基于BSIM4模型的亚微米MOSFET器件直流参数提取与验证研究

摘要

随着集成电路技术的不断发展和越来越广泛的应用,在系统级芯片(SoC-System on Chip)已经逐渐成为IC设计的主流,在大规模集成电路的规模和结构和复杂度不断增加的背景下,集成电路设计时就必须考虑其高性能、低功耗、高可靠性和低成本的要求.人们对IC EDA软件的统计容差分析、优化设计、成品率、成本分析及可靠性预测的功能和精度要求也越来越高.而在IC EDA软件中,精确的MOSFET的器件模型是实现IC EDA设计和IC产品功能与性能联系起来的基础和关键纽带.该论文课题的主要研究内容就是在深入掌握器件建模方法与BSIM4模型原理的基础之上,利用美国Celestry(思略)公司的BSIMPro PLUS软件与美国惠普(HP)公司HP4155半导体参数测试仪,对亚微米MOSFET器件BSIM4模型直流参数提取及仿真与验证进行研究与探讨.最后论文通过具体实验,对一组采用0.35μm工艺、栅氧化层厚度为3nm、不同沟道宽长比的nMOSFET器件进行了测试和BSIM4系列模型直流参数的提取,并且把提取得到的模型参数输入新的BSIM4模型中,并利用此模型,用电路模拟仿真工具HSPICE对模拟/数字电路进行模拟与仿真,得到了很好的仿真结果.通过与无锡华晶上华半导体CSMC 0.6um CMOS工艺库的仿真结果进行对比,证明提取的参数与模型能够精确的模拟和仿真器件的各种直流物理特性,并对模型参数提取方法和策略进行了优化与探讨.整个论文课题的完成就是一个理论联系实际的过程,是一个在最新理论的指导思想之下努力探索和研究如何将器件建模的原理和思想具体实施到BSIM4模型参数的提取过程之中.在这个过程中,作者经过对传统的器件模型参数提取流程进行适当的修改与完善,得到了一套合理有效的器件模型参数提取的过程与方法,并且通过这种方法成功的实现了对器件进行参数提取,用详实的数据和结果既证实了器件模型参数提取方法学的重大指导意义,也肯定了该设计中摸索出来的MOSFET模型参数提取方法的有效性和实用性.此流程具有较强的实用价值和移植性,经实践检验可作为通用的器件模型参数提取流程在各个不同的项目中使用.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1器件建模的意义

1.2课题来源与背景

1.3本论文的主要研究内容

1.4本章小结

第二章器件建模方法与BSIM模型原理及参数

2.1器件模型分类

2.1.1器件物理模型

2.1.2等效电路模型

2.2各种MOSFET模型建模方法介绍

2.2.1基于电荷模型

2.2.2基于表面势模型

2.2.3基于电导模型

2.3 BSIM系列模型特点及发展

2.4 BSIM4模型原理及模型参数

2.4.1阈值电压模型

2.4.2有效迁移率模型

2.4.3漏极电流模型

2.4.4饱和电压

2.4.5源/漏电阻模型

2.5本章小结

第三章MOSFET器件参数提取策略及方法

3.1器件参数提取策略研究

3.1.1已有参数提取策略

3.1.2改进的参数提取策略

3.1.3参数提取策略

3.2器件参数提取方法

3.2.1阈值电压的确定

3.2.2反型层载流子迁移率的测量

3.2.3有效沟道长度和宽度的确定

3.2.4饱和电压的确定

3.3参数提取实验仪器设备、软件

3.3.1实验仪器设备及测量系统设计

3.3.2参数提取软件BSI MPro PLUS

3.4本章小结

第四章实验样品直流(DC)模型参数提取及仿真

4.1实验数据获取

4.1.1测试器件选取

4.1.2实验数据测量

4.1.3测量结果

4.2各项直流(DC)参数提取步骤

4.2.1工艺参数

4.2.2参数提取步骤

4.3参数提取结果

4.3.1提取得到主要参数列表

4.3.2测量数据与参数提取结果I-V特性仿真

4.3.3直流参数提取结果

4.4本章小结

第五章模型参数的SPICE仿真与验证

5.1利用提取的参数对HSPICE模型进行修改

5.2利用新模型对设计的电路进行仿真及结果

5.2.1反相器

5.2.2镜像电流源

5.3本章小结

第六章模型参数提取方法的优化与探讨

6.1优化法及其基本意义

6.2利用优化方法对模型参数提取

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的与学位论文相关的学术论文

致谢

附录

附录1 BSI M4.0.0参数表