基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型及建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型及建模方法，包括：步骤1，流片测试得到实测数据；步骤2，选择目标MOS器件和待调准的电学特性参数；步骤3，进行拟合，建立MOS器件的BSIM4直流温度模型；步骤4，在经过拟合的BSIM4直流温度模型基础上，针对目标MOS器件和待调准的电学特性参数涉及的模型参数分别建立子电路温度模型；步骤5，对子电路温度模型分别进行曲线拟合，如果拟合结果与实测数据一致，则进入步骤6，否则调整子电路温度模型的相应参数，并重复该步骤；步骤6，建模结束。本发明专利技术在BSIM4模型基础上增加子电路温度模型，使MOS器件的直流温度模型更准确地反映实测数据，克服了原有MOS器件的BSIM4直流温度模型不能同时调准Idlin和Idsat的缺陷。

Subcircuit Temperature Model and Modeling Method of MOS Devices Based on BSIM4 Model

The invention discloses a sub-circuit temperature model and its modeling method of MOS device based on BSIM4 model, which includes: step 1, the measured data are obtained by stream test; step 2, selecting the target MOS device and the electrical characteristic parameters to be adjusted; step 3, fitting, establishing the BSIM4 DC temperature model of MOS device; step 4, aiming at the BSIM4 DC temperature model after fitting. The sub-circuit temperature model is established by the model parameters of the target MOS device and the electrical characteristic parameters to be adjusted respectively. Fifth step, the sub-circuit temperature model is fitted by curve. If the fitting results are consistent with the measured data, step 6 is taken. Otherwise, the corresponding parameters of the sub-circuit temperature model are adjusted and the step is repeated. Step 6, the modeling is completed. The invention adds a sub-circuit temperature model on the basis of BSIM4 model to make the DC temperature model of MOS device more accurately reflect the measured data, and overcomes the defect that the BSIM4 DC temperature model of the original MOS device can not adjust both Idlin and Idsat.

【技术实现步骤摘要】
基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型及建模方法
本专利技术涉及半导体集成电路领域的SPICE建模技术，具体涉及一种基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型及建模方法。
技术介绍
SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)是一种用于电路描述和仿真的语言与仿真器软件，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。如果想要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、双极性晶体管BJT以及相关的后端金属互联层电容(MOM电容)、MOSFET的寄生电阻Resistor、MOS变容管(MOSVaractor)、二极管Diode等模型。SPICE模型的目标就是使用BSIM模型将器件的IV曲线以及电学参数随尺寸变化的趋势都拟合准确，提取出正确的BSIM模型参数组。目前，SPICE建模主要使用BSIM4模型对MOS管的直流特性进行建模。通常，在25度常温下对MOS管直流特性建模，然后还需要对-40℃、-15℃、25℃、85℃、125℃五个温度进行数据测试并进行温度模型的建模，使SPICE模型能够准确反映-40℃到125℃范围内的MOS管电学特性，其中MOS管器件的几个常见电学特性参数定义如表1所示，其中Vds为源漏电压，Vgs为栅源电压，Ids为源漏电流，Vbs为衬底与源之间的电压差，Vdd为工作电压。表1饱和电流Idsat当Vds＝Vdd、Vgs＝Vdd、Vbs＝0v时Ids的值线性电流Idlin当Vds＝50mV、Vgs＝Vdd、Vbs＝0v时Ids的值关断电流Idoff当Vds＝Vdd、Vgs＝0V、Vbs＝0v时Ids的值线性阈值电压Vtlin当Ids＝-40nA*(W/L)、Vds＝-50mV时Vgs的值饱和阈值电压Vtsat当Ids＝-40nA*(W/L)、Vds＝Vdd时Vgs的值BSIM4模型是加州大学伯克利分校的研发人员基于物理方法推导而开发的MOS器件模型，目前这个模型已经成功应用在主流芯片制造厂生产线的28nm及28nm以上的技术节点中。BSIM4能够准确反映MOS器件尺寸由于不断缩小所产生的各种特殊物理效应，而且能够利用BINNING参数对一种MOS管类型的几十甚至上百颗(例如80颗)不同尺寸的器件建立一个统一的模型。目前，建模过程中经常发现利用BSIM4中的经验公式在进行具体的SPICE温度模型拟合时无法同时对线性电流Idlin和饱和电流Idsat实现准确拟合，这就反映出该模型在实际应用中的局限性，具体参见图1至图4所示，分别为基于BSIM4模型对大尺寸MOS器件(W/L＝9μm/9μm)、短沟道MOS器件(W/L＝9μm/0.36μm)、窄沟道MOS器件(W/L＝0.342μm/9μm)、小尺寸MOS器件(W/L＝0.342μm/0.36μm)中的NMOSIO2.5VOVERDRIVE3.3V(即工作电压原为2.5V的用于输入输出(IO)电路的NMOS过载到3.3V的情况)完成BSIM4的MOSFET温度模型建模后，在不同温度下四个电学特性参数(线性阈值电压Vtlin、饱和阈值电压Vtsat、线性电流Idlin、饱和电流Idsat)的模型曲线与实测数据的对比图。大尺寸器件就是器件阵列中栅长最长(沟道长度最大)、宽度最宽(沟道宽度最大)的器件，短沟道器件是指器件阵列中栅长最短(沟道长度最小)、宽度最宽(沟道宽度最小)的器件，窄沟道器件是指器件阵列中宽度最窄(沟道宽度最小)、栅长最长(沟道长度最大)的器件，小尺寸器件是指器件阵列中栅长和宽度都最小的器件，这四种类型的器件被称为角器件(即器件阵列中处于四个角的器件)，如图16和图17所示的器件阵列图，其中横坐标为器件栅长L(μm)，纵坐标为器件宽度W(μm)，图16所示的器件阵列图中四个角器件尺寸分别是W/L＝9μm/9μm，W/L＝9μm/0.36μm，W/L＝0.342μm/9μm，W/L＝0.342μm/0.36μm，图17所示的器件阵列图中四个角器件尺寸分别是W/L＝9μm/9μm，W/L＝9μm/0.054μm，W/L＝0.108μm/9μm，W/L＝0.108μm/0.054μm。在图1至图4所示的完成BSIM4的MOSFET温度模型建模后，在不同温度下四个电学特性参数(线性阈值电压Vtlin、饱和阈值电压Vtsat、线性电流Idlin、饱和电流Idsat)的模型曲线与实测数据的对比图中，实线为BSIM4的模型曲线，实心点为实测数据，并且图中数据的分布顺序是按照箭头方向Vbs(MOS管中衬底与源之间的电压差)逐渐变小时的参数变化曲线。以图1为例进行说明，每个电学特性参数的变化曲线图中都包括五条曲线和五组实测数据，这五条曲线和五组实测数据分别对应不同的Vbs，其中线性阈值电压Vtlin和饱和阈值电压Vtsat的曲线图中五条曲线和五组实测数据自下而上分别对应Vbs＝0.00V、Vbs＝-0.625V、Vbs＝-1.25V、Vbs＝-1.875V、Vbs＝-2.50V，而线性电流Idlin和饱和电流Idsat的曲线图中五条曲线和五组实测数据自上而下分别对应Vbs＝0.00V、Vbs＝-0.625V、Vbs＝-1.25V、Vbs＝-1.875V、Vbs＝-2.50V。对图1至图4进行观察可发现，利用现有的BSIM4模型能够较好地拟合线性阈值电压Vtlin和饱和阈值电压Vtsat，但是对线性电流Idlin和饱和电流Idsat的拟合却存在一定的偏差，由于饱和电流Idsat对电路的设计很重要，故BSIM4温度模型在难以两全的情况下一般优先满足Idsat的精度，线性电流Idlin在拟合实践中的偏差会比饱和电流Idsat更大。