器件模型参数变化对MOSFET特性的影响.doc

器件模型参数变化对MOSFET特性的影响摘要本次仿真在ADS软件下进行，模拟器件的S模型参数变化时，器件的直流特性、频率特性的变化。仿真过程中绘制了跨导、迁移率、特征频率与器件的栅氧化层厚度、衬底掺杂浓度、快界面态密度、横向扩散长度、沟道调制系数的特性曲线，了解了这些参数变化对器件直流特性，交流特性的影响。1、 引言MOS晶体管的发明可追溯到20世纪30年代初。1930年，德国科学家Lilienfeld（利林费尔德）提出了场效应晶体管的概念。之后，贝尔实验室的Shockley（肖克利）、Bardeen（巴丁）和Brattain（布拉顿）开始尝试发明场效应晶体管。尽管这一尝试以失败告终，却最终导致Bardeen和Brattain在1947年意外地发明了点接触双极晶体管。1949年Shockley用少子注入理论阐明了双极晶体管的工作原理，并提出了可实用化的结型晶体管概念。1960年，Kahng和Attala在用二氧化硅（SiO2）改善双极晶体管性能的过程中意外地发明了MOS场效应晶体管(简称MOS晶体管)，从此，MOS晶体管进入集成电路的制造行业，并逐渐成为了电子工业中最重要的电子器件【1】。对于MOSFET而言，其内在矛盾很多，而其中的一个重要矛盾就是其工作频率的提高与增益的提高是不相容的，这集中就表现在它的“工作频带宽度与电压增益的乘积等于一个常数”这个关系上（该常数就是特征频率）。由于MOSFET的上述内在矛盾限制着器件性能的进一步提高，所以在设计MOSFET时，就必须兼顾频率和增益这两个方面的要求。本次仿真的目的就是了解这些器件的S参数变化对器件直流特性，交流特性的影响，从而在设计电路和器件时可以通过调整S参数来改善器件的特性。2、 器件模型集成电路经历了由小规模、中规模、大规模到目前超大规模集成电路的发展，电路集成度的不断提高，主要源于半导体器件的尺寸持续缩小及生产工艺的不断进步随着集成电路规模的扩大以及工艺的不断复杂化，用手工技术或者实验的方法去完成电路的设计已经是不可能的，为了能够准确地对集成电路进行设计和分析，必需使用计算机辅助设计模拟软件，SPICE就是电路设计领域最具代表性的模拟工具。为了适应集成电路技术与电路仿真技术的发展，SPICE在其中建立了多个级别的MOSFET模型。电路模型指可用计算机运算的数学模型，在电路模拟程序中建立电路元器件的数学模型，是实现电路模拟的先决条件。理论上，元器件模型应该既能反映电学特性又能适应计算机的求解计算。但是随着元器件模型精度的提高，模型会变得愈加复杂，模型参数的数量也愈加庞大，这样在计算机实现起来就愈加困难【1】。若单纯为了有利计算机计算而简化模型，则又会产生分析结果不精确的问题。因此，电路元器件模型的设计，需结合实际需求综合考虑。一般情况下，精度和复杂度较高的器件模型常用在单管设计或元器件物理模型的研究中。而在分析一般电路时，应该在满足一定精度要求的前提下，尽量选择利于计算机实现的简单模型。电路模拟的精确度不仅与器件的模型有关，还和器件模型参数值的精度密切相连。在构建器件模型时，要尽可能的使得器件参数都具有明确的物理意义，并且还要与器件工艺参数相关。模型的参数即使无法直接与工艺参数相关，也应该能用一定的测试手段测量出来。构建器件数学模型的方法有两种：一种是以IBIS模型和S参数为代表的行为级模型。此类模型不涉及器件的工作机理，只考虑器件的电学工作特性，通过测量器件端口的电气特性的方法来提取器件模型。行为级模型优点是易于建立，便于工程设计人员理解，节约资源，模型的适用范围也很广泛等，而它们的缺点是模型精度较差，且模型的一致性与测试精度和测试技术有关。