专利名称：提取场效晶体管的spice模型的方法
技术领域：
本发明涉及一种提取场效晶体管的SPICE模型的方法。
背景技术：
场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor，MOS)是半导体集成电路中一种重要的 半导体器件，在集成电路工艺领域中被广泛的应用。为了预测场效晶体管器件在所处的环 境中的性能和可靠性，需要对场效晶体管进行仿真。SPICE (Simulation Program with Intergraded Circuit Emphasis)是器件设计 行业应用最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供了 Vspice、Hspice、Pspice等不同 版本SPICE软件，这些软件的仿真核心大同小异，都采用了美国加利福尼亚大学伯克莱分 校开发的SPICE模拟算法。通常SPICE软件提供通用模型(Global model)和区域化模型 (Binning model)。通用模型是一种可缩放的模型(Scalable model)，能够适用于全部尺寸 的器件，但是通用模型的精确度没有区域化模型的精确度高，尤其是在亚微米的器件中。虽 然区域化模型对建立SPICE模型是一个不错的选择，但是，利用区域化模型提取的参数不 连续，例如提取的漏源电流参数IDS和漏源电导参数GDS不连续。
发明内容
本发明的目的在于提供一种建立在通用模型和区域化模型基础上的提取场效晶 体管的SPICE模型的方法。一种提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，包括如下步骤在通用模 型的基础上，调用长沟道区器件、宽沟道区器件和短沟道窄沟道区器件；在所述通用模型的 基础上，利用区域化模型的参数提取方法，分别提取所述长沟道区器件的模型参数、所述宽 沟道区器件的模型参数、所述短沟道窄沟道区器件的模型参数；根据提取的所述长沟道区 器件的模型参数、利用最小二乘法误差拟合的方法，获得长沟道区所有器件的模型参数，根 据提取的所述宽沟道区器件的模型参数、利用最小二乘法误差拟合的方法，获得宽沟道区 所有器件的模型参数，根据提取的所述短沟道窄沟道区器件的模型参数，利用最小二乘法 误差拟合的方法，获得短沟道窄沟道区所有器件的模型参数；根据所述长沟道区所有器件 的模型参数，所述宽沟道区所有器件的模型参数，所述短沟道窄沟道区所有器件的模型参 数，提取所述场效晶体管的通用模型参数。本发明优选的一种技术方案，在通用模型的基础上，调用的所述长沟道区器件的 沟道长度相同，沟道宽度不同。本发明优选的一种技术方案，在通用模型的基础上，调用的所述宽沟道区器件的 沟道宽度相同，沟道长度不同。本发明优选的一种技术方案，所述短沟道窄沟道区器件为小尺寸器件。本发明优选的一种技术方案，利用区域化模型的参数提取方法，提取的模型参数 包括零偏阈值电压参数、一阶体效应系数和低电场迁移率。
本发明优选的一种技术方案，所述场效晶体管的通用模型参数中的零偏阈值电压 参数 VTHO = VTHO+LVTHO/Leff+WVTHO/Weff+PVTHO/(LeffWeff)，其中，LVTHO 表示所述宽 沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，WVTHO表示所述长沟道区模型参数中的零偏阈值 电压参数，PVTHO表示所述短沟道窄沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，Leff表示器 件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。本发明优选的一种技术方案，所述场效晶体管的通用模型参数中的一阶体效应系 数 Kl = Kl+Kl/Leff+Kl/Weff+Kl/(Leff*Weff)，其中，Leff 表示器件的有效沟道长度，Weff 表示器件的有效沟道宽度。本发明优选的一种技术方案，所述场效晶体管的通用模型参数中的低电场迁移率 UO = UO+UO/Leff+UO/Weff+UO/(LeffWeff)，其中，Leff 表示器件的有效沟道长度，Weff 表 示器件的有效沟道宽度。与现有技术相比，本发明的提取场效晶体管的SPICE模型的方法建立在通用模型 和区域化模型基础上，同时具有通用模型和区域化模型的优点，能够适用于全部尺寸的器 件，且具有较高的精确度。
