寬度偏移量的確定方法
2023-05-09 08:08:01 4
專利名稱：寬度偏移量的確定方法
技術領域：
本發明涉及一種利用M0SFET輸入輸出特性確定MOSFET BSIM模型參數寬度偏移 量的方法，屬於微電子器件建模領域。
背景技術：
MOSFET為一種四埠半導體器件，在各個埠施加不同的激勵，器件的漏極電流
也會相應發生變化。通過對器件建立數學模型，得出輸入輸出的數學表達式，電路設計者使
用該模型進行電路設計的SPICE仿真。目前已提出多種關於MOSFET的數學模型，每種模
型都包含大量的參數。BSIM模型是器件模型的標準，被各大半導體生產商廣泛使用。溝道
寬度偏移量Wint便是其中一個重要的參數，它決定溝道的有效值，極大程度影響器件的輸入
輸出特性。溝道寬度偏移是器件在製作過程中由各種工藝因素(光刻誤差、再擴散等)造
成的實際值與設計值的不吻合。隨著工藝的進步，尤其在數字電路應用時，為了提高電路
集成度，器件的尺寸需要儘可能的小，溝道寬度也相應需要儘可能的小。我們知道，長溝道
MOSFET漏極電流Ids在線性區的計算公式為
l 爿
4 = ~Q f - ^ - f乙)乙方程1 Weff = Wdrawn_2Wint 方程2 其中Urff為載流子有效遷移率，C。x為溝道處單位面積電容，Wrff為器件溝道有效寬 度，Lrff為器件溝道有效長度，Vth為器件閾值電壓，Abulk為體電荷因子，Vgs、 Vds分別為柵極 電壓與漏極電壓，Wdrawn為溝道寬度設計值，Wint為寬度偏移量。從方程l可以看出，漏極電流Ids與溝道有效寬度Weff成正比關係。當技術發展到
深亞微米工藝水平時，即使溝道寬度有微小偏移，也會對器件的輸入輸出特性造成很大的 改變。因此，精確確定溝道寬度偏移量，對於電路設計有著極大的意義。目前，確定器件溝 道寬度偏移量的方法主要是根據生產經驗進行粗略估計，這種方法在深亞微米技術下顯然 存在較大的誤差。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於提供一種更準確的確定MOSFET BSIM模型參數寬度 偏移量的方法。用於得到較精確的器件溝道寬度偏移量。
為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案 1)提供至少三個相同溝道長度L，其中L > 10um、不同溝道寬度設計值WdMTOd的 MOSFET器件； 2)選定快速掃描電壓遞增幅度值A Vds，根據該快速掃描電壓遞增幅度值A Vds分 別測量上述MOSFET器件的Ids-Vds電學特性並繪製各自的Ids_Vds曲線；
3)採用數值二階微分法對所得的漏極電流L進行數學變換，獲得漏極電流L對 漏極電壓Vds的二階微分值Ids";
4)選擇漏極電壓V^在直角坐標系中繪製所有器件在該漏極電壓Vds下的二階微 分值Ids〃與溝道寬度設計值Wdrawn的線性曲線，該漏極電壓Vds的選擇保證MOSFET器件工 作在線性區； 5)延長步驟4)獲得的線性曲線直至與直角坐標系中的溝道寬度設計值Wdr,相 交，交點值的一半即為寬度偏移量。 本發明通過首先選擇一組(至少三個)擁有不同溝道寬度、相同溝道長度的 MOSFET器件。然後利用半導體參數測試儀測試所有器件的Id-Vds曲線。通過數學處理得到 曲線的二階微分值。繪製相同偏壓下的線性區二階微分值與溝道寬度的曲線。延長得到曲 線與橫軸(溝道寬度設計值Wd^J的交點，交點值的一半即為溝道偏移量Wint。從而得到較 精確的器件溝道寬度偏移量。
圖1為本發明涉及的測試儀器與器件截面示意圖；
圖2為本發明涉及的器件俯視示意圖；
圖3為本發明涉及的測試數據Ids_Vds曲線；
圖4為本發明涉及的Id/ -Vds曲線；
圖5為本發明涉及的Id/ -Wd，曲線。