另一种构建器件数学模型的方法是以SPICE为代表的模型，此类模型以半导体器件的工作机理为前提，从器件的数学方程式出发，所得的模型与器件的物理密切相关。这类模型的优点是模型计算精度高，并且随着建模手段的进步和半导体工艺的发展，人们已能针对不同的精度需求来提供多种不同级别的SPICE模型。这类模型的缺点是模型比较复杂，计算时间较长【2】。SPICE有如下四个基本等级的MOSFET模型：MOSl模型，一级平方率模型。通常用于精确度相对于计算时间处于次要地位的情况，是一个以器件物理为基础的模型。该模型只考虑了MOSFET的基本性能，适用于均匀掺杂的长沟道的半导体器件。由于模型的计算方程简单，容易被电路设计人员理解，所以目前在手算和电路的初步模拟的时候仍有使用。MOS2模型，二级平方率模型。它是一个基于几何构型的模型，它在定义模型方程的过程中详细地考虑了器件的物理参数。类似饱和速度、迁移率衰减和漏极诱导势垒降低(DIBL)这样的影响均在模型中有所反映。其次，在这个纯粹基于物理性质的模型中，还包括了先进亚微米加工过程中的所有3D影响，这也就意味着该模型具有极高的复杂程度，因而是不可取的。MOS2模型针对几种短沟道效应进行了修正，考虑了一些小尺寸器件产生的二级效应，但是对于亚微米MOS器件来说，模型仍然不准确。 MOS3模型，是一个采用半经验方法开发出来的模型，它主要用于解决短沟道效应和窄沟道效应。该模型利用测量获得的器件数据来决定具体的模型参数，设计该模型的主要目的是为了克服MOS2模型在计算模拟过程中所存在的计算缺陷，采取的具体手段是将电流方程简化到更易于处理的水平上。沟道长度在2微米的MOSFET的工作特性可以通过该模型相当精确地模拟出来。然而，因为MOS3模型在建立过程中采用的是半经验方式，因此模型运用的均是近似的器件物理特性，并且依赖于合适地选择经验参数来保证与实验数据相吻合，所以还需要一个与真实物理特性联系更加紧密的短沟道和窄沟道MOSFET模型。 四级模型为BSIM模型，该模型的建立是以小几何构型MOS晶体管的器件物理特性为基础，同时兼顾到了弱反型和强反型这两种状态，考虑了很多器件尺寸和工艺变化效应目前应用于短沟道器件模拟的最普遍的SPICE模型就是BSIM3第3版或BSIM3v3模型，该模型在1996年被选为第一个MOSFET的标准模型，它是完全建立在物理模型的基础上的BSIM3模型由于考虑了很多效应，所以模型参数多，方程复杂。BSIM3能够精确地模拟MOS晶体管的直流特性但也存在很多的不足，尤其是模型参数过多，不利于电路设计人员的理解和使用。（1） Level 2 MOS模型二维解析模型阶模型所使用的等效电路和一阶模型相同，等效电路如图1，但模型计算中考虑了各种二阶效应对MOS器件漏电流及阈值电压等特性的影响。这些二阶效应包括： 、沟道长度对阈值电压的影响；、漏栅静电反馈效应对阈值电压的影响；、沟道宽度对阈值电压的影响；、迁移率随表面电场的变化；、沟道夹断引起的沟道长度调制效应；、载流子漂移速度限制而引起的电流饱和效应；、弱反型导电。图 1 二级模型的等效电路1 短沟道对阈值电压的影响 沟道长度L的减少，使衬底耗尽层的体电荷对阈值电压贡献减少。体电荷的影响是由体效应阈值系数体现的，它的变化使变化。考虑了短沟效应后的体效应系数为：可见，当沟道长度L减小时阈值电压降低，而沟道宽度W变窄时阈值电压提高。2 静电反馈效应 随着的增加，在漏区这一边的耗尽层宽度会有所增加，这时漏区和源区的耗尽层宽度WD和WS分别为： ，式中，因此修正为： 可见，由于的增加而造成的WD增加，会使阈值电压进一步下降。 3 窄沟道效应实际的栅总有一部分要覆盖在场氧化层上(沟道宽度以外)，因此场氧化层下也会引起耗尽电荷。