると、Cg値は飽和するようになる。この飽和する領域での所定のVg、すなわち、図4に示すV1でのMOSFETのCg値をCLとする。   As shown in FIG. 4, when the gate voltage Vg increases, Cg increases in a characteristic pattern. This will be briefly described. When the gate voltage Vg is less than or equal to the threshold value of the nMOS transistor, the MOS transistor is in an off state, and the charge in the channel region of the MOS transistor does not respond to the AC voltage. For this reason, Cg is a small value. When the gate voltage increases and exceeds the threshold value, an inversion layer is formed in the channel region, and Cg increases. When the substrate surface under the gate insulating film is completely inverted and a sufficient electron carrier layer is formed, the Cg value becomes saturated. A predetermined Vg in this saturation region, that is, the Cg value of the MOSFET at V1 shown in FIG.

次に(ステップ3)では、上記Cg特性をゲート電圧で微分した特性、すなわち図5を描かせ、微分特性がゲート電圧の増加に対して急峻に立ち上がる点をVxとし、そのゲート電圧以下をMOSFETにチャネルが形成されていない電圧範囲とする。なお、上記Vxは(特許文献2)の図5のVxと同じくする。   Next, in (Step 3), a characteristic obtained by differentiating the Cg characteristic with respect to the gate voltage, that is, FIG. 5 is drawn, and a point where the differential characteristic rises sharply with an increase in the gate voltage is defined as Vx. In the voltage range in which no channel is formed. Note that Vx is the same as Vx in FIG. 5 of (Patent Document 2).

次に(ステップ4)では、上記の容量Cg−Vg特性に対して、Vg≦Vxの電圧範囲で、トランジスタモデルBSIM3、もしくはBSIM4を用い、SPICEシミュレーション容量特性を合わせ込むことでSPICEパラメータ抽出を行う。   Next, in (Step 4), SPICE parameter extraction is performed by using the transistor model BSIM3 or BSIM4 in the voltage range of Vg ≦ Vx with respect to the capacitance Cg−Vg characteristic, and combining the SPICE simulation capacitance characteristic. .

次に(ステップ5)では、(ステップ4)で得られたオーバーラップ容量モデルパラメータを用いてSPICEシミュレーションを行うことで、オーバーラップ容量モデル特性を得る。この際、オーバーラップ容量特性のみを表示させるため、実効チャネル長部分のMOS容量は除外してシミュレーションを行う。具体的にはトランジスタモデルBSIM3、BSIM4では、実効チャネル長部分のMOS容量とオーバーラップ容量の式が独立しており、ゲート酸化膜厚に相当するパラメータを1mなどというように大きい値を代入してシミュレーションすることで得ることができる。ここでMOSFETが飽和状態にある、Vg=V1のオーバーラップ容量モデル値をCov_model1と呼ぶことにする。   Next, in (Step 5), SPICE simulation is performed using the overlap capacitance model parameter obtained in (Step 4), thereby obtaining an overlap capacitance model characteristic. At this time, in order to display only the overlap capacitance characteristic, the simulation is performed by excluding the MOS capacitance of the effective channel length portion. Specifically, in the transistor models BSIM3 and BSIM4, the formulas of the MOS capacitance and the overlap capacitance of the effective channel length portion are independent, and a large value such as 1 m is substituted for the parameter corresponding to the gate oxide film thickness. It can be obtained by simulation. Here, an overlap capacitance model value of Vg = V1 in which the MOSFET is saturated is referred to as Cov_model1.

次に(ステップ6)では、ゲート長がL1,L2と異なるMOSFETのゲート−ソース・ドレイン容量値 CL1,CL2から、式(6)を用いて単位ゲート長辺りのゲート酸化膜容量を導出する。   Next, in (Step 6), the gate oxide film capacitance per unit gate length is derived from the gate-source / drain capacitance values CL1 and CL2 of the MOSFETs whose gate lengths are different from L1 and L2 using Equation (6).

