老化模型的建模方法及系统

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种老化模型的建模方法及系统。

背景技术

SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是一种用于电路描述与仿真的语言与仿真器软件，用于检测电路的连接和功能的完整性，以及用于预测电路的行为，主要用于模拟电路和混合信号电路的仿真。如果要SPICE很好地工作，必须提供器件级模型参数，业界通用的SPICE模型有BSIM系列、PSP或经验模型等。SPICE建模工程师依靠器件理论及经验，提取模型参数以供SPICE仿真程序使用。

SPICE建模是连接半导体工艺制造技术与电路设计的桥梁，它为电路设计者提供电路仿真的器件级模型。一个完整的工艺节点的SPICE模型一般包括MOSFET、BJT以及相关的后端金属互联层电容(MOM电容)、MOSFET的寄生电阻、MOS变容管(MOS Varactor)等的模型。SPICE模型的目标就是将器件的IV曲线以及电学参数随尺寸变化的趋势都拟合准确，提取出正确的BSIM模型参数组。目前，业界的MOS晶体管的SPICE老化模型(Aging Model)，大部分是使用Cadence公司的仿真器Spectre的内置老化模型，少数是自己开发的URI(Unified Reliability interface，统一可靠性界面)模型。

对预置老化模型的尺寸效应进行调参时，只有衬底电流Isub/栅极电流Igate对应的一些模型参数中预先设计了数值根据尺寸变化的机制，跟BSIM模型相关的参数并没有类似的设计，导致在对预置老化模型的尺寸效应进行调参时，由于可以调尺寸效应的模型参数较少，模型可能无法精准拟合实际的MOS晶体管老化的尺寸效应，从而导致误差较大。类似的，在对预置老化模型的温度效应进行调参时，只有衬底电流Isub对应的模型参数Ea(活化能)中预先设计了数值根据温度变化的机制，跟BSIM模型相关的参数并没有类似的设计，导致在对预置老化模型的温度效应进行调参时，由于可以调温度效应的模型参数较少，模型可能无法精准拟合实际的MOS晶体管老化的温度效应，并且Ea跟温度的关系是指数关系，不一定适合实际测试数据，从而导致误差较大。对URI模型的尺寸效应和温度效应进行调参时，需要研发人员通过C语言底层代码设计尺寸效应模型和温度效应模型，这种方法难度和工作量都非常大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种老化模型的建模方法及系统，以解决现有的老化模型的建模方法误差大或难度/工作量大等问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种老化模型的建模方法，包括：

获取目标MOS管的预置老化模型；

从所述预置老化模型中选取至少一个模型参数；

为所述模型参数建立子电路模型，所述子电路模型用于表征所述模型参数与特定效应的影响参数之间的映射关系；以及，

将所述子电路模型叠加至所述模型参数的数组中的至少一个数值中，从而建立所述目标MOS管的老化模型。

可选的，所述模型参数包括载流子饱和漂移速度、体电荷效应的沟长依赖系数、体电荷效应栅压依赖参数、垂直场迁移率退化一阶、二阶系数、迁移率退化体电压依赖参数、零体电压长沟道器件阈值电压、低场迁移率、衬底电流模型参数、栅电流模型参数或预置老化模型参数中的至少一种。

可选的，所述特定效应为尺寸效应，所述影响参数包括所述目标MOS管的沟道的长度参数和宽度参数。

可选的，所述模型参数的所述子电路模型为：

其中，其中，x为所述模型参数；F(x)为x的子电路模型；l为所述目标MOS管的沟道的长度参数；w为所述目标MOS管的沟道的宽度参数；lx为所述目标MOS管退化的沟道长度效应因子；wx为所述目标MOS管退化的沟道宽度效应因子；px为所述目标MOS管退化的小尺寸效应因子；f