例如，图1所示的大尺寸MOS器件(W/L＝9um/9um)的电学特性参数中，线性电流Idlin在-40℃时模型曲线高于实测数据而在125℃时模型曲线低于实测数据，饱和电流Idsat在125℃时模型曲线比实测数据高一点；图2所示的短沟道MOS器件(W/L＝9um/0.36um)的电学特性参数中，线性电流Idlin和饱和电流Idsat在-40℃和125℃时模型曲线都比实测数据高,图3和图4也有类似情况。在具体建模过程中，发现上述情况多次出现，这证明基于BSIM4的MOS器件温度模型有其局限性，而目前最小栅长大于28nm的技术节点(包括28nm)都是使用BSIM4默认的温度模型(对于本领域技术人员来说，可以在BSIM4MOSFET模型用户手册中找到BSIM4温度模型的具体公式，故在此省略)，没有更加准确的温度模型或者温度模型的子电路模型。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型，可以解决现有的MOS器件的BSIM4直流温度模型不能同时调准线性电流和饱和电流的缺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，流片测试得到建模的实测数据；步骤2，选择目标MOS器件和待调准的电学特性参数；步骤3，进行拟合，建立MOS器件的BSIM4直流温度模型；步骤4，在经过拟合的BSIM4直流温度模型基础上，针对目标MOS器件和待调准的电学特性参数所涉及的模型参数分别建立子电路温度模型；步骤5，利用子电路温度模型对目标MOS器件分别进行曲线拟合，如果拟合结果与器件的实测数据一致，则进入步骤6，否则调整子电路温度模型的相应参数，并重复该步骤；步骤6，建模结束，得到最终的子电路温度模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，流片测试得到建模的实测数据；步骤2，选择目标MOS器件和待调准的电学特性参数；步骤3，进行拟合，建立MOS器件的BSIM4直流温度模型；步骤4，在经过拟合的BSIM4直流温度模型基础上，针对目标MOS器件和待调准的电学特性参数所涉及的模型参数分别建立子电路温度模型；步骤5，利用子电路温度模型对目标MOS器件分别进行曲线拟合，如果拟合结果与器件的实测数据一致，则进入步骤6，否则调整子电路温度模型的相应参数，并重复该步骤；步骤6，建模结束，得到最终的子电路温度模型。2.根据权利要求1所述的基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型的建模方法，其特征在于，在步骤2中，选择目标MOS器件包括以下两种情况：(1)以大尺寸器件、短沟道器件、小尺寸器件为目标MOS器件；(2)以大尺寸器件、短沟道器件、窄沟道器件、小尺寸器件为目标MOS器件。3.根据权利要求2所述的基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型的建模方法，其特征在于，在步骤2中，选择的待调准的电学特性参数包括以下两种情况：(1)以线性电流Idlin和饱和电流Idsat为待调准目标；(2)以设定线性电流Idlin、饱和电流Idsat和线性阈值电压Vtlin为待调准目标。4.根据权利要求3所述的基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型的建模方法，其特征在于，在步骤4中，以大尺寸器件、短沟道器件、窄沟道器件、小尺寸器件的线性电流Idlin和饱和电流Idsat为待调准目标时，子电路温度模型公式如下：t_u0＝tc1*(temper-25)*(temper-25)+tc2*(temper-25)t_vsat＝tc3*(temper-25)*(temper-25)+tc4*(temper-25)t_ags＝tc5*(temper-25)*(temper-25)+tc6*(temper-25)t_lvsat＝tc7*(temper-25)*(temper-25)+tc8*(temper-25)t_lu0＝tc9*(temper-25)*(temper-25)+tc10*(temper-25)t_pu0＝tc11*(temper-25)*(temper-25)+tc12*(temper-25)t_pvsat＝tc13*(temper-25)*(temper-25)+tc14*(temper-25)t_wu0＝tc15*(temper-25)*(temper-25)+tc16*(temper-25)t_wags＝tc17*(temper-25)*(temper-25)+tc18*(temper-25)t_pags＝tc19*(temper-25)*(temper-25)+tc20*(temper-25)t_wvsat＝tc21*(temper-25)*(temper-25)+tc22*(temper-25)其中，u0为常温低场迁移率，ags为常温下体电荷效应的栅压系数，vsat为常温饱和载流子速度，lvsat为常温饱和载流子速度的栅长因子，lu0为常温低场迁移率的栅长因子，栅长因子lvsat和lu0是针对沟道长度短的短沟道器件的参数，pu0为常温低场迁移率的交叉因子，pvsat为常温饱和载流子速度的交叉因子，pags是常温下体电荷效应的栅压系数的交叉因子，交叉因子pu0、pvsat和pags是针对沟道长度和宽度都小的小尺寸器件的参数，wu0为常温低场迁移率的沟道宽度因子，wags为常温下体电荷效应的栅压系数的沟道宽度因子，wvsat是常温饱和载流子速度的沟道宽度因子，沟道宽度因子wu0、wvsat和wags是针对沟道长度和宽度都小的小尺寸器件的参数，tc1至tc22为拟合参数；temper为Hspice器件和电路仿真软件默认的温度参数，temper的数值为数据文件中或者Hspice仿真网表中设定的温度值。