次に(ステップ7)では、nMOS・Trの断面をTEM、もしくはSEMなどで測定しておき、得られたゲート断面構造からデバイスシミュレータ等を用いてフリンジ容量を解析して得る。具体的にはフリンジ容量は、図13に示すように、ゲート電極側面近くに、フリンジ容量導出用の電極を配置してデバイスシミュレーションをすることで得られる。   Next, in (Step 7), the cross section of the nMOS • Tr is measured with a TEM, SEM, or the like, and the fringe capacitance is analyzed from the obtained gate cross-sectional structure using a device simulator or the like. Specifically, as shown in FIG. 13, the fringe capacitance can be obtained by arranging a fringe capacitance deriving electrode near the side surface of the gate electrode and performing device simulation.

(ステップ8)では、(ステップ5)で得たモデルのオーバーラップオン容量Cov_model1から(ステップ7)で得たフリンジ容量CF_sideを引いた値を、(ステップ6)で得られた単位ゲート長辺りの酸化膜容量Coxで割り算することでΔLを算出する。   In (Step 8), the value obtained by subtracting the fringe capacity CF_side obtained in (Step 7) from the overlap-on capacity Cov_model1 of the model obtained in (Step 5) is the unit gate length obtained in (Step 6). ΔL is calculated by dividing by the oxide film capacitance Cox.

この実施の形態では、MOSトランジスタが微細化する場合においても、容易に正確な容量シミュレーションを可能とするオーバーラップ長ΔLを抽出することができる。
(実施の形態2)
上記(実施の形態1)のうち、(ステップ6)で単位ゲート長辺りの酸化膜容量を、大面積MOSFETのゲート−ソース・ドレイン容量実測特性のVg=V1となる容量値から換算することを特徴としている。
In this embodiment, even when the MOS transistor is miniaturized, it is possible to easily extract the overlap length ΔL that enables accurate capacitance simulation.
(Embodiment 2)
Of the above (Embodiment 1), converting the oxide film capacitance per unit gate length in (Step 6) from the capacitance value of Vg = V1 of the gate-source / drain capacitance measurement characteristics of the large-area MOSFET. It is a feature.

オーバーラップ長抽出素子と同じゲート幅辺りの、単位ゲート長辺りの酸化膜容量を後の計算に使うので、オーバーラップ長抽出用素子のゲート幅をW_covとするとCox=CL/W/L・W_cov として算出する。後の形態は(実施の形態1)と同じくする。   Since the oxide film capacitance around the unit gate length around the same gate width as that of the overlap length extraction element is used in the subsequent calculation, if the gate width of the overlap length extraction element is W_cov, Cox = CL / W / L · W_cov Calculate as The subsequent form is the same as that of (Embodiment 1).

なお、上記の各実施の形態において回路シミュレータとしてSPICEシミュレータと一般に呼ばれているアナログ・シミュレーションを行うCADを使用したが、商品名:HSPICE (米国 SYNOPSYS(シノプシス)社)や商品名:SmartSpice (米国 SILVACO(シルバコ)社)などを使用して同様に実施できる。また、商品名:Eldo (米国 Mentor Graphics(メンター・グラフィックス)社)なども上記の回路シミュレータとして使用して同様に実施できる。   In each of the above embodiments, a CAD that performs analog simulation generally called a SPICE simulator is used as a circuit simulator. However, the product name is HSPICE (US SYNOPSYS (US)) and the product name is SmartSpice (US). SILVACO (Silvaco)) can be used in the same manner. The product name: Eldo (Mentor Graphics, USA) can also be used as the circuit simulator.

本発明のMOSFETの特性抽出方法は、低しきい値となる各種の微細デバイスの高精度な容量シミュレーションを実現するのに有用である。   The MOSFET characteristic extraction method of the present invention is useful for realizing high-accuracy capacitance simulation of various fine devices having a low threshold value.