可选的，所述特定效应为温度效应，所述影响参数为所述目标MOS管的工作温度。

可选的，所述模型参数的所述子电路模型为：

其中，x为所述模型参数；n为大于或等于1的整数；A

可选的，为所述模型参数建立至少两个所述子电路模型，每个所述子电路模型用于表征所述模型参数与不同的所述特定效应的影响参数之间的映射关系。

可选的，将所述子电路模型叠加至所述模型参数的数组中的同一数值或不同数值中。

可选的，所述预置老化模型为SPICE仿真器中内置的老化模型；或者，所述预置老化模型为URI模型。

本发明还提供了一种老化模型的建模系统，包括：

模型获取模块，用于获取目标MOS管的预置老化模型；

选取模块，用于从所述预置老化模型中选取至少一个模型参数；

模型设计模块，用于为所述模型参数建立子电路模型，所述子电路模型用于表征所述模型参数与特定效应的影响参数之间的映射关系；以及，

叠加模块，用于将所述子电路模型叠加至所述模型参数的数组中的至少一个数值中，从而建立所述目标MOS管的老化模型。

在本发明提供的老化模型的建模方法及系统中，从目标MOS管的预置老化模型中选取至少一个模型参数，然后为所述模型参数建立子电路模型，所述子电路模型用于表征所述模型参数与特定效应的影响参数之间的映射关系，将所述子电路模型叠加至所述模型参数的数组中的至少一个数值中，从而建立所述目标MOS管的老化模型。本发明以预置老化模型为基础，通过设计出的所述子电路模型与所述预置老化模型结合形成所述老化模型，之后可以对所述老化模型直接进行特定效应的调参，无需从头设计老化模型，减小了建模的难度和工作量，并且通过增加选取的所述模型参数的数量，可以提高模型的拟合效果，进而提高模型的精度。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的老化模型的建模方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的预置老化模型拟合的退化曲线与实测数据的对比示意图；

图3为本发明实施例一提供的老化模型拟合的退化曲线与实测数据的对比示意图；

图4为本发明实施例二提供的预置老化模型拟合的退化曲线与实测数据的对比示意图；

图5为本发明实施例二提供的老化模型拟合的退化曲线与实测数据的对比示意图；

图6为本发明实施例三提供的老化模型的建模系统的结构框图；

其中，附图标记为：

10-模型获取模块；20-选取模块；30-模型设计模块；40-叠加模块。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

图1为本实施例提供的老化模型的建模方法的流程图。如图1所示，所述老化模型的建模方法包括：

步骤S100：获取目标MOS管的预置老化模型；

步骤S200：从所述预置老化模型中选取至少一个模型参数；

步骤S300：为所述模型参数建立子电路模型，所述子电路模型用于表征所述模型参数与特定效应的影响参数之间的映射关系；以及，

步骤S400：将所述子电路模型叠加至所述模型参数的数组中的至少一个数值中，从而建立所述目标MOS管的老化模型。

具体而言，执行步骤S100，选取一目标MOS管，所述目标MOS管可以是常规的晶体管，如结型场效应管(JFET)或金属氧化物半导体型场效应管(MOS)等，本发明不作限制。

之后，获取所述目标MOS管的预置老化模型，所述预置老化模型无需从头设计，可以选用SPICE仿真器中内置的老化模型，例如，所述预置老化模型可以是Cadence公司的仿真器Spectre的内置老化模型。在一些实施例中，所述预置老化模型还可以是研发人员设计的URI模型。

可选的，所述预置老化模型可以是BSIM模型、以BSIM模型为核心模型的模型，也可以是以其他类型模型为核心模型的模型。

进一步地，所述预置老化模型中通常具有多个模型参数，例如，所述模型参数可以是载流子饱和漂移速度vsat、体电荷效应的沟长依赖系数a0、体电荷效应栅压依赖参数Ua/Ub、垂直场迁移率退化一阶/二阶系数、迁移率退化体电压依赖参数Uc、零体电压长沟道器件阈值电压vth0、低场迁移率u0、衬底电流模型参数、栅电流模型参数或预置老化模型参数中的至少一种。当然，所述预置老化模型中还可以具有其他模型参数，此处不再一一举例说明。

