3.0μm工艺模型建立方法研究

陈培仓，寇春梅，朱 宏

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 前言

作为Foundry线的一个基本标志就是定期对外发布其工艺模型参数，拥有一套适合自己工艺的Spice模型是每条Foundry线最根本要求，本文将主要基于作者单位的工艺水平及现状，选用典型的3 μm、N型衬底、双多晶、双金属工艺[2]，研究工艺模型的主要建立过程，并简单演示基于业内标准的Bsimpro3V3模型提取软件DC模型的提取拟合情况。

2 准备工作

2.1 软硬件配置需求

低漏电探针台、半导体参数测试仪、载有提取和控制软件的计算机、待提取用的工艺圆片。

2.2 测试用管的选择

本次模型我们选择26个测试用管，其中NMOS管13个，PMOS管13个，具体详见表1。

表1 测试用管的宽长比分布情况

2.3 流程制定和工艺流片

本次实验我们选用的是3.0 μm工艺进行流片，简要工艺步骤如图1所示。

图1 工艺流程图

3 模型的建立

3.1 数据的采集测试

根据上述给定的温度、测试偏置条件对所选取的管子用4200半导体参数测试仪进行DC参数测试，用载有Bsimpro软件的计算机控制4200进行测试，具体的测试条件见表2和表3。所有的测试数据必须来自同一片晶圆的同一个芯片，且必须在低漏电的环境下进行测试。

表2 标准NMOSFET的I-V测试条件

表3 标准PMOSFET的I-V测试条件

3.2 数据分析

采集好的数据需要进行必要的检查和物理验证，主要是检查是否符合特征尺寸比例，如饱和电流与MOS管栅宽成线性关系等；检查曲线是否符合常规的物理模型，如短沟效应、DIBL效应等。可将测试好的一组数据导入bsimpro软件中，通过软件功能绘制各式电流电压关系曲线进行检查，如阈值对宽度和长度的关系，饱和电流对宽度和长度的关系等。图2所示是阈值对各式沟道长度的关系图。

图2 阈值对各式沟道长度的关系图

3.3 提取优化模型参数

NMOSFET的等效电路如图3所示，在保证测试数据正确性的基础上，就可以依据几何、温度、器件物理效应等进行MOSFET的直流参数提取。Bsimpro3V3的主要物理模型机制有：阈值电压的短沟效应模型、阈值电压的窄沟效应模型、沟道的非均匀掺杂效应模型、因横向电场致电迁移衰减效应模型、体电荷效应模型、载流子速率饱和效应模型、DIBL（Drain induced barrier lowering）效应模型、CLM（Channel length modulation）效应模型、源漏寄生电阻效应模型等。

自动提取完成后，需要手动调整一些参数因子，对实测参数曲线和模型曲线进行拟合，使得我们的器件物理参数能符合物理模型，从而实现器件和工艺的高度统一，才能提供给设计公司，进行有针对、有目的的设计。优化流程见图4所示。

3.4 模型检查

模型建立完毕后，需要对模型参数的兼容性和重复性进行验证：可检查模型参数的范围，需要保证能满足有物理意义；可以用一个或一组器件对拟合好的模型参数进行检验，检查结果是否符合物理特性、具有兼容性和收敛性。检查是否会有不连续性或经过数学运算后电流是否连续，如果存在的话，将会导致环路的不收敛。可检查Ids、Gm、和Gds在不同宽长比MOSFET中的连续性，用3D图可以很直观地检查不同器件尺寸、不同温度、不同偏置下的电流分布情况。

图3 NMOSFET等效电路

图4 提参优化流程

3.5 模型报告

模型验证完毕后，可生成模型参数结果、拟合图形、误差图表和模型检查的报告。下面截取NMOS特征管演示本次拟合曲线和模型参数结果。

图6 拟合曲线

*

*LotName=LOT_NAME UserName=USER Date=02-14-2001

* Lmin=3 Lmax=50 Wmin=3 Wmax=50

.model NMOS NMOS

+Level= 49

*

* GENERAL PARAMETERS

*

+lmin=3.0e-6 lmax=5.0e-5 wmin=3.0e-6 wmax=5.0e-5

+Tref=27.0

+version =3.2

+Tox= 6.00E-08

+Toxm= 6.00E-08

+Xj= 1.0000000E-07

+Nch= 9.8863780E+15

+lln= 0.2000000

+lwn= 1.0000000

+wln= 1.0002366

+wwn= 0.6586173

+lint= -4.3054710E-09

+ll= 3.9725430E-09

+lw= 0.00

+lwl= 1.6920567E-14

+wint= 7.1871910E-07

+wl= 8.0474090E-14

+ww= -5.5881290E-11

+wwl= 0.00

+Mobmod= 1

+binunit= 2

+xl= 0.00

+xw= 0.00

+Lmlt= 1

+Wmlt= 1

+binflag= 0

+Dwg= 3.9968030E-15

+Dwb= 5.9000000E-08

* DIODE PARAMETERS

+ACM= 0

+ldif=0.00

+hdif=0.00

+rsh= 0

+rd= 0

+rs= 0

+rsc= 0

+rdc= 0

*

* THRESHOLD VOLTAGE PARAMETERS

*

+Vth0= 0.8600000

+K1= 1.0000000

+K2= 4.4500010E-02

+K3= 1.0013580E-03

+Dvt0= 0.2999999

+Dvt1= 0.2300000

+Dvt2= -4.7500000E-02

+Dvt0w= 0.00

+Dvt1w= 0.00

+Dvt2w= -2.5000000E-02

+Nlx= 1.0000004E-08

+W0= 1.7500000E-06

+K3b= -2.2000003

+Ngate= 1.0000000E+30

+Vfb= -0.6684150

*

* MOBILITY PARAMETERS

*

+Vsat= 1.7150000E+05

+Ua= 3.4600000E-09

+Ub= 9.9996440E-22

+Uc= -7.1180010E-13

+Rdsw= 2.5058270E+02

+Prwb= -9.5000010E-04

+Prwg= -9.5000010E-04

+Wr= 0.2784000

+U0= 8.0900000E-02

+A0= 1.0777190

+Keta= -5.2000000E-02

+A1= 9.9999970E-03

+A2= 0.4000000

+Ags= 9.0000000E-02+B0= 4.0000030E-07

+B1= 9.5000000E-08

*

* SUBTHRESHOLD CURRENT PARAMETERS*

+Voff= -0.1341194

+NFactor= 1.5615524

+Cit= -1.0000000E-04

+Cdsc= -1.0000000E-04

+Cdscb= 3.5189840E-05

+Cdscd= -9.9996030E-07

+Eta0= 2.2351742E-08

+Etab= 0.00

+Dsub= 0.2400000

*

* ROUT PARAMETERS

*

+Pclm= 7.8000000

+Pdiblc1= 0.00

+Pdiblc2= 5.9300600E-04

+Pdiblcb= -1.0000000E-03

+Drout= 0.9908958

+Pscbe1= 1.0000000E+08

+Pscbe2= 5.0656260E-07

+Pvag= 4.8000000

+Delta= 1.0000000E-02

+Alpha0= 0.00

+Alpha1= 0.00

+Beta0= 30.0000000

4 总结

至此完成了本次3.0 μm模型拟合，后续将再对参数的合理性进行必要的验证。通过该模型的建立，很好地解决了3.0 μm工艺和设计之间的接口问题，使设计公司可以依据该器件模型进行电路的设计而不会出现工艺上的偏离，保证了一次成功率。

[1]Michael Smith.ASICs.1997.

[2]黄振岗，译.MOS场效应晶体管的应用[M].北京：人民邮电出版社，1982.62.