专利名称：Mos晶体管特性曲线仿真方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件测试技术领域，特别涉及一种MOS器件电压电流特性曲线的仿真方法。
背景技术：
随着半导体器件制造技术的飞速发展，在半导体集成电路中具有大量的绝缘栅极场效应晶体管(以下简称MOS晶体管)。沟道的长度影响器件的运行速度，随着集成电路的集成密度不断提高，MOSFET器件的沟道长度不断减小，目前已采用深亚微米的范围的短沟道MOSFET。通过比较沟道长度与漏衬pn结空间电荷区厚度来区分长和短，当二者为同一数量级时，该器件称为短沟道器件，输入输出器件通常为短沟道器件。
半导体集成电路的设计需要准确地获得每个MOS晶体管栅极电压和漏极电流的关系特性曲线。用户根据单个MOS晶体管的电流电压特性计算整个电路的功耗等参数。因此在仿真模型的建立过程中，准确反映MOS晶体管电压-电流特性是非常重要的。仿真模型不仅对半导体器件质量，对半导体器件生产方的质量控制和用户的验收使用亦非常重要。在半导体技术飞速发展的今天，半导体企业的器件生产无论在品种和数量上都具有相当的规模，因此要得到准确的仿真模型来反映实际的器件特性相对更加困难。申请号为98100425的中国专利中描述了一种仿真系统，通过不断地调整仿真参数得到与实测参数非常接近的仿真效果。具体到MOS晶体管的性能仿真过程中，根据MOS晶体管的设计参数，例如电学参数、MOS结构参数、硅衬底电荷模型参数等，利用大量的数学模型通过软件建立MOS晶体管仿真模型，利用仿真模型仿真MOS晶体管栅极电压-漏极电流参考特性曲线。这些曲线可以作为MOS晶体管实际栅极电压-漏极电流特性的理论参考值供用户使用。
在实际测量短沟道MOS晶体管的漏极电流时，仿真曲线和实测曲线经常出现偏差，而且这种偏差会出现随着有源区宽度的增加而增加的现象。图1是有源区宽度为10μm、沟道长度为0.28μm的MOS晶体管栅极电压-漏极电流仿真实测曲线对照图，图中实线为仿真曲线，点线为实测曲线。如图1所示，当栅极电压Vgs增加到大于2V后，仿真曲线和实测曲线出现偏差。图2是有源区宽度为100μm、沟道长度为0.28μm的MOS晶体管栅极电压-漏极电流仿真实测曲线对照图，图中实线为仿真曲线，点线为实测曲线。如图2所示，在栅极电压Vgs增加到大于2V时，仿真曲线和实测曲线之间的偏差已经达到了很大的程度。这说明随着有源区宽度的增加，在栅极电压Vgs相同的情况下，仿真曲线中漏极电流Ids值比实测曲线漏极电流Ids值偏大，仿真结果与实测值存在着较大的偏差。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种MOS晶体管电压电流特性曲线的仿真方法，以解决现有仿真方法中存在的仿真曲线和实测曲线之间的偏差随着有源区宽度的增加而增加的问题。
为达到上述目的，本发明提供的一种MOS晶体管特性曲线仿真方法包括下列步骤a.建立MOS晶体管的数学模型，生成仿真曲线；b.添加补偿电阻网络；c.拟合仿真曲线与实测曲线。
所述步骤b包括b1.提取实测系统的外部寄生电阻的阻值；b2.在仿真系统的数学模型中加入补偿电阻；b3.调整补偿电阻的阻值使其与外部寄生电阻的阻值相同。
所述步骤c包括c1.判断仿真曲线与实测曲线是否拟合，若拟合，则仿真结束；c2.若不拟合则调整补偿电阻的值，直至仿真曲线与实测曲线的拟合程度达到最佳。
所述补偿电阻包括固定电阻和/或可变电阻。
所述外部寄生电阻至少包括接触电阻和引线电阻。
本发明的另一种MOS晶体管特性曲线仿真方法包括下列步骤a.建立MOS晶体管的数学模型，生成仿真曲线；b.判断仿真曲线与实测曲线是否拟合，若拟合，则仿真结束，否则；c.添加补偿电阻网络；d.拟合仿真曲线与实测曲线。
所述步骤c包括c1.提取实测系统的外部寄生电阻的阻值；c2.在仿真系统的数学模型中加入补偿电阻；c3.调整补偿电阻的阻值使其与外部寄生电阻的阻值相同。
