Экстракция набора параметров SPICE-модели 0, 5-мкм КНИ КМОП-технологии

Экстракция параметров моделей для измеренных транзисторов проводилась при помощи САПР для моделирования полупроводниковых устройств IC-CAP (рис. 17). Для этого использовался специальный модуль для экстракции параметров модели BSIMSOIv4.4. В начале работы в данный модуль загружаются наборы вольт-амперных характеристик при разных температурах; в процессе работы с модулем есть возможность отображать на общих графиках результаты измерений и моделирования с использованием текущего набора параметров модели. При помощи модуля оптимизации — Plot Optimizer (рис. 18) можно регулировать значения параметров модели для наилучшего совпадения моделируемой характеристики с измеренной (рис. 19), также модуль позволяет производить автоматический подбор для наилучшего совпадения характеристик. К модулю оптимизации можно подключить несколько характеристик и выбрать необходимые параметры.

Рис. 17 Интерфейс IC-CAP.

Рис. 18 Интерфейс IC-CAP Plot Optimizer.

Процедура экстракции параметров выполняется в несколько этапов:

1. Задание начальных технологических параметров, которые определены изготовителем исследуемых образцов. Для исследуемой пластины значения приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Технологические параметры.

Здесь T_ox — толщина подзатворного окисла; T_box— толщина скрытого окисла; T_si — глубина залегания областей стока/истока; N_ch — концентрация примеси в канале.

Рис. 19 Интерфейс IC-CAP Plot Optimizer tune.

2. Экстракция параметров из характеристик «большого» транзистора при комнатной температуре (рис. 20). Полученные значения приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Экстрагируемые параметры «большого» транзистора при 27 °C.

Здесь VTH0 — пороговое напряжение для широких и длинных устройств при V_bs=0; K1 — коэффициент первого порядка, учитывающий влияние подложки; K2 — коэффициент второго порядка, учитывающий влияние подложки; U0 — подвижность при номинальной температуре; UA — коэффициент деградации подвижности первого порядка; UBкоэффициент деградации подвижности второго порядка; VOFF — напряжение смещения нуля в предпороговой области для больших значений W и L; NFACTOR — определяющий фактор для предпороговой области.

3. Экстракция параметров, которые учитывают изменение длины канала транзистора и эффект короткого канала. Для этого используются характеристики «короткого» транзистора (рис. 21). Полученные значения приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Экстрагируемые параметры «короткого» транзистора при 27 °C.

Здесь LINT — подгоночный параметр для расчёта эффективной длины; DVT0 — коэффициент первого порядка для учета эффекта короткого канала на пороговое напряжение; DVT1 — коэффициент второго порядка для учета эффекта короткого канала на пороговое напряжение; NLX — параметр, учитывающий неравномерность распределения примеси вдоль канала; LPEB — параметр, учитывающий влияние неравномерности примеси на K1.

Рис. 21 Сравнение измеренных и смоделированных характеристик КНИ МОПТ с W/L=10/0,5 мкм при 27 °C.

4. Экстракция параметров, учитывающих изменение ширины канала и эффект узкого канала. Для этого используются характеристики «узкого» транзистора (рис. 22). Полученные значения приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Экстрагируемые параметры «узкого» транзистора при 27 °C.

Здесь WINT — подгоночный параметр для расчёта эффективной ширины; DVT0W — первый коэффициент для учета эффекта узкого канала на пороговое напряжение для маленькой длины; DVT1W — второй коэффициент для учета эффекта узкого канала на пороговое напряжение для маленькой длины; B0 — коэффициент, учитывающий влияние объемного заряда на ширину канала.

Рис. 22 Сравнение измеренных и смоделированных характеристик КНИ МОПТ с W/L=1,1/5 мкм при 27 °C.

5. Верификация полученных параметров с использованием характеристик «наименьшего» транзистора (рис. 23). Если на предыдущих этапах полученные значения параметров модели были правильно определены, то данная модель должна обеспечивать довольно точное совпадение с измеренными данными.

Рис. 23 Сравнение измеренных и смоделированных характеристик КНИ МОПТ с W/L=1,1/0,5 мкм при 27 °C.

6. Экстракция температурных параметров, не зависящих от геометрических размеров транзистора. Для этого этапа используются характеристики «большого» транзистора при максимальной измеренной температуре (рис. 24). Полученные значения приведены в таблице 5.

Таблица 5.

Экстрагируемые параметры «большого» транзистора при 300 °C.

Здесь KT1 — температурный коэффициент для порогового напряжения; KT2 — коэффициент, учитывающий смещение на подложке для порогового напряжения; UTE — показатель степени для подвижности; UA1 — температурный коэффициент UA1; UB1 — температурный коэффициент UB1; UC1 — температурный коэффициент UC1; AT — температурный коэффициент для насыщения скорости; IDDIF — насыщение тока инжекции подложка-сток/исток; IDREC — рекомбинация в токе насыщения.

Рис. 24 Сравнение измеренных и смоделированных характеристик КНИ МОПТ с W/L=10/5 мкм при 300 °C.

• 7. Экстракция параметров для учета влияния изменения длины канала (Рис. 25). Полученные значения: KT1L=60,256•10^-9 — коэффициент зависимости длины канала от температуры для порогового напряжения
• 8. Заключительным этапом является проверка точности модели на промежуточных значениях геометрических размеров и температур (рис. 26, рис. 27) и уточнение полученных параметров модели.

Рис. 25 Сравнение измеренных и смоделированных характеристик КНИ МОПТ с W/L=10/0,5 мкм при 300°С

Рис. 26 Сравнение измеренных и смоделированных характеристик КНИ МОПТ с W/L=1,1/5 мкм при 300°С

Рис. 27 Сравнение измеренных и смоделированных характеристик КНИ МОПТ с W/L=1,1/0,5 мкм при 300°С

Выводы по главе 4.

В результате была получена готовая SPICE модель p-канальных КНИ МОП транзисторов, изготовленных по 0,5-мкм КМОП технологии, пригодная для применения в высокотемпературном диапазоне. Погрешность моделирования вольт-амперных характеристик составила не более 15% для всего диапазона размеров и температур. Динамические параметры были взяты из модели для аналогичной технологии [3].