本発明のオーバーラップ長抽出の手順を示したフロー図The flowchart which showed the procedure of overlap length extraction of this invention 本発明の実施の形態のMOSFETの特性抽出装置の構成図Configuration diagram of MOSFET characteristic extraction apparatus according to an embodiment of the present invention 同実施の形態の容量計測装置の構成図Configuration diagram of the capacity measuring apparatus of the embodiment 本発明に使用するゲート容量(Cg)−ゲート電圧(Vg)特性を示したグラフThe graph which showed the gate capacity (Cg) -gate voltage (Vg) characteristic used for this invention 上記Cg−Vg特性で、CgをVgで1回微分した場合のグラフGraph when Cg is differentiated once by Vg with the above Cg-Vg characteristics 本発明で特徴となるオーバーラップ容量モデル特性のゲート電圧依存性を表示した例を示した図The figure which showed the example which displayed the gate voltage dependence of the overlap capacity model characteristic which is the feature of the present invention オーバーラップ長ΔLを説明するためのデバイス断面図Device sectional view for explaining overlap length ΔL チャネルが形成されていない状態におけるゲート−ソース間に付随する容量成分を示した図The figure which showed the capacity | capacitance component accompanying a gate-source in the state in which the channel is not formed. 本発明におけるゲート電極側面フリンジ容量を求めるTCAD解析例を示した図The figure which showed the TCAD analysis example which calculates | requires the gate electrode side surface fringe capacity | capacitance in this invention 第1の従来例のオーバーラップ長抽出方法を説明するための図で、実行ゲート電圧Vge毎のチャネル抵抗Rのゲート長依存性を示した図FIG. 6 is a diagram for explaining the overlap length extraction method of the first conventional example, showing the gate length dependence of the channel resistance R for each execution gate voltage Vge; 第2の従来例のオーバーラップ長抽出方法を説明するための図で、Cgゲート容量のゲート長依存性を示した図The figure for demonstrating the overlap length extraction method of the 2nd prior art example, and the figure which showed the gate length dependence of Cg gate capacity 第2の従来例のオーバーラップ長抽出フロー図Overlap length extraction flow diagram of the second conventional example

符号の説明Explanation of symbols

1 被測定素子群
1g ゲート
1ox ゲート酸化膜
1s ソース(拡散層領域)
1d ドレイン(拡散層領域)
1b 基板(半導体基板)
2 容量計測装置
21 素子取付部
22 計測部
221 直流バイアス電圧源
222 交流電圧源
223 電圧計
224 電流計
4 記録媒体
4a 容量計測プログラム
4b 容量曲線算出プログラム
4c 容量特性微分計算プログラム
4d オーバーラップ容量パラメータ抽出プログラム
4e オーバーラップ容量モデル特性表示プログラム
4f ゲート酸化膜容量算出プログラム
4g フリンジ容量算出プログラム
4h オーバーラップ長算出プログラム
1 Device group to be measured 1g Gate 1ox Gate oxide film 1s Source (diffusion layer region)
1d drain (diffusion layer region)
1b Substrate (semiconductor substrate)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Capacity measuring device 21 Element attachment part 22 Measuring part 221 DC bias voltage source 222 AC voltage source 223 Voltmeter 224 Ammeter 4 Recording medium 4a Capacity measurement program 4b Capacity curve calculation program 4c Capacity characteristic differential calculation program 4d Overlap capacity parameter extraction Program 4e Overlap capacitance model characteristic display program 4f Gate oxide film capacitance calculation program 4g Fringe capacitance calculation program 4h Overlap length calculation program

Claims (7)