这部分电荷虽然很少，但当沟道宽度W很窄时，它在整个耗尽电荷中所占的比例将增大。与没有“边缘”效应时的情况相比较，栅电压要加得较大才能使沟道反型。这时被修正为：4 迁移率修正 在栅电压增加时，表面迁移率率会有所下降，其经验公式为：式中， 0表面迁移率；Ecrit为栅-沟道的临界电场强度；Etra是横向电场系数，它表示对栅-沟道电场的影响；EEXP为迁移率下降的临界指数系数。5 沟道长度调制效应 当增大时，MOS管的漏端沟道被夹断并进入饱和，进一步增大，该夹断点向源区移动，从而使沟道的有效长度减小，这就是沟道长度调制效应 。在考虑了沟道长度调制效应后，器件的有效沟道长度为：式中：6 载流子有限漂移速度引起的电流饱和 对于同样的几何尺寸比、同样的工艺和偏置，短沟道器件比起长沟道器件来讲饱和电流要小。 在MOS2模型中，引入了参数Vmax表示载流子的最大漂移速率，于是有：7 弱反型导电 MOSFET并不是一个理想的开关，实际上当时在表面处就有电子浓度，也就是当表面不是强反型时就存在电流。这个电流称为弱反型电流或次开启电流。SPICE2中定义一个新的阈值电压VON，它标志着器件从弱反型进入强反型。当VON时为弱反型，当VON时，为强反型。在弱反型导电时，漏源电流方程为： （2） 模型参数的物理意义SPICE软件在其中建立了所有半导体器件的模型，为了能准确地模拟被测电路，这里首先来介绍SPICE软件中MOS晶体管的二级模型及其模型参数表。表 1 level 2模型参数参数名惯用符号参数说明TOXtox栅氧化层厚度PHI强反型时的表面势XJxj源漏节深度TPG栅材料类型VTOVtoVbs=0时的阈值电压DELTA沟道调制系数LDLD横向扩散长度KP工艺跨导系数Uo表面迁移率RSHR漏源扩散层电阻GAMMA体效应系数NSUBNsub衬底掺杂浓度NFS表面快态密度CJSWCJIW与场氧相邻处单位源漏周长零偏压侧壁结电MJSWMJSW侧壁梯度因子MJMj衬底结梯度因子CJCJ0单位源漏面积零偏压衬底底部结电容本次仿真中采用的模型参数如下图2：图 2 仿真的模型二的参数3、 模拟结果及讨论（1） 直流特性1 转移特性曲线将的电压值定为5V，通过ADS软件扫描从0到10V时的漏极电流。得到的仿真结果如图3。图 3 NMOS的转移特性曲线可以看到，模型的阈值电压是=0.85V，而从仿真结果图上看出，当大于1V后才有电流，这可能模型中其他二级效应对阈值电压的影响。当小于阈值电压时，ID为零时；当大于模型的阈值电压，ID随之增大。这是由于固定后，增大栅极电压，会使MOS管的沟道中的反型电子数目增多，是的电流增加。2 输出特性曲线将的电压值定为5V，通过ADS软件扫描从0到10V时的漏极电流。得到的仿真结果如图4。图 4 NMOS的输出特性曲线通过NMOS的输出特性曲线可以看出，当小于2.8V左右时，这时NMOS处于线性区，电流公式为随着的增大时，ID随之快速增大；当大于2.8V时，这是NMOS管处于饱和区，,随着增大，ID缓慢的增加。MOS管的电流公式为，理想情况下,从公式上可以看出，当MOS管处于饱和区时，其漏电流是与无关的，在输出特性曲线上表现为ID不随增加而增大。而实际的仿真结果是饱和区的电流在缓慢的增加，这是由于MOS管中存在着二级或三级效应【3】。通过ADS同时扫描变化时输出特性曲线得到如图2的仿真结果图、在输出特性的扫描仿真上叠加对从0V变化到10V时的扫描，得到电流的变化曲线如图4。图 5 ID-的特性曲线图中横坐标为，从0V到10V共扫描了9条曲线。图中的m1所在曲线为为10，m2点所在曲线为为7.7，m3点所在曲线为为5.5。