接下来，执行步骤S200，从所述预置老化模型中选取至少一个模型参数。应理解，所述预置老化模型中的所述模型参数通常为多个，此时可以根据需要选择至少一个合理的所述模型参数，理论上来说，选取的所述模型参数越多，最终得到的老化模型的拟合效果越好，精度越高，但同时也会增加建模的难度和工作量。

执行步骤S300，为所述模型参数建立子电路模型，所述子电路模型可以被认为是一个函数关系式，这个函数关系式可以表征所述模型参数与特定效应的影响参数之间的映射关系。

本实施例中，所述特定效应为尺寸效应，所述尺寸效应的影响参数包括所述目标MOS管的沟道的长度参数l和宽度参数w。

进一步地，所述模型参数的所述子电路模型为：

其中，x为所述模型参数；F(x)为x的子电路模型；l为所述目标MOS管的沟道的长度参数；w为所述目标MOS管的沟道的宽度参数；lx为所述目标MOS管退化的沟道长度效应因子；wx为所述目标MOS管退化的沟道宽度效应因子；px为所述目标MOS管退化的小尺寸效应因子；f

可以理解的是，每个所述模型参数均是以数组的形式存在的，每个所述模型参数的数组中具有至少1个数值，这个数值是所述模型参数的参数有效值。基于此，执行步骤S400，将所述子电路模型叠加至所述模型参数的数组中的至少一个数值中，从而建立所述目标MOS管的老化模型。

为了清楚描述本实施例的方案，接下来将以一个具体的示例详细说明步骤S300和步骤S400。

假设所述预置老化模型中有模型参数a0、ub、u0、vsat、vth0(所述预置老化模型中的其他模型参数此处省略)，其数组分别为：

*relxpert:+a0＝[30 2.93280 0.01 0.1 4.32380 1.0]

*relxpert:+ub＝[2 5.88 4.29880e-01 1.0 1.0 1.0]

*relxpert:+u0＝[130 5.25 0.2 0.3 1.0 -1.0]

*relxpert:+vsat＝[-2000 -255 0.7 1.0 1.0 -1.0]

*relxpert:+vth0＝[14.2 1.9 0.65 1.97450e-01 2.82900 1.0]

从所述预置老化模型中选取两个所述模型参数：低场迁移率u0及载流子饱和漂移速度vsat。

为低场迁移率u0和载流子饱和漂移速度vsat分别建立所述子电路模型，所述子电路模型如下：

将低场迁移率u0的子电路模型F(u0)叠加至低场迁移率u0的数组中的至少一个数值中，例如，可以叠加至低场迁移率u0的数组中的数值130中，得到低场迁移率u0的数组为[(130+F(u0)) 5.25 0.2 0.3 1.0 -1.0]。

将载流子饱和漂移速度vsat的子电路模型F(vsat)叠加至载流子饱和漂移速度vsat的数组中的至少一个数值中，例如，可以叠加至载流子饱和漂移速度vsat的数组中的数值-255和0.7中，得到载流子饱和漂移速度vsat的数组为[-2000 (-255+F(vsat)) (0.7+F(vsat)) 1.0 1.0-1.0]。

得到所述目标MOS管的老化模型的模型参数如下：

*relxpert:+a0＝[30 2.93280 0.01 0.1 4.32380 1.0]

*relxpert:+ub＝[2 5.88 4.29880e-01 1.0 1.0 1.0]

*relxpert:+u0＝[(130+F(u0)) 5.25 0.2 0.3 1.0 -1.0]

*relxpert:+vsat＝[-2000 (-255+F(vsat)) (0.7+F(vsat)) 1.0 1.0 -1.0]

*relxpert:+vth0＝[14.2 1.9 0.65 1.97450e-01 2.82900 1.0]

之后，可以对所述老化模型直接进行尺寸效应的调参，无需从头设计老化模型，减小了建模的难度和工作量，并且通过增加选取的所述模型参数的数量，可以提高模型的拟合效果，进而提高模型的精度。