MOSFETゲート−ソース・ドレイン間の容量特性を測定し、
MOSFETのチャネルが形成されないゲート電圧範囲でトランジスタモデルと回路シミュレータを用いて実測特性にシミュレーション特性を合わせ込むことでオーバーラップ容量パラメータをモデルパラメータとして抽出し、
上記モデルパラメータを用いてオーバーラップ容量モデル特性のゲート電圧依存性を得て飽和状態におけるオーバーラップ容量モデル特性値からフリンジ容量を引いた値を酸化膜容量値で割り算してオーバーラップ長を抽出する
MOSFETの特性抽出方法。
Measure the capacitance characteristics between MOSFET gate-source-drain,
Overlapping capacitance parameters are extracted as model parameters by combining the simulation characteristics with the measured characteristics using the transistor model and circuit simulator in the gate voltage range where the MOSFET channel is not formed,
Using the above model parameters, the gate voltage dependence of the overlap capacitance model characteristics is obtained, and the overlap length is extracted by dividing the value obtained by subtracting the fringe capacitance from the overlap capacitance model characteristic value in the saturated state by the oxide film capacitance value. MOSFET characteristic extraction method.
上記オーバーラップ容量モデル特性のゲート電圧依存性を回路シミュレーションして得る際に、実行チャネル長部分のMOSゲート容量を除外してオーバーラップ容量のみ表示させることを特徴とする
請求項1記載のMOSFETの特性抽出方法。
2. The MOSFET according to claim 1, wherein when the gate voltage dependence of the overlap capacitance model characteristic is obtained by circuit simulation, only the overlap capacitance is displayed excluding the MOS gate capacitance of the execution channel length portion. Characteristic extraction method.
前記フリンジ容量を、MOSFETの断面構造をTCAD、もしくは容量シミュレータ上で再現し、ゲート電極側面付近のメッシュを増加させてゲート電極を電極端で分割し、分割した電極を用いてゲート電極側面フリンジ容量を求めることを特徴とする
請求項1記載のMOSFETの特性抽出方法。
The fringe capacitance is reproduced on the TCAD or capacitance simulator of the cross-sectional structure of the MOSFET, the gate electrode is divided at the electrode end by increasing the mesh near the gate electrode side surface, and the gate electrode side surface fringe capacitance is obtained using the divided electrodes. The MOSFET characteristic extraction method according to claim 1, wherein:
前記酸化膜容量を、オーバーラップ容量測定素子と同一ウェハ上に形成され、同じゲート幅を持ち異なるゲート長を有する2つのMOSFETのゲート−ソース・ドレイン間の容量特性を測定しておき、容量値の差をゲート長の差で割り算することで、単位ゲート長さ辺りの酸化膜容量を求めることを特徴とする
請求項1記載のMOSFETの特性抽出方法。
The capacitance of the oxide film is measured on the capacitance value between the gate and source / drain of two MOSFETs formed on the same wafer as the overlap capacitance measuring element and having the same gate width and different gate length. 2. The MOSFET characteristic extraction method according to claim 1, wherein the oxide film capacitance per unit gate length is obtained by dividing the difference by the gate length difference.
あるいは前記ゲート酸化膜容量を、オーバーラップ容量測定素子と同一ウェハ上に形成された大面積MOSFETのゲート−ソース・ドレイン間の容量値から単位面積あたりの容量をゲート酸化膜容量として計算することを特徴とする
請求項1記載のMOSFETの特性抽出方法。
Alternatively, the capacitance per unit area is calculated as the gate oxide film capacitance from the capacitance value between the gate, source and drain of the large area MOSFET formed on the same wafer as the overlap capacitance measuring element. The MOSFET characteristic extraction method according to claim 1, wherein:
MOSFETゲート−ソース・ドレイン間の容量を測定する手段と、
MOSFETのチャネルが形成されないゲート電圧範囲でオーバーラップ容量をモデルパラメータとして抽出する手段と、
上記モデルパラメータを用いてオーバーラップ容量特性を回路シミュレーションする手段と、
異なるゲート長を持つMOSFETの容量特性から酸化膜容量値を導出する手段と、
デバイス断面構造からTCADシミュレーションによりゲート電極側面フリンジ容量を導出する手段と、
使用する電源電圧となる条件でのオーバーラップ容量シミュレーション値からフリンジ容量値を引き算した値を酸化膜容量で割り算してオーバーラップ長を導出する手段と
を備えたMOSFETの特性抽出装置。
Means for measuring the capacitance between the MOSFET gate-source and drain;
Means for extracting an overlap capacitance as a model parameter in a gate voltage range in which a MOSFET channel is not formed;
Means for circuit simulation of overlap capacitance characteristics using the model parameters;
Means for deriving an oxide film capacitance value from the capacitance characteristics of MOSFETs having different gate lengths;
Means for deriving the fringe capacitance of the side surface of the gate electrode from the device cross-sectional structure by TCAD simulation;
A MOSFET characteristic extraction device comprising: means for deriving an overlap length by dividing a value obtained by subtracting a fringe capacitance value from an overlap capacitance simulation value under a condition of a power supply voltage to be used by an oxide film capacitance.
請求項1記載のMOSFETの特性抽出方法をデータ処理装置を使用して実行するに必要なプログラムが記録された記録媒体。   A recording medium on which a program necessary for executing the MOSFET characteristic extraction method according to claim 1 using a data processor is recorded.
JP2003290981A 2003-08-11 2003-08-11 Method of extracting characteristic of mosfet Pending JP2005064164A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003290981A JP2005064164A (en) 2003-08-11 2003-08-11 Method of extracting characteristic of mosfet