可以看出饱和区与线性区的临界值在不断的增大。越大，电流越大，越大，电流值也越大。3 对NMOS的影响（1） Gm与的关系将固定为5V，固定为5V，使MOS管处于饱和区，通过软件ADS扫描Gm随变化的值，的变化范围为20nm到100nm，得到仿真图如图4。通过软件公式编译，绘制出1/Gm与的关系曲线,得到仿真图如图6。 图 6 Gm与关系曲线 图 7 1/Gm与关系曲线从图6可以看出，随着栅氧化层（）厚度增加，Gm是呈下降的趋势。跨导在饱和区的公式为,其中，。将带入跨导公式整理可得1/Gm与是线性关系，图7的仿真结果图正好验证了这一线性关系。（2） 迁移率与的关系在做完扫描后，首先通过公式编译得到跨导Gm与的关系，再通过跨导值来求出迁移率的值，公式为,得到仿真图如图8。图 8 迁移率与的特性曲线 迁移率的公式为，其中，将Cox带入迁移率公式够可得迁移率与栅氧化层的厚度成反比。从仿真结果上也可以看出，随着增加，迁移率快速下降。4 Lambda对NMOS的影响（1） Gm与Lambda的关系将固定为5V，固定为5V，使MOS管处于饱和区，通过软件ADS扫描ID随Lambda变化的值，Lambda的变化范围为0.01到100nm，通过软件公式编译，绘制出Gm与Lambda的关系曲线,得到仿真图如图9。图 9 Gm与Lambda的特性曲线NMOS管加了沟道调制的影响后的电流公式为：，求导后得到跨导公式为，从公式上可以看出Gm随着沟道调制系数Lambda的增大而增加。从仿真结果上也可以看出，随着沟道调制系数的增大，NMOS管的跨导也是一直在增加的，仿真结果与理论分析的结果一至。当栅和漏之间的电压增大时，实际的反型沟道长度逐渐减小，实际沟道长度是的函数。应该对饱和区的跨导公式进行修正，修正后的公式为：。从公式中可以看出Lambda与Gm的线性关系，随着Lambda增大，Gm也增大。从仿真图中可以明显看出随着Lambda增加，Gm也在增大，但Lambda与Gm不是呈线性增加，可能是Lambda的改变同时也会影响其他参数。（2） 迁移率与沟道调制系数Lambda的关系同样在做完扫描后，首先通过公式编译得到跨导Gm与沟道调制系数Lambda的关系，再通过跨导值来求出迁移率的值，由于考虑沟道调制系数后，迁移率的公式变为公式为,得到仿真图如图10。图 10 迁移率与Lambda的关系5 衬底掺杂浓度Nsub对NMOS管的影响（1） Gm与衬底掺杂浓度（Nsub）的关系设定为5V，为10V，使得NMOS管工作在饱和区。level2的模型中，衬底掺杂浓度默认为6.79e15。本次仿真想提高掺杂浓度下，仿真跨导的变化。提高掺衬底的杂浓度，设置掺杂浓度范围为6.79e15到9e18，通过ADS仿真得到Gm与衬底掺杂浓度（Nsub）的关系，如图11。图 11 Gm与Nsub的特性曲线跨导在饱和区的公式为,其中，和都受到衬底掺杂浓度Nsub的影响。Nsub越大，电子在沟道中受到的散射更严重，使得下降；当衬底的浓度增加，需要的的阈值电压也越大。从Gm公式上可以看出，减小和增加都会使跨导减小。从仿真的Gm与衬底掺杂浓度Nsub的特性曲线上可以看出，随着掺杂浓度的增加，跨导Gm快速下降。当衬底掺杂浓度快速下降，当掺杂浓度大于3e18后，跨导降为零。（2） 迁移率与衬底掺杂浓度Nsub的关系做完跨导的扫描后，编译迁移率的公式,得到仿真图如图12。图 12 与Nsub的特性曲线从图12上可以看出，随着掺杂浓度的增加，迁移率的值下降。迁移率的公式为，从公式上可以看出，迁移率正比于跨导Gm。从图11中可以看出，跨导随着掺杂浓度的增加也在快速的下降，因此迁移率也会下降。从微观机结构上看，衬底掺杂浓度增加后，会使电子在沟道中受到更多电离杂质散射，导致迁移率的下降。