所述步骤d包括d1.判断仿真曲线与实测曲线是否拟合，若拟合，则仿真结束；d2.若不拟合则调整补偿电阻的值，直至仿真曲线与实测曲线的拟合程度达到最佳。
所述补偿电阻包括固定电阻和/或可变电阻。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点在测量MOS晶体管漏极电流时，探针、接插件等会产生接触电阻，电缆本身的引线电阻等，这些电阻统称为外部寄生电阻，随着MOS晶体管有源区宽度的增加，栅极和沟道的体电阻变小，测试系统加在栅极上的测试电压在外部寄生电阻上的分压增加，相应地，施加在栅极上的电压就会降低。现有仿真方法在仿真过程中没有考虑外部寄生电阻的影响，仿真过程中MOS晶体管的栅极电压比实际加在MOS晶体管栅极上的电压要大，导致仿真曲线与实测曲线出现偏差。本发明的MOS晶体管特性曲线仿真方法在仿真过程中通过提取外部寄生电阻的阻值，将其添加到仿真算法的补偿电阻网络数学模型中，亦即在仿真过程中将外部寄生电阻分压作用带来的影响添加到仿真模型中，从而得到与实测MOS晶体管栅极电压-漏极电流测试曲线更接近的仿真曲线。
图1是现有仿真测试方法中有源区宽度为10μm的MOS晶体管栅极电压-漏极电流仿真-实测曲线对照图；图2是现有仿真测试方法中有源区宽度为100μm的MOS晶体管栅极电压-漏极电流仿真-实测曲线对照图；图3A为N型MOS晶体管结构剖面图；图3B为MOS晶体管制造版图结构示意图；图4A为MOS晶体管漏极电流测试系统结构示意图；图4B为MOS晶体管漏极电流测试系统等效电路示意图；图5为现有MOS晶体管电压电流特性仿真系统等效电路示意图；
图6为本发明MOS晶体管电压电流特性仿真系统等效电路示意图；图7为本发明MOS晶体管电压电流仿真方法流程图；图8是本发明仿真测试方法的有源区宽度为10μm的MOS晶体管栅极电压-漏极电流仿真-实测曲线对照图；图9是本发明仿真测试方法的有源区宽度为100μm的MOS晶体管栅极电压-漏极电流仿真-实测曲线对照图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
本发明的仿真方法在仿真系统中加入了补偿电阻，补偿电阻的值与实测系统中外部寄生电阻值相当，使得外部寄生电阻的分压作用被加入仿真模型中，仿真过程中施加在栅极上的电压更接近实测时施加在MOS晶体管栅极上的电压，因此得到的栅极电压-漏极电流仿真曲线更接近于实测曲线。
MOS晶体管可以是N型或P型，本实施例中针对N型MOS晶体管的情况进行说明。在P型MOS晶体管的情形中可以进行类似的处理。图3A为N型MOS晶体管结构剖面图，如图3A所示，MOS晶体管位于有源区，两个n型区分别是源区S和漏区D，源区S和漏区D之间硅衬底表面氧化层上形成有栅极G。图3B为MOS晶体管制造版图结构示意图，通常用有源区的宽度W和栅极长度L来定义一个MOS晶体管。在自对齐结构中，源区S和漏区D之间沟道的有效宽度对应于有源区的宽度W，源区S和漏区D之间沟道的长度对应栅极的长度L。一般源区S和漏区D是断开的，必须有一定电压加在栅极G上，使得硅表面形成n型反型层时，才有导电沟道将源极和漏极连接起来，当在漏极加上电压，而将源极接地时，就会有电流从漏极流向源极。当表面反型，并且在源极S和衬底之间加上电压时，载流子将从源极S流入沟道，从漏极D流出。考虑到导电载流子的极性，n沟道MOS晶体管的电流方向是从漏极到源极，p沟道MOSFET是从源极到漏极。给栅极施加的电压越大，所产生的沟道的尺寸就越大，就允许更大的电流通过晶体管，通过调节栅极-衬底电压Vgs或源极-漏极电压可以控制漏极电流Ids的大小。
