40nmMOSFET性能波动分析与模型研究

1、40nm40nm MOSFETMOSFET 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

2、 的影响。研究表明，针对 40nm MOSFET, 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

3、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

4、 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_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

5、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

6、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

7、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，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

8、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 6-9Abstract9-13 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

9、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 2.4 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 40nmMOSFET 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

10、 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 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