eda第八章作业.doc

MOSFET的SPICE模型 1、 背景 CMOS技术中器件建模是多年来研究的重要领域,从开始的众多模型的独立发展到适用于电路模拟的模型标准的统一,为IC设计工程师!半导体制造工程师!CAD开发工程师!模型研发工程师之间的高效合作,降低IC制造成本等起到了非常重要的促进作用"但器件尺寸缩小的深亚微米!超深亚微米时,器件的工作机理发生了很大的变化,因此建立合适的器件模型,对器件工作的分析其重要性十分明显2、 简介 MOSFET模型发展至今，已有五十多个模型下面简单介绍几个有代表性的模型：„ Level 1 —— MOS1模型（Shichman-Hodges模型），该模型是Berkley SPICE最早的MOST模型，适用于精度要求不高的长沟道MOST电容模型为Meyer模型，不考虑电荷贮存效应„ Level 2 —— MOS2模型，该模型考虑了部分短沟道效应，电容模型为Meyer模型或Ward-Dutton模型Ward-Dutton模型考虑了电荷贮存效应„ Level 3 —— MOS3模型，为半经验模型，广泛用于数字电路设计中，适用于短沟道器件，对于沟道长度≥2m的器件所得模拟结果很精确。

BSIM模型 —— Berkeley Short-Channel IGFETModelBSIM模型是专门为短沟道MOST而开发的模型目前已经发展到BSIM4模型„ Level 4 —— BSIM1模型，适合于L≈1m，tox≈15nm的MOSFETBSIM1模型考虑了小尺寸MOST的二阶效应包括：„ 垂直电场对载流子迁移率的影响；„ 速度饱和效应；„ DIBL（漏场感应势垒下降）效应；„ 电荷共享；„ 离子注入器件的杂质非均匀分布；„ 沟道长度调制效应；„ 亚阈值导电；„ 参数随几何尺寸的变化基本公式是萨方程的修正„ HSPICE Level 28 ——改进的BSIM1模型，适用于模拟电路设计，目前仍有广泛应用„ Level 39 —— BSIM2模型，是在BSIM1的基础上开发出的深亚微米模型，它适用的沟道长度可小到0.25m，栅氧化层厚度可薄至3.6nm除了包括BSIM1的各种二级效应外，还考虑了以下效应：„ 漏/源区寄生电阻„ 热电子引起的输出电阻的下降„ 反型区电容效应„ BSIM3模型 —— 由于BSIM1和BSIM2为解决精度，并考虑公式的简单化，引入了大量的经验参数，使模型参数过多并有冗余，用起来比较麻烦BSIM3是基于准二维分析的物理模型，着重解决器件工作的物理机制，并考虑器件尺寸和工艺参数的影响，力求使每个模型参数与器件特性的关系可预测，并设法减少模型参数的个数。

BSIM3模型的特点：它的参数是基于物理模型引入的，每个模型参数基本上都与器件某一方面的物理特性相对应BSIM3模型目前应用最广泛的是BSIM3v3（Level 49）„ BSIM4模型 —— 2000年发表的最新的BSIM模型，该模型在BSIM3模型的基础上做了一些针对射频（Radio Frequency）电路的改进，不仅包括直流特性，还包括噪声模型以及外部寄生效应3、 各类模型 1、MOS1模型 模型参数：KP ——跨导Xjl——横向扩散系数L0 ——掩膜版上的几何沟道长度L0 – Xjl=Leff为有效沟道长度W——沟道宽度λ ——沟道长度调制系数VT0 ——零偏阈电压（VBS=0）γ ——衬偏调制系数2ϕP ——表面反型电势两个衬底结中的电流用类似pn结的公式模拟：增加参数：IS——衬底结饱和电流„ 这些参数中，KP 、VT0 、 γ 、 2ϕP 、IS 是电学类参数，在SPICE2中，可以直接确定它们的值，也可以通过几何、物理和工艺参数计算而得„ 几何、物理和工艺参数包括：tP ——一标志，对N沟为+1，对P沟为–1TPG —— 标志栅材料的类型，金属栅 TPG = 0；对多晶硅栅，掺杂与衬底相同时，TPG = –1 ；相反时，TPG = +1ni——本征载流子浓度εOX——氧化层介电常数NSUB——衬底掺杂浓度NSS——表面态密度tOX——氧化层厚度0 ——表面迁移率JS——衬底结饱和电流密度AD和 AS——源扩散区和漏扩散区面积„ 进行电路模拟时，可以直接输入电学类参数，也可以输入几何、物理和工艺参数，通过公式计算得到电学类参数。

如果都输入，那么直接用电学类参数来模拟电学类参数的计算公式：2、特殊器件模型：非规则栅结构PD CMOS/SOI器件SPICE模型 CMOS/SOI器件中场氧的存在使标准条栅结构器件对总剂量辐射非常敏感为了提高CMOS/SOI集成电路的抗辐射能力,在版图中常采用一些非标准的特殊栅结构晶体管,这些特殊栅结构,如环栅、H型栅、F型栅等,可以防止总剂量辐射产生的场边缘泄漏电流,具有很好的抗辐射能力对于这些特殊栅结构器件,由于源漏的不对称,如果采用SPICE程序来进行模拟,输出电阻会随着选择源漏端的不同而不同器件中体接触设计的位置不同,体接触电阻的分布也会不同而常规工艺线所提供的模型参数,以及在SPICE模拟中所输入的参数,都是针对条栅器件的,只适合模拟条栅器件的特性在模拟非标准的栅结构时,需要对宽长比、沟道调制效应以及体接触电阻等参数作出调整,将其精确地等效成一个条栅器件,才可以准确模拟电路特性具体参数调整：A. 输出电阻调整 Giraldo[5]将整个环栅器件按照其电场分布(如图2(a)所示)分割成多个不规则的小晶体管(如图2(b)所示) 分析各小晶体管的特性,然后将各小晶体管并联起来,就能反映整个环栅晶体管的特性。