根据电阻和电阻率的关系，在栅极长度L不变的情况下，漏区D和源区S之间的电阻Rds和有源区宽度W是成反比关系，即有源区宽度W越大，沟道电阻Rds越小，因此，漏极电流Ids正比于有源区宽度W和栅极长度L的比，即Ids∝W/L。在加相同的栅极电压的情况下，当沟道长度L一定时，有源区宽度W越大，漏源电流Ids越大。在实际测试系统当中，由于外部寄生电阻的存在导致漏极电流Ids增加的趋势会随着栅极电压的增加而降低，这说明外部寄生电阻消耗了一小部分加在栅极上的电压，尤其在短沟道MOS晶体管的情况下，由于沟道电阻Rds很小，外部寄生电阻的分压作用就相对明显。图4A为MOS晶体管漏极电流测试系统结构示意图。如图4A所示，测试系统包括测试仪器11、电缆12、转接头13、测试探针14，探针14接触到待测器件10对其进行参数测量。在测量时，探针、连接器、电缆、开关、接地回路等都可能产生接触电阻，我们将其统称为外部寄生电阻，当这个电阻上的分压很大时，会使器件本身的电压降低，导致所测漏端电流的减小。图4B为MOS晶体管漏极电流测试系统等效电路示意图。如图4B所示，Rd表示外部寄生电阻，Rds表示沟道电阻，设测试仪器输出电压为Vgs，施加在MOS晶体管栅极上的电压为Vgs’，那么Vgs’＝Vgs*Rds/(Rd+Rds)①由式①可知，当外部寄生电阻Rd增加时，Vgs随之减小，而且，当有源区宽度W从10μm增加到100μm时，即有源区宽度增加了10倍，相应的，Rds降低了10倍。当沟道电阻Rds很小的情况下，Rd的分压作用就很明显。而现有仿真测试系统中的仿真模型在仿真MOS晶体管栅极电压-漏极电流测试曲线时，并没有考虑到外部寄生电阻Rd的分压作用。图5为现有MOS晶体管漏极电流仿真系统等效电路示意图。如图5所示，测试系统仿真模型施加在MOS晶体管栅极上的电压仍然是Vgs，显然Vgs＞Vgs’，通过计算得出的漏极电流Ids的仿真值必然大于实测值。因此出现图1和图2所示的仿真曲线高于实测曲线的情形。而且由于有源区宽度增加，沟道电阻Rds变小，在栅极电压相同的情况下，图2中的仿真曲线与实测曲线的偏差更大。
为了使仿真曲线与实测曲线更好地拟合，本发明的MOS晶体管仿真方法中，在仿真测试系统的数学模型中添加了补偿电阻参数。图6为本发明MOS晶体管特性曲线仿真系统等效电路示意图。如图6所示，本发明的仿真方法在仿真系统中添加了补偿电阻Rd，其数值相当于实际片上测试系统中外部寄生电阻的阻值，Rd可以是由固定电阻和可变电阻组成的电阻网络，分别定义漏端和源端的Rd为Rdc和Rsc。令Rd＝Rdc+Rsc且一般可认为Rdc＝Rsc，通过调节Rdc和Rsc，使Rd与实际的外部寄生电阻值接近或相等。这样施加在仿真MOS晶体管数学模型上的栅极电压Vgs”就与实测时施加在MOS晶体管栅极上的电压Vgs’接近或相等，因此仿真出的漏极电流与实测漏极电流值就基本上相等，仿真曲线和实测曲线的拟合程度得到了很好的改善。
图7为本发明MOS晶体管漏极电流仿真方法流程图。本发明的仿真方法首先建立仿真系统的数学模型，然后添加补偿电阻网络并拟合仿真曲线与实测曲线。建立仿真系统的数学模型的步骤还包括输入MOS晶体管特性参数建立MOS晶体管仿真模型的步骤。在添加补偿电阻网络的步骤中先提取实测系统的外部寄生电阻的阻值；然后在仿真系统的数学模型中加入补偿电阻；接着调整补偿电阻的阻值使其与外部寄生电阻的阻值相当。在拟合仿真曲线与实测曲线的步骤中首先判断仿真曲线与实测曲线是否拟合；若拟合程度不佳则调整补偿电阻的值，直至仿真曲线与实测曲线的拟合程度达到最佳，即仿真曲线与实测曲线之间的距离达到最短。补偿电阻包括固定电阻和/或可变电阻。外部寄生电阻至少包括接触电阻和电缆的引线电阻。本发明的仿真方法亦可以是这样的步骤首先建立仿真系统的数学模型；然后判断仿真曲线与实测曲线是否拟合，若拟合，则说明仿真效果比较好，否则就需要添加补偿电阻网络，包括提取实测系统的外部寄生电阻的阻值；在仿真系统的数学模型中加入补偿电阻；调整补偿电阻的阻值使其与外部寄生电阻的阻值相当。然后再拟合仿真曲线与实测曲线，首先判断仿真曲线与实测曲线是否拟合；若拟合程度不佳则调整补偿电阻的值，直至仿真曲线与实测曲线的拟合程度达到最佳。如图7所示，首先建立仿真系统的数学模型(S101)；添加补偿电阻网络(S102)；判断仿真曲线与实测曲线是否拟合(S103)；若拟合程度不佳则调整补偿电阻的值，直至仿真曲线与实测曲线之间的距离为最短，即仿真曲线与实测曲线的拟和程度达到最佳(S104)。