6 快界面态Nfs的影响（1） Gm与快界面态Nfs的关系设定为5V，为10V，使得NMOS管工作在饱和区。level2的模型中，快界面态浓度默认为9.093e10。通过提高快界面态密度，仿真跨导的变化。设置快界面态密度变化范围为1.0e10到1.0e12，通过ADS仿真得到Gm与快界面态浓度的关系，如图13。图 13 Gm 与Nfs的特性曲线快界面态是指存在于硅二氧化硅界面处而能值位于硅禁带中的一些分立的或连续的电子能态。由于可以迅速的和半导体导带或是价带交换电荷，所以称为快界面态。当靠近导带受主态向下移至EF处时，由于电子占据受主界面态，表面出现负的界面态附加电荷，其效果是消弱能带弯曲程度和表面层中的负电荷。表面负电荷增多使的电流增大，从而导致跨导增大。外加电压后会使界面电荷发生变化，从而影响阈值电压。从仿真图中可以看出，随着快界面态的浓度增加，Gm也增加，可以推测，快界面态的浓度增加使得器件的阈值电压减小了【4】。（2） 迁移率与快界面态Nfs的关系同理，通过跨导公式来计算迁移率，迁移率公式,通过公式编译，得到仿真图如图14。图 14 与Nfs的特性曲线从图14上可以看出，随着掺杂浓度的增加，迁移率的值下降。迁移率的公式为，从公式上可以看出，迁移率正比于跨导Gm。从图13中可以看出，跨导随着快界面浓度的增加也在增加，因此迁移率也会增加。7 表面迁移率Uo对NMOS管的影响（1） Gm与表面迁移率Uo的关系设定为5V，为10V，使得NMOS管工作在饱和区。通过ADS仿真表面迁移率从300到600时跨导Gm与表面迁移率Uo的关系，如图15。图 15 Gm与Uo的特性曲线饱和区跨导Gm的公式为，从公式上看，跨导Gm与迁移率是成正比的关系。因此，迁移率越高，跨导Gm的值越大。（2） 迁移率与表面迁移率Uo的关系同理，通过饱和区的跨导公式来计算迁移率，迁移率公式,通过公式编译，得到仿真图如图16。图 16 迁移率与Uo的关系迁移率的经验公式为,其中，就是表面迁移率Uo，可以看出随着表面迁移率的增加，迁移率也会增加。从图16上看，NMOS管的表面迁移率从300增加到600，表面迁移率增加了一倍，迁移率从1600增加到3000，迁移率也近似增加了一倍，可以看出迁移率与表面迁移率基本上成严格的线性关系。8 横向扩散长度Ld对NMOS的影响（1） Gm与Ld的关系设定为5V，为5V，使得NMOS管工作在饱和区。通过ADS仿真横向扩散长度从0到1e-6时跨导Gm与横向扩散长度的关系，如图17。图 17 Gm与Ld的特性曲线杂质在垂直硅表面扩散时，同时也会进行平行于硅表面的扩散。在进行源区和漏区扩散时，杂质会有一定的横向扩散，实际的沟道长度应该是栅长LG减去源漏区的横向扩散长度Ld，即L=LG-Ld。MOS管在饱和区的跨导公式为，从公式上可以看出Gm与沟道长度L成反比的关系。随着横向扩散长度Ld的增大，L减小，导致跨导Gm增大。（2） 迁移率与横向扩散长度Ld的关系同理，通过饱和区的跨导公式来计算迁移率，迁移率公式为：，通过公式编译，得到仿真图如图18。图 18 Gm与Ld的关系饱和区迁移率的公式为，从公式上看，迁移率与跨导Gm成正比的关系，随着Ld增加，跨导Gm增大，迁移率也增大。（2） 频率特性的仿真1 特征频率与栅氧化层厚度的关系将、的电压值定为5V，仿真的为频率从0.1GHz到10GHz，通过ADS软件扫描栅氧化层厚度从20nm到100nm时端口1到端口2的正向传输系数。得到的仿真结果如图19。图 19 不同下S（2,1）与频率的特性曲线图19中点m1、m2、m3为栅氧化层为100nm、70nm、40nm时的特征频率点，从图上可以看出，随着增加，特征频率在减小。