对于栅拐角处电力线密的地方,要进行细小的划分,以达到更高的精度对于不同的环栅结构,根据栅结构中电场的分布,其分解成小晶体管的形式也不同,对于其他的不规则栅结构,如H栅、F栅结构晶体管的分解,方法与截角正方形环栅结构类似,对电力线分布不均匀的地方进行划分不规则器件中栅结构的影响是器件工作在饱和区时会产生非对称行为,主要表现为当器件漏极位于栅某一侧时,所产生的输出电阻与漏极位于栅的另一侧时产生的输出电阻不同,并且无论漏极处于哪一侧,所产生的输出电阻都与等效的条栅器件产生的输出电阻不同这种情形主要是由于沟道调制效应造成的[1],沟道调制效应产生的空间电荷守恒,所以,沟道调制长度$L满足$L@W的值不变当器件从不规则的栅结构转换到规则的条栅结构时,如果转换的沟道宽度W变窄,则会增大沟道调制长度$L,反之亦然[2],如图3所示沟道调制长度$L对输出电阻的影响可以表示为:式中,$Lr和$La分别为条栅和不规则栅的沟道调制长度,L为条栅器件沟道长度,即不规则栅的等效沟道长度将(3)式代入(2)式,并考虑到$LxW恒定,可以得到:式中,Wa为不规则栅器件的漏极所在侧面的栅宽度,漏极在不规则栅的不同侧面时,Wa不同,因而得到的ROa也不同。

Wr为其等效条栅器件宽度,再根据(2)式,可以得到: 这样,不规则栅的输出电阻ROa就可以方便地通过其等效条栅器件的沟道调制长度$Lr和输出电阻Ror计算出,条栅器件的这两个参数在SPICE模拟中很容易精确得到采用上述方法,对每个分割的不规则小晶体管的输出电阻ROa进行计算,然后并联起来,就可以得到环栅晶体管的精确输出电阻在BSIM SOI模型中,沟道调制效应的参数为PCLM为了让SPICE直接模拟出环栅晶体管的输出电阻,可以对PCLM的值进行调整环栅的沟道调制效应与条栅不同,可以直接通过修改模型中的PCLM值来改正PCLM值的修改过程与前述参数提取过程类似,首先设定PCLM的初值,将模拟出的结果与通过上面的方法计算的结果相比较,不断拟合PCLM的值,当两个结果误差在可接受的范围内时,就得到此环栅结构器件调整后的PCLM参数值该值可以直接用在SPICE模拟程序中计算环栅器件的输出电阻B. 器件电容调整 不规则环栅器件与条栅器件的另外一个区别是不规则栅结构会对器件特性的小信号电容造成影响在建立不规则栅器件的模型时,为了让SPICE程序准确地模拟不规则栅器件的特性,需要对其等效的条栅器件的一些电容参数进行调整。

器件的栅电容与栅所覆盖的沟道面积Agate成正比在条栅器件中,Agate满足: Agate=Wactive x Lactive (6)其中, Wactive=W-2DWC Lactive=L-2DLC (7)这里,W和L为条栅器件的宽度和长度,DLC和DWC分别为BSIM SOI模型中沟道宽度和长度的电容偏移量参数改变这些参数,只会对SPICE模拟中的器件C-V特性造成影响一般来讲,转换后的条栅器件的栅面积与转换前不规则栅的栅面积不一样,SPICE程序模拟出的条栅电容并不等于原不规则栅器件的电容,为了得到不规则栅器件正确的Acgate的值,选择正确的Wcactive和Lcactive,使这两个参数积为不规则栅的Acgate,然后再计算DWCc和DLCc的值[2]: DWCc=(W-Wcactive)/2 DLCc=(L-Lcactive)/2 (8)将BSIM SOI模型中DLC和DWC的值更改为新的DWCc和DLCc的值,就可以直接在SPICE模拟程序中计算不规则栅器件的栅电容在MOS器件中,栅极到源极覆盖电容CGS与源极和栅接触的边界宽度WS成正比,栅极到漏极的覆盖电容CGD与漏极和栅接触的边界宽度WD成正比。

在SPICE模型中,CGSO和CGDO分别代表栅极到源极和栅极到漏极的覆盖电容参数因子这里,可以计算不规则栅器件的CGSOc和CGDOc[2]: CGSOc=CGSO#WS/Wactive CGDOc=CGDO#WD/Wactive (9)不规则栅MOS器件中栅极到场氧化层的覆盖电容也与条栅器件不一样在条栅器件中,在栅的两端都有覆盖场氧化层,而在不规则栅器件中,只有在栅引出部分有覆盖场氧化层在SPICE模型中,用参数CGBO表示此电容的影响因子,不规则栅器件的CGBOc可用(10)式计算[2]: CGBOc=CGBO#LO/(2Lactive) (10)式中,LO为不规则栅器件栅在引出处对场氧的覆盖宽度参考文献：《非均匀掺杂衬底mosfet的spice建模》 汪洋 《半导体器件4.6--ppt》 《非规则栅结构PD CMOS/SOI器件SPICE模型参数分析》贺 威1,张正选2。