5.根据权利要求4所述的基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型的建模方法，其特征在于，在步骤5中，对大尺寸器件、短沟道器件、窄沟道器件、小尺寸器件的子电路温度模型进行调整的步骤如下：第一步，利用常温低场迁移率u0的子电路温度模型参数和/或常温下体电荷效应的栅压系数ags的子电路温度模型参数对大尺寸器件的线性电流Idlin和饱和电流Idsat进行调准；第二步，利用常温低场迁移率的栅长因子lu0的子电路温度模型参数和/或常温饱和载流子速度的栅长因子lvsat的子电路温度模型参数或常温饱和载流子速度vsat的子电路温度模型参数对短沟道器件的线性电流Idlin和饱和电流Idsat进行调准；第三步，利用常温低场迁移率的沟道宽度因子wu0的子电路温度模型参数和/或常温下体电荷效应的栅压系数的沟道宽度因子wags的子电路温度模型参数或常温饱和载流子速度的沟道宽度因子wvsat的子电路温度模型参数对窄沟道器件的线性电流Idlin和饱和电流Idsat进行调准；第四步，利用常温低场迁移率的交叉因子pu0的子电路温度模型参数和/或常温饱和载流子速度的交叉因子pvsat的子电路温度模型参数或常温下体电荷效应的栅压系数的交叉因子pags的子电路温度模型参数对小尺寸器件的线性电流Idlin和饱和电流Idsat进行调准。6.根据权利要求5所述的基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型的建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S11、利用常温低场迁移率u0的子电路温度模型参数对大尺寸器件的线性电流Idlin进行调准；S12、利用常温下体电荷效应的栅压系数ags的子电路温度模型参数对大尺寸器件的饱和电流Idsat进行调准；S21、利用常温低场迁移率的栅长因子lu0的子电路温度模型参数对短沟道器件的线性电流Idlin进行调准；S22、利用常温饱和载流子速度的栅长因子lvsat的子电路温度模型参数或常温饱和载流子速度vsat的子电路温度模型参数对短沟道器件的饱和电流Idsat进行调准；S31、利用常温低场迁移率的沟道宽度因子wu0的子电路温度模型参数对窄沟道器件的线性电流Idlin进行调准；S32、利用常温下体电荷效应的栅压系数的沟道宽度因子wags的子电路温度模型参数或常温饱和载流子速度的沟道宽度因子wvsat的子电路温度模型参数对窄沟道器件的饱和电流Idsat进行调准；S41、利用常温低场迁移率的交叉因子pu0的子电路温度模型参数对小尺寸器件的线性电流Idlin进行调准；S42、利用常温饱和载流子速度的交叉因子pvsat的子电路温度模型参数或常温下体电荷效应的栅压系数的交叉因子pags的子电路温度模型参数对小尺寸器件的饱和电流Idsat进行调准。7.根据权利要求3所述的基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型的建模方法，其特征在于，在步骤4中，以大尺寸器件、短沟道器件、窄沟道器件、小尺寸器尺寸器件的线性电流Idlin、饱和电流Idsat和线性阈值电压Vtlin为待调准目标时，子电路温度模型公式如下：t_u0＝tc1*(temper-25)*(temper-25)+tc2*(temper-25)t_vsat＝tc3*(temper-25)*(temper-25)+tc4*(temper-25)t_ags＝tc5*(temper-25)*(temper-25)+tc6*(temper-25)t_lvsat＝tc7*(temper-25)*(temper-25)+tc8*(temper-25)t_lu0＝tc9*(temper-25)*(temper-25)+tc10*(temper-25)t_pu0＝tc11*(temper-25)*(temper-25)+tc12*(temper-25)t_pvsat＝tc13*(temper-25)*(temper-25)+tc14*(temper-25)t_wu0＝tc15*(temper-25)*(temper-25)+tc16*(temper-25)t_wags＝tc17*(temper-25)*(temper-25)+tc18*(temper-25)t_pags＝tc19*(temper-25)*(temper-25)+tc20*(temper-25)t_wvsat＝tc21*(temper-25)*(temper-25)+tc22*(temper-25)其中，u0为常温低场迁移率，ags为常温下体电荷效应的栅压系数，vsat为常温饱和载流子速度，lvsat为常温饱和载流子速度的栅长因子，lu0为常温低场迁移率的栅长因子，栅长因子lvsat和lu0是针对沟道长度短的短沟道器件的参数，pu0为常温低场迁移率的交叉因子，pvsat为常温饱和载流子速度的交叉因子，pags是常温下体电荷效应的栅压系数的交叉因子，交叉因子pu0、pvsat和pags是针对沟道长度和宽度都小的小尺寸器件的参数，wu0为常温低场迁移率的沟道宽度因子，wags为常温下体电荷效应的栅压系数的沟道宽度因子，wvsat是常温饱和载流子速度的沟道宽度因子，沟道宽度因子wu0、wvsat和wags是针对沟道长度和宽度都小的小尺寸器件的参数，tc1至tc22为拟合参数；temper为Hspice器件和电路仿真软件默认的温度参数，temper的数值为数据文件中或者Hspice仿真网表中设定的温度值。8.根据权利要求7所述的基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型的建模方法，其特征在于，在步骤5中，对大尺寸器件、短沟道器件、窄沟道器件、小尺寸器件的子电路温度模型进行调整的步骤如下：第一步，利用常温低场迁移率u0的子电路温度模型参数和/或常温下体电荷效应的栅压系数ags的子电路温度模型参数对大尺寸器件的线性电流Idlin和饱和电流Idsat进行调准；第二步，利用BSIM4模型的阈值电压温度系数kt1对大尺寸器件的线性阈值电压Vtlin进行修正；第三步，利用常温低场迁移率的栅长因子lu0的子电路温度模型参数和/或常温饱和载流子速度的栅长因子lvsat的子电路温度模型参数或常温饱和载流子速度vsat的子电路温度模型参数对短沟道器件的线性电流Idlin和饱和电流Idsat进行调准；第四步，利用BSIM4模型的阈值电压温度系数的栅长因子lkt1对短沟道器件的线性阈值电压Vtlin进行修正；第五步，利用常温低场迁移率的沟道宽度因子wu0的子电路温度模型参数和/或常温下体电荷效应的栅压系数的沟道宽度因子wags的子电路温度模型参数或常温饱和载流子速度的沟道宽度因子wvsat的子电路温度模型参数对窄沟道器件的线性电流Idlin和饱和电流Idsat进行调准；第六步，利用BSIM4模型的阈值电压温度系数的沟道宽度因子wkt1对窄沟道器件的线性阈值电压Vtlin进行修正；第七步，利用常温低场迁移率的交叉因子pu0的子电路温度模型参数和/或常温饱和载流子速度的交叉因子pvsat的子电路温度模型参数或常温下体电荷效应的栅压系数的交叉因子pags的子电路温度模型参数对小尺寸器件的线性电流Idlin和饱和电流Idsat进行调准；第八步，利用BSIM4模型的阈值电压温度系数的交叉因子pkt1对小尺寸器件的线性阈值电压Vtlin进行修正。9.根据权利要求8所述的基于BSIM4模型的MOS器件子电路温度模型的建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S11、利用常温低场迁移率u0的子电路温度模型参数对大尺寸器件的线性电流Idlin进行调准；S12、利用常温下体电荷效应的栅压系数ags的子电路温度模型参数对大尺寸器件的饱和电流Idsat进行调准；S2、利用BSIM4模型的阈值电压温度系数kt1对大尺寸器件的线性阈值电压Vtlin进行修正；S31、利用常温低场迁移率的栅长因子lu0的子电路温度模型参数对短沟道器件的线性电流Idlin进行调准；S32、利用常温饱和载流子速度的栅长因子lvsat的子电路温度模型参数或常温饱和载流子速度vsat的子电路温度模型参数对短沟道器件的饱和电流Idsat进行调准；S4、利用BSIM4模型的阈值电压温度系数的栅长因子lkt1对短沟道器件的线性阈值电压Vtlin进行修正；S51、利用常温低场迁移率的沟道宽度因子wu0的子电路温度模型参数对窄沟道器件的线性电流Idlin进行调准；S52、利用常温下体电荷效应的栅压系数的沟道宽度因子wags的子电路温度模型参数或常温饱和载流子速度的沟道宽度因子wvsat的子电路温度模型参数对窄沟道器件的饱和电流Idsat进行调准；S6、利用BSIM4模型的阈值电压温度系数的沟道宽度因子wkt1对窄沟道器件的线性阈值电压Vtlin进行修正；S71、利用常温低场迁移率的交叉因子pu0的子电路温度模型参数对小尺寸器件的线性电流Idlin进行调准；S72、利用常温饱和载流子速度的交叉因子pvsat的子电路温度模型参数或常温下体电荷效应的栅压系数的交叉因子...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾经纶，彭兴伟，
申请(专利权)人：上海华力微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31