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003290981A JP2005064164A (en) 2003-08-11 2003-08-11 Method of extracting characteristic of mosfet

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005064164A true JP2005064164A (en) 2005-03-10

Family

ID=34368816

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003290981A Pending JP2005064164A (en) 2003-08-11 2003-08-11 Method of extracting characteristic of mosfet

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005064164A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100744939B1 (en) 2006-08-16 2007-08-01 동부일렉트로닉스 주식회사 Calculation method of capacitance for ldmos transistor
CN113792510A (en) * 2021-09-27 2021-12-14 广州粤芯半导体技术有限公司 Simulation method of MOSFET
CN114462348A (en) * 2022-02-07 2022-05-10 北京华大九天科技股份有限公司 Capacitor extraction method under mos tube conduction condition

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100744939B1 (en) 2006-08-16 2007-08-01 동부일렉트로닉스 주식회사 Calculation method of capacitance for ldmos transistor
CN113792510A (en) * 2021-09-27 2021-12-14 广州粤芯半导体技术有限公司 Simulation method of MOSFET
CN113792510B (en) * 2021-09-27 2024-03-15 粤芯半导体技术股份有限公司 Simulation method of MOSFET
CN114462348A (en) * 2022-02-07 2022-05-10 北京华大九天科技股份有限公司 Capacitor extraction method under mos tube conduction condition

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9639652B2 (en) Compact model for device/circuit/chip leakage current (IDDQ) calculation including process induced uplift factors
US7263477B2 (en) Method and apparatus for modeling devices having different geometries
JP4214775B2 (en) Semiconductor device characteristic simulation method and semiconductor device characteristic simulator
Aarts et al. A surface-potential-based high-voltage compact LDMOS transistor model
JP2004200461A5 (en)
JP2008085030A (en) Circuit simulation method and circuit simulation apparatus
JP3269459B2 (en) MISFET overlap length measuring method, measuring device, and recording medium recording extraction program
Sadachika et al. Completely surface-potential-based compact model of the fully depleted SOI-MOSFET including short-channel effects
WO2012126237A1 (en) Method for modeling soi field-effect transistor spice model series
US20110184708A1 (en) Simulation method and simulation apparatus
Thakker et al. A novel table-based approach for design of FinFET circuits
US8849643B2 (en) Table-lookup-based models for yield analysis acceleration
TW200921444A (en) Simulation method and simulation apparatus for LDMOSFET
Shi et al. A novel compact high-voltage LDMOS transistor model for circuit simulation
US8271254B2 (en) Simulation model of BT instability of transistor
JP2005259778A (en) Method of simulating reliability of semiconductor device
JP2005064164A (en) Method of extracting characteristic of mosfet
JP4748552B2 (en) MISFET overlap length extraction method, extraction apparatus, and recording medium storing extraction program
US20110238393A1 (en) Spice model parameter output apparatus and method, and recording medium
JP2007272392A (en) Circuit simulation unit
Chalkiadaki et al. Evaluation of the BSIM6 compact MOSFET model's scalability in 40nm CMOS technology
JP2005340340A (en) Semiconductor simulation apparatus and method therefor
Angelov et al. MOSFET models at the edge of 100-nm sizes
Hu Compact modeling for the changing transistor
JP2011215749A (en) Method, program and apparatus for supporting designing of semiconductor device