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1、40nm MOSFET性能波动分析与模型研究【摘要】：随着CMOS技术发展至深纳米工艺级别，器件尺寸等比例缩 小和电源电压持续降低引发了巨大的技术挑战。 新材料和新技术取代 传统CMOS制造工艺，带来了诸如多晶硅栅耗尽、漏致阈值电压漂移、 邻近效应、可靠性降低、工艺波动影响增大等一系列过去不曾出现或 不显著的物理效应，给器件性能带来影响。因此，建立涵盖上述效应、 适用于深纳米VLSI设计、精准的MOSFET模型极为重要。本论文重点研究了 40nm MOSFET性能波动性物理机制和模型，分 析了版图邻近与工艺波动因素对40 nm器件物理效应变化和性能波动 的影响。研究表明，针对40nm MOSF
2、ET, STI(浅沟槽隔离)、阱、栅、 接触孔、有源区等版图布局及尺寸变化均影响 MOS器件物理效应的 变化，从而导致器件性能偏差。而业界广范使用的BSIM和PSP等模型仅具有对上述因素中STI邻近和阱邻近的仿真能力，不具备其它版 图邻近效应模块，无法准确描述该工艺节点及以下 MOS器件性能。同 时，器件尺寸不断缩小而硅圆晶片尺寸不断增大导致工艺波动影响日 益显著造成相同器件和不同重复单元(Die)上相同器件的性能偏差，而 描述工艺波动的传统 Corner模型对电路设计提出了非常苛刻的冗余 要求,因此以蒙特卡洛分析为基础的统计模型以其精确的对器件性能 波动的物理描述成为未来发展的趋势。本文选择
3、紧凑模型委员会(CMC)最新确立的晶体管模型行业标准 PSP模型为建模基础，开展版图邻近效应和工艺波动的模型扩展研究。 PSP模型是表面电势模型，在对称性、亚阈值与饱和区连续性、非准 静态特性等描述上更接近器件实际物理特性。针对版图邻近效应对器件性能波动性研究，本论文进行了理论推导和数据分析，通过修正两个PSP内建模型参数：与尺寸无关的平带 电压vfbO和零电场载流子迁移率表达式，修正了深纳米器件的阈值 电压机制和迁移率机制。研究中，将上述参数修正应用于器件阈值电 压和漏极电流计算，实现了版图邻近效应的建模，新建模型涵盖了造成 器件性能波动的8个版图邻近因子：相邻栅极间距pc,邻近栅个数pc_
4、dum接触孔个数ca_num接触孔列数ca_col相邻接触孔与栅极间 间距ca：相邻有源区的横向间距sodxl、sodx2和纵向间距sody;相邻 阱与有源区边界的间距 nrx1和nrx2。建模中，分别为NMOSFET和 PMOSFET设计了 82个测试结构并实现制备和测试。模型提取结果 显示,本论文所建立的版图邻近效应模型使设计结构的仿真误差大大 降低,对最高6-8mV的阈值电压偏差和5%-7%的漏极电流偏差实现了 准确模拟,同时监控了器件关键特性参数 最大跨导，实现了良好仿 真。器件模型的价值是用于电路设计和仿真，本文完成了将新建的版图邻近效应模型嵌入电路设计流程的工作，针对上述8个版图相
5、关性 因子，在LVS（layout vs. schemetic版图与电路图比对）规则文件中添加 相应规则语句，实现了版图参数值的自动提取。提取所得网表文件的 有效仿真,进一步验证了模型和提取规则的正确性。针对深纳米技术中，工艺波动引起的器件性能波动，本文采用基于 蒙特卡洛的统计方法，通过理论和数据分析，进行了 9个PSP内建模型 参数的高斯分布函数表示，其中包括栅氧厚度toxO、源漏掺杂的横向 扩散导致的有效沟道长度的减少量lap、由沟道阻断掺杂的横向扩散 导致的有效沟道宽度变化量 wot、与尺寸无关的平带电压vfb0及其尺 寸调节参数vfbw、vfbl和vfblw、零电场迁移率 卩0和依赖于