具體實施例方式
下列實施例將有助於理解本發明，但並不限制本發明的內容。實例數據基於某 0. 09um製作工藝，其最小溝道寬度設計值為0. 5um。 首先選擇一組擁有相同溝道長度L(L > 10um，本例取10um)，溝道寬度設計值分別 為0. 5um、 lum、2um、5um和10um的MOSFET器件。 如附圖1至圖2所示的測量所有MOSFET器件的Ids_Vds電學特性測試方式。待測 MOSFET器件10的源極11、漏極12和柵極16分別由探針頭18、20和19與半導體參數測試 儀21 (如K4200、 B1500、 HP4156等)相連。 半導體參數測試儀21為源極11提供地電平，為柵極16提供1. 2V恆壓激勵，為漏 極12提供0-1. 32V的漏極電壓V^該漏極電壓Vds可以設置遞增幅度，(即快速掃描遞增電 壓幅度為AV^，其中，(X AVds<0.05V)。本實施例優選的快速掃描遞增電壓幅度為AVds 為0. 02V，同時根據漏極電壓Vds測量漏極12流經的相應漏極電流Ids。也可以獲得漏極電 流L的遞增幅度為AIds。 根據上述結果繪製Ids_Vds曲線24(如圖3所示)。本實施例中，選用5個不同的 溝道寬度設計值的MOSFET器件，所得的Ids_Vds曲線24共五條，圖3中僅一條示意。
MOSFET器件的溝道寬度有效值22和寬度偏移量23分別如圖2所示。13、 15、 17 分別為MOSFET器件的體區、柵氧和Spacer。
『/r ^ 對方程厶=ZVCOT —^ —f^)^變形可得漏極電流Ids對漏極電壓Vds
丄W 2
的二階導數公式
4
formula see original document page 5 得知，Ids〃與器件溝道有效寬度W^具有很好的線性關係，因此，要得到準確的 M0SFET寬度偏移量Wint獲得較為精確的Ids〃尤為重要。 其中Urff為載流子有效遷移率，C。x為溝道處單位面積電容，Wrff為器件溝道有效寬 度，Lrff為器件溝道有效長度，Vth為器件閾值電壓，Abulk為體電荷因子，Vgs、 Vds分別為柵極 電壓與漏極電壓，Wdrawn為溝道寬度設計值，Wint為寬度偏移量。 採用數值二階微分法(利用軟體編程或直接利用器件建模軟體)對附圖3所得的 五條Idd,曲線24進行數學變換。從而獲得較為精確的Id/ 。
具體的，利用如下公式獲得較為精確的Ids〃
formula see original document page 5
formula see original document page 5 其中，AIds'為漏極電流L導數的增量，AVds為漏極的快速掃描電壓遞增幅度 值，，L為漏極電壓. 本實施例中，選擇漏極的快速掃描遞增電壓幅度A Vds = 0. 02V以保證數值二階微 分儘可能精確。根據上式獲得的結果分別繪製Id/ -^3曲線25(共五條，圖4中僅一條示 意)。選擇某一漏極電壓Vds，滿足O <Vds< (Hh)/2，其中Vgs為柵極電壓，Vth為 M0SFET器件閾值電壓。本實施例中優選Vds = 0. 2V以保證器件工作在線性區，滿足方程
formula see original document page 5 其中Urff為載流子有效遷移率，C。x為溝道處單位面積電容，W^為器件溝道有效寬 度，Lrff為器件溝道有效長度，Vth為器件閾值電壓，Abulk為體電荷因子，Vgs、 Vds分別為柵極 電壓與漏極電壓，Wdrawn為溝道寬度設計值，Wint為寬度偏移量。 繪製該Vds情況下所有MOSFET器件的Ids 〃值與溝道寬度設計值WdMwn的曲線。本 實施例中，選擇Vds = 0. 2V，該情況下得到MOSFET器件的五個Ids〃值和五個溝道寬度設計 值Wd^，繪製該Id/ -Wd，n直線，延長該直線至橫軸(溝道寬度設計值W^J，獲得交點 27(如圖5所示)。交點27對應的數值的一半即為寬度偏移量Wint。本例中獲得的Wint值 為0. 0885urn。 上述實施例僅列示性說明本發明的原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟悉 此項技術的人員均可在不違背本發明的精神及範圍下，對上述實施例進行修改。因此，本發 明的權利保護範圍，應如權利要求書所列。