图1是本发明的提取场效晶体管的SPICE模型的方法的流程图。图2是本发明在通用模型的基础上提取的器件的尺寸分布示意图。图3是本发明提取LVTHO模型参数的方法示意图。图4是本发明提取WVTHO模型参数的方法示意图。图5是本发明提取PVTHO模型参数的方法示意图。图6-图9是利用现有方法获得的场效晶体管的IDS-VGS-VDS特性曲线图。图10-图13是本发明的提取SPICE模型的方法获得的场效晶体管的IDS_VGS_VDS 特性曲线图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步 的详细描述。请参阅图1，图1是本发明的提取场效晶体管的SPICE模型的方法的流程图。首 先，在通用模型的基础上，调用长沟道区器件、宽沟道区器件和短沟道窄沟道区器件。请参 阅图2，图2是本发明在通用模型的基础上提取的器件的尺寸分布示意图。优选的，在通用 模型的基础上，调用的所述宽沟道区器件的沟道宽度相同，沟道长度不同，为了便于描述， 定义该区域的器件为L器件。优选的，在通用模型的基础上，调用的所述长沟道区器件的沟 道长度相同，沟道宽度不同，为了便于描述，定义该区域的器件为W器件。优选的，在通用模 型的基础上，所述短沟道窄沟道区器件为小尺寸器件，为了便于描述，定义所述区域的器件 为P器件。在所述通用模型的基础上，利用区域化模型的参数提取方法，分别提取所述L区 器件的模型参数、所述W区器件的模型参数、所述P区器件的模型参数。优选的，提取的模 型参数包括零偏阈值电压参数VTH0、一阶体效应系数kl和低电场迁移率U0。优选的，本发明采用四个不同的L器件，定义提取的这四个L器件的VTHO参数分别为LVTHO (1)、LVTHO⑵、 LVTHO(3) > LVTHO⑷。所述L器件的kl参数分别为Lkl(1)、Lkl⑵、Lkl(3)、LKl⑷。所述W器件 的UO参数分别为LUO(1)、LUO⑵、LUO⑵、LUO⑷。优选的，本发明采用四个不同的W器件，定义 提取的这四个W器件的VTHO参数分别为WVTHOil) >WVTHO(2)、WVTH0(3)、WVTH0⑷。所述W器件 的kl参数分别为Wkl (1)、Wkl⑵、Wkl (3)、WKl⑷。所述W器件的UO参数分别为WUOa)、WUO⑵、 WU0(3)、WU0⑷。优选的，本发明采用四个不同的P器件，定义提取的这四个P器件的VTHO参 数分别为PVTHO(1)、PVTHO⑵、PVTHO(3)、PVTHO⑷。所述P器件的kl参数分别为Pkla)、Pkl⑵、 Pkl (3)、PKl⑷。所述P器件的UO参数分别为PUOω、PUO⑵、PUO⑶、PUO⑷。请参阅图3，图3是本发明提取L区所有器件的LVTHO模型参数的方法示意图。将 所述四个不同的L器件的VTHO参数LVTHO(1)、LVTHO⑵、LVTHO(3)、LVTHO⑷绘制在坐标图上， 并利用最小二乘法误差拟合(least-square error fitting)的方法，即可获得L区全部器 件的VTHO参数LVTH0。依据相同的方法，可以获得L区全部器件的kl参数Lkl、L区全部 器件的UO参数LUO。请参阅图4，图4是本发明提取W区所有器件的WVTHO模型参数的方法示意图。将 所述四个不同的W器件的VTHO参数WVTHO(1)、WVTHO⑵、WVTHO(3)、WVTHO⑷绘制在坐标图上， 并利用最小二乘法误差拟合的方法，即可获得W区全部器件的VTHO参数WVTH0。依据相同 的方法，可以获得W区全部器件的kl参数Wkl、W区全部器件的UO参数WUO。请参阅图5，图5是本发明提取P区所有器件的PVTHO模型参数的方法示意图。将 所述四个不同的P器件的VTHO参数PVTHO(1)、PVTHO⑵、PVTHO(3)、PVTHO⑷绘制在坐标图上， 并利用最小二乘法误差拟合的方法，即可获得P区全部器件的VTHO参数PVTH0。依据相同 的方法，可以获得P区全部器件的kl参数Pkl、P区全部器件的UO参数PUO。根据L区全部器件的模型参数、W区全部器件的模型参数、P区全部器件的模型参 数，提取所述场效晶体管的通用模型参数。优选的，本发明提取所述场效晶体管的通用模型 参数中的VTHO参数、kl参数和UO参数。所述场效晶体管的通用模型参数中的零偏阈值电 压参数VTHO = VTHO+LVTHO/Leff+WVTHO/ffeff+PVTHO/(Leff^ffeff)其中，LVTHO表示所述宽沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，WVTHO表示所述 长沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，PVTHO表示所述短沟道窄沟道区模型参数中的 零偏阈值电压参数，Leff表示器件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。所述 场效晶体管的通用模型参数中的一阶体效应系数Kl = K1 +K 1 /Le f f+K 1 /W e f f+K 1 / (Le f f *ff e f f)所述场效晶体管的通用模型参数中的低电场迁移率UO = U0+U0/Leff+U0/ffeff+U0/(Leff^ffeff)。与现有技术相比，本发明的提取场效晶体管的SPICE模型的方法建立在通用模型 和区域化模型基础上，同时具有通用模型和区域化模型的优点，能够适用于全部尺寸的器 件，且具有较高的精确度。请参阅图6，图6是在W/L/T= 10/0. 13/25的条件下，利用现有技术测得的场效晶 体管的Ilis-Ves-Vlis特性曲线图。其中，第一组测量数据为线性区的Ilis-Ves曲线图，测量条件 是不同的Vbs扫描，且Vds很小(0. IV)，以保证器件工作在线性区。第二组测量数据为线性区的Ilis-Ves曲线图，测量条件是不同的Vbs扫描，且Vds足够大(1. 