通过函数cross取出每条曲线上dBS（2,1）=0时的频率值。使用plot绘制出与的特性曲线，如图20。图 20 与的特性曲线NMOS的特征频率的公式为,从公式上可以看出，与Gm成正比，与CGD与CGS成反比。CGD与CGS属于栅与源漏区的交叠电容，在饱和区的电容公式为,，将跨导公式和电容公式带入，可得从特征频率与迁移率成正比。图7 上可以看出，随着栅氧化层厚度的增加，迁移率下降，因此特征频率也随增加而下降。2 特征频率与沟道调制系数Lambda的关系将、的电压值定为5V，仿真的为频率从0.1GHz到10GHz，通过ADS软件扫描沟道调制系数从0.01到0.08时端口1到端口2的正向传输系数。通过函数cross取出每条曲线上dBS（2,1）=0时的频率值。使用plot绘制出与Lambda的特性曲线，如图21。图 21 fT与Lambda的特性曲线NMOS的特征频率的公式为,从公式上可以看出，与Gm成正比，与CGD与CGS成反比。CGD与CGS属于栅与源漏区的交叠电容，在饱和区的电容公式为,电容与交叠的面积有关，沟道调制系数的改变不会影响CGD与CGS。而,从跨导的公式上看，随着沟道调制系数的增加，Gm增加。由于与Gm成正比，所以当Lambda增加，也增加【5】。3 特征频率与衬底掺杂浓度Nsub的关系将、的电压值定为5V，仿真的为频率从0.1GHz到10GHz，通过ADS软件扫描衬底掺杂浓度为3e16到1e17时端口1到端口2的正向传输系数。通过函数cross取出每条曲线上dBS（2,1）=0时的频率值。使用plot绘制出与Lambda的特性曲线，如图22。图 22 与Nsub的特性曲线NMOS的特征频率的公式为,从公式上可以看出，与Gm成正比，与CGD与CGS成反比。CGD与CGS属于栅与源漏区的交叠电容，在饱和区的电容公式为,电容与交叠的面积有关，衬底掺杂浓度的改变不会影响CGD与CGS。所以与Gm的变化趋势相同。4 特征频率与快界面态Nfs的关系将、的电压值定为5V，仿真的为频率从0.1GHz到10GHz，通过ADS软件扫描快界面态浓度为1e12到8e12时端口1到端口2的正向传输系数。通过函数cross取出每条曲线上dBS（2,1）=0时的频率值。使用plot绘制出与Nfs的特性曲线，如图23。图 23 与Nfs的特性曲线快界面态是指存在于硅二氧化硅界面处而能值位于硅禁带中的一些分立的或连续的电子能态。由于可以迅速的和半导体导带或是价带交换电荷，所以称为快界面态。特征频率公式为，增加了快界面态浓度后，电容也会增加，导致频率下降。从图23可以看出随着快界面态的浓度增加，特征频率快速下降，说明快界面态对特征频率影响较大。5 特征频率与表面迁移率Uo的关系将、的电压值定为5V，仿真的为频率从0.1GHz到10GHz，通过ADS软件扫描表面迁移率从300到1000时端口1到端口2的正向传输系数。通过函数cross取出每条曲线上dBS（2,1）=0时的频率值。使用plot绘制出与Nfs的特性曲线，如图24。图 24 与Uo的特性曲线表面迁移率越大，器件的速度越快。从图22上可以看出，当表面迁移率较小时，随着表面迁移率的增加，特征频率的值急剧增加，当Uo较大，再增加Uo，特征频率增加的速度较慢。说明表面迁移率Uo对特征频率影响较大。6 特征频率与横向扩散长度Ld的关系将、的电压值定为5V，仿真的为频率从0.1GHz到10GHz，通过ADS软件扫描横向扩散长度从0到1e-7时端口1到端口2的正向传输系数。通过函数cross取出每条曲线上dBS（2,1）=0时的频率值。使用plot绘制出与Nfs的特性曲线，如图25。图 25 与Ld的特性曲线