權利要求
寬度偏移量的確定方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟1)提供至少三個相同溝道長度L，其中L≥10um、不同溝道寬度設計值Wdrawnd的MOSFET器件；2)選定快速掃描電壓遞增幅度值Δds，根據該快速掃描電壓遞增幅度值ΔVds分別測量上述MOSFET器件的Ids-Vds電學特性並繪製各自的Ids-Vds曲線；3)採用數值二階微分法對所得的漏極電流Ids進行數學變換，獲得漏極電流Ids對漏極電壓Vds的二階微分值Ids″；4)選擇漏極電壓Vds，在直角坐標系中繪製所有器件在該漏極電壓Vds下的二階微分值Ids″與溝道寬度設計值Wdrawn的線性曲線，該漏極電壓Vds的選擇保證MOSFET器件工作在線性區；5)延長步驟4)獲得的線性曲線直至與直角坐標系中的溝道寬度設計值Wdrawn相交，交點值的一半即為寬度偏移量。
2. 如權利要求1所述的寬度偏移量的確定方法，其特徵在於，所述步驟2)中採用半導體參數測試儀測試所有MOSFET器件的電學特性。
3. 如權利要求1所述的寬度偏移量的確定方法，其特徵在於，所述半導體參數測試儀測試的三個探針頭分別與待測MOSFET器件的源極、漏極和柵極相連。
4. 如權利要求1所述的寬度偏移量的確定方法，其特徵在於，所述步驟2)中所述的漏極掃描電壓遞增幅度值0 < A Vds < 0. 05V。
5. 如權利要求1所述的寬度偏移量的確定方法，其特徵在於，所述步驟4)中選擇的漏極電壓Vds滿足0 < Vds < (V^-Vth)/2，其中，Vgs為柵極電壓，Vds為漏極電壓，Vth為MOSFET器件閾值電壓。
6. 如權利要求1所述的寬度偏移量的確定方式，其特徵在於，所述步驟3)中的二階微分法求的二階微分值Id/是採用公式formula see original document page 2其中，Vds為漏極電壓，L為漏極電流，AIds'為漏極電流L導數的增量，AVds為漏極的快速掃描電壓遞增幅度值。
7. 如權利要求5所述的寬度偏移量的確定方式，其特徵在於，所述步驟4)中選擇的漏極電壓Vds為大於0小於1. 32V。
8. 如權利要求1或5所述的寬度偏移量的確定方式，其特徵在於，所述步驟2)中所述的漏極掃描電壓遞增幅度值A Vds為0. 02V，所述步驟4)中選擇的漏極電壓Vds為0. 2V。
全文摘要
本發明提供一種確定MOSFET器件BSIM模型參數寬度偏移量Wint的方法。首先利用半導體參數測試儀測量至少3個擁有相同溝道長度、不同溝道寬度的MOSFET器件的Ids-Vds輸出特性；然後求出漏極電流Ids對漏極電壓Vds的二階導數Ids″；通過延長Ids″與MOSFET溝道設計寬度Wdrawn的曲線便可容易得到準確的MOSFET器件的寬度偏移量Wint。
文檔編號G01B21/02GK101726274SQ20091019972
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者伍青青, 王曦, 羅傑馨, 肖德元, 陳靜 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所