6、沟道面 积的迁移率饱和速率调节参数thesatlw等，并进一步建立了全局统计模型，分析不同重复单元上的MOSFET性能分布。模型提取结果表明 模型的均方差。误差小于5%,中值误差小于2%,符合产业技术要求。本文基于国有40nm工艺平台，自主建立并完善了 40nm MOSFET的版图邻近效应模型及工艺波动模型，取得的突出成果如下:yiT 论女第表&冢1、自主创建了参数完善的基于 PSP的40nmMOSFET版图邻近效 应模型，该模型能更精准描述深纳米 MOS器件的物理机制，极大地提 高了拟合精度。2、自主实现了版图邻近因子参数值的 LVS自动提取，将版图邻近效应模型嵌入电路设计和仿真流程
7、，从而指导深纳米技术的电路设计。3、 自主建立关键模型参数的高斯分布函数形式，实现了基于蒙特 卡洛分析的40nm MOSFET全局统计模型,该模型不仅能描述工艺波 动导致的器件性能偏差，且模型拟合精度达到了集成电路产业的技术 要求。本论文受以下项目资助：国家科技重大专项(核高基)“45nr成套产 品工艺及IP-1”(2009ZX020232-1)子课题“45nm器件模型与参数提 取”【关键词】：PSP模型 版图邻近效应 统计模型 应力模型工艺波动纳米级 MOSFET SPICE【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2012【分类号】：TN386【目录】:摘要6-9A
8、bstract9-13第一章 绪论13-27 1.1研究背景13-141.2发展动态分析14-191.2.1国际研究现状 14-181.2.2国内研究现状18-19 1.3论文的选题与意义19-201.4本文研究内容与结构20-21本章参考文献21-27第二章 深纳米MOSFET性能波动性分析27-492.1版图邻近效应27-342.1.1应力因素28-322.1.2注入散射因素32-332.1.3光刻邻近导致的图形偏差33-342.2版图邻近效应的分析技术yiT论女為表&冢34-37 2.3器件统计模型37-40231工艺波动的影响研究37-38232统计模型的分析技术38-40 2
9、.4 PSP模型与SPICE仿真程序介绍40-44 本章小结44-45 本章参考文献45-49第三章40nm MOSFET的PSP直流模型提取49-57 3.1测试结构设计49-50 3.2 模型提取结果50-563.2.1 C-V提取结果51-523.2.2 I-V 提取结果52-543.2.3温度效应提取结果54-56本章小结56本章参考文献56-57第四章40nm MOSFET的版图邻近效应模型研究57-92 4.1版图相关性因子及基本模型参数选择分析58-624.1.1版图相关性因子分析58-594.1.2用于版图相关性建模的基本模型参数选择与分析59-624.2版图邻近效应的模型创建
10、62-674.2.1栅邻近因子建模63-644.2.2接触孔邻近因子建模64-654.2.3有源区邻近因子建模65-664.2.4阱与有源区邻近因子建模66-674.2.5版图邻近因子合成67 4.3测试结构设计67-72 4.4实验数据的测试与分析72-754.4.1实验数据的测试72-734.4.2测试数据分析73-75 4.5模型提取与验证75-904.5.1栅邻近的拟合结果与分析76-804.5.2接触孔邻近的拟合结果与分析80-844.5.3有源区邻近的拟合结果与分析84-874.5.4阱与有源区邻近的拟合结果与分析87-894.5.5模型参数值89-90本章小结90本章参考文献90-92第五章版图邻近因子的自动提取与仿真 92-1055.1 LVS规则的修改93-1005.1.1 LVS文件及语法93-945.1.2普通 MOSFET的LVS提取规则94-955.1.3版图相关性MOSFET的LVS提取规则95-100