图8是本发明仿真方法的有源区宽度为10μm的MOS晶体管栅极电压-漏极电流仿真-实测曲线对照图；图9是本发明仿真方法的有源区宽度为100μm的MOS晶体管栅极电压-漏极电流仿真-实测曲线对照图。图中实线为仿真曲线，点线为实测曲线。如图8和图9所示，本发明的仿真测试方法通过添加了补偿电阻，使得无论是有源区宽度为10μm还是有源区宽度增大到为100μm的MOS晶体管，栅极电压-漏极电流特性的仿真曲线与实测曲线的拟和都得到了不同程度的改善，特别是对于有源区宽度为100μm短沟道MOS晶体管，本发明的仿真方法的仿真效果十分明显，仿真曲线与实测曲线的拟和程度非常好。
补偿电阻Rdc和Rsc的值可以根据经验进行调整而得到。应当指出，补偿电阻对于交付用户的仿真模型来说是没有实际用处的，用户后续的电路设计和仿真过程中是不会使用上述补偿电阻的。补偿电阻只是在对器件的仿真过程中，为了达到更好的仿真效果才添加到模型中。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1.一种MOS晶体管特性曲线仿真方法，包括下列步骤a.建立MOS晶体管数学模型，生成仿真曲线；b.添加补偿电阻网络；c.拟合仿真曲线与实测曲线。
2.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于所述步骤b包括b1.提取实测系统的外部寄生电阻的阻值；b2.在仿真系统的数学模型中加入补偿电阻；b3.调整补偿电阻的阻值使其与外部寄生电阻的阻值相同。
3.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于所述步骤c包括c1.判断仿真曲线与实测曲线是否拟合，若拟合，则仿真结束，否则；c2.调整补偿电阻的值，直至仿真曲线与实测曲线的拟合程度达到最佳。
4.如权利要求2所述的仿真方法，其特征在于所述补偿电阻包括固定电阻和/或可变电阻。
5.如权利要求2所述的仿真方法，其特征在于所述外部寄生电阻至少包括接触电阻和引线电阻。
6.一种MOS晶体管特性曲线仿真方法，包括下列步骤a.建立MOS晶体管的数学模型，生成仿真曲线；b.判断仿真曲线与实测曲线是否拟合，若拟合，则仿真结束，否则；c.添加补偿电阻网络；d.拟合仿真曲线与实测曲线。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤c包括c1.提取实测系统的外部寄生电阻的阻值；c2.在仿真系统的数学模型中加入补偿电阻；c3.调整补偿电阻的阻值使其与外部寄生电阻的阻值相同。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤d包括d1.判断仿真曲线与实测曲线是否拟合，若拟合，则仿真结束；d2.若不拟合则调整补偿电阻值，直至仿真曲线与实测曲线的拟合程度达到最佳。
9.如权利要求7所述的仿真方法，其特征在于所述补偿电阻包括固定电阻和/或可变电阻。
全文摘要
本发明的仿真方法在仿真系统中添加补偿电阻网络，拟合仿真曲线与实测曲线。补偿电阻的值与实测系统中外部寄生电阻值相当，使得外部寄生电阻的分压作用被加入仿真模型中，仿真过程中施加在栅极上的电压更接近实测时施加在MOS晶体管栅极上的电压，因此得到的栅极电压－漏极电流仿真曲线更接近于实测曲线。
文档编号G01R31/319GK101029916SQ20061002431
公开日2007年9月5日 申请日期2006年3月2日 优先权日2006年3月2日
发明者苏鼎杰, 刘丕均, 何佳, 朱辉 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司