5V)，以保证器件工作在饱 和区。第三组测量数据为线性区的Ids-Vds曲线图，测量条件是不同的Ves扫描，且Vbs = 0， 此时，既包括线性区也包括饱和区。第四组测量数据为线性区的Ids-Vds曲线图，测量条件是 不同的Ves扫描，Vbs为允许的最大衬底偏压(1.2V)，此时，既包括线性区也包括饱和区。依 据相同的原理，图7是在W/L/T = 0. 15/10/25的条件下，利用现有技术测得的场效晶体管 的Ids-Vcs-Vds特性曲线图。图8是在W/L/T = 0. 3/0. 13/25的条件下，利用现有技术测得的 场效晶体管的Ids-Vcb-Vds特性曲线图。图9是在W/L/T = 10/10/25的条件下，利用现有技 术测得的场效晶体管的Ilis-Ves-Vlis特性曲线图。在上述四种情况下，仿真结果与测量数据的 均方根误差(RMS Error)统计如表1所示
表 权利要求
一种提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，包括如下步骤在通用模型的基础上，调用长沟道区器件、宽沟道区器件和短沟道窄沟道区器件；在所述通用模型的基础上，利用区域化模型的参数提取方法，分别提取所述长沟道区器件的模型参数、所述宽沟道区器件的模型参数、所述短沟道窄沟道区器件的模型参数；根据提取的所述长沟道区器件的模型参数、利用最小二乘法误差拟合的方法，获得长沟道区所有器件的模型参数，根据提取的所述宽沟道区器件的模型参数、利用最小二乘法误差拟合的方法，获得宽沟道区所有器件的模型参数，根据提取的所述短沟道窄沟道区器件的模型参数，利用最小二乘法误差拟合的方法，获得短沟道窄沟道区所有器件的模型参数；根据所述长沟道区所有器件的模型参数，所述宽沟道区所有器件的模型参数，所述短沟道窄沟道区所有器件的模型参数，提取所述场效晶体管的通用模型参数。
2.如权利要求1所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，在通用模型 的基础上，调用的所述长沟道区器件的沟道长度相同，沟道宽度不同。
3.如权利要求1所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，在通用模型 的基础上，调用的所述宽沟道区器件的沟道宽度相同，沟道长度不同。
4.如权利要求1所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，所述短沟道 窄沟道区器件为小尺寸器件。
5.如权利要求1到4中任意一项所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征 在于，利用区域化模型的参数提取方法，提取的模型参数包括零偏阈值电压参数、一阶体效 应系数和低电场迁移率。
6.如权利要求5所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，所述场效晶 体管的通用模型参数中的零偏阈值电压参数VTHO = VTHO+LVTHO/Leff+WVTHO/ffeff+PVTHO/(Leff^ffeff)，其中，LVTHO表示所述宽沟道区模型参数中的零偏阈值电压参数，WVTHO表示所述长沟 道区模型参数中的零偏阈值电压参数，PVTHO表示所述短沟道窄沟道区模型参数中的零偏 阈值电压参数，Leff表示器件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。
7.如权利要求5所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，所述场效晶 体管的通用模型参数中的一阶体效应系数Kl = K1+K1/Le ff+K1/We ff+K1/(Le ff*ffe ff)其中，Leff表示器件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。
8.如权利要求5所述的提取场效晶体管的SPICE模型的方法，其特征在于，所述场效晶 体管的通用模型参数中的低电场迁移率UO = U0+U0/Leff+U0/ffeff+U0/(Leff^ffeff)其中，Leff表示器件的有效沟道长度，Weff表示器件的有效沟道宽度。
全文摘要
本发明涉及一种提取场效晶体管的SPICE模型的方法，包括如下步骤在通用模型的基础上，调用长沟道区器件、宽沟道区器件和短沟道窄沟道区器件；在所述通用模型的基础上，利用区域化模型的参数提取方法，分别提取所述长沟道区、宽沟道区、短沟道窄沟道区器件的模型参数、利用最小二乘法误差拟合的方法，获得所述长沟道区、宽沟道区、短沟道窄沟道区所有器件的模型参数；根据所述长沟道区、宽沟道区、短沟道窄沟道区所有器件的模型参数，提取所述场效晶体管的通用模型参数。本发明的提取场效晶体管的SPICE模型的方法同时具有通用模型和区域化模型的优点。
文档编号G06F17/50GK101976274SQ201010278670
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者余泳 申请人:上海宏力半导体制造有限公司