图2为所述预置老化模型拟合的退化曲线与实测数据的对比示意图，图3为本实施例提供的老化模型拟合的退化曲线与实测数据的对比示意图。对比图2和图3可见，本实施例提供的老化模型拟合的退化曲线与实测数据的差异更小，表明本实施例提供的老化模型的拟合效果较好，精度更高。

实施例二

与实施例一的区别在于，本实施例中，所述特定效应为温度效应，所述温度效应的影响参数为所述目标MOS管的工作温度T。

进一步地，所述模型参数的所述子电路模型为：

其中，x为所述模型参数；F(x)为x的子电路模型；nx为大于或等于1的整数；Ax

为了清楚描述本实施例的方案，接下来将以一个具体的示例详细说明步骤S300和步骤S400。

假设所述预置老化模型中有模型参数a0、ub、u0、vsat、vth0(所述预置老化模型中的其他模型参数此处省略)，其数组分别为：

*relxpert:+a0＝[30 2.93280 0.01 0.1 4.32380 1.0]

*relxpert:+ub＝[2 5.88 4.29880e-01 1.0 1.0 1.0]

*relxpert:+u0＝[130 5.25 0.2 0.3 1.0 -1.0]

*relxpert:+vsat＝[-2000 -255 0.7 1.0 1.0 -1.0]

*relxpert:+vth0＝[14.2 1.9 0.65 1.97450e-01 2.82900 1.0]

从所述预置老化模型中选取2个所述模型参数：低场迁移率u0和零体电压长沟道器件阈值电压vth0。

为低场迁移率u0和零体电压长沟道器件阈值电压vth0分别建立所述子电路模型，所述子电路模型如下：

F(u0)＝Au0

F(vth0)＝Avth0

将低场迁移率u0的子电路模型F(u0)叠加至低场迁移率u0的数组中的至少一个数值中，例如，可以叠加至低场迁移率u0的数组中的数值130和5.25中，得到低场迁移率u0的数组为[(130+F(u0))(5.25+F(u0))0.2 0.3 1.0 -1.0]。

将零体电压长沟道器件阈值电压vth0的子电路模型F(vth0)叠加至零体电压长沟道器件阈值电压vth0的数组中的至少一个数值中，例如，可以叠加至零体电压长沟道器件阈值电压vth0的数组中的数值14.2中，得到零体电压长沟道器件阈值电压vth0的数组为[(14.2+F(vth0))1.9 0.65 1.97450e-01 2.82900 1.0]。

得到所述目标MOS管的老化模型的模型参数如下：

*relxpert:+a0＝[30 2.93280 0.01 0.1 4.32380 1.0]

*relxpert:+ub＝[2 5.88 4.29880e-01 1.0 1.0 1.0]

*relxpert:+u0＝[(130+F(u0)) (5.25+F(u0)) 0.2 0.3 1.0 -1.0]

*relxpert:+vsat＝[-2000-255 0.7 1.0 1.0-1.0]

*relxpert:+vth0＝[(14.2+F(vth0))1.9 0.65 1.97450e-01 2.82900 1.0]

之后，可以对所述老化模型直接进行温度效应的调参，无需从头设计老化模型，减小了建模的难度和工作量，并且通过增加选取的所述模型参数的数量，可以提高模型的拟合效果，进而提高模型的精度。

图4为所述预置老化模型拟合的退化曲线与实测数据的对比示意图，图5为本实施例提供的老化模型拟合的退化曲线与实测数据的对比示意图。对比图4和图5可见，本实施例提供的老化模型拟合的退化曲线与实测数据的差异更小，表明本实施例提供的老化模型的拟合效果较好，精度更高。

实施例三

与实施例一和实施例二的区别在于，本实施例中，所述特定效应为温度效应和尺寸效应，此时，需要为所述模型参数建立两个所述子电路模型，其中一个所述子电路模型用于表征所述模型参数与尺寸效应的影响参数之间的映射关系，另一个所述子电路模型用于表征所述模型参数与温度效应的影响参数之间的映射关系。

之后，可以将所述子电路模型叠加至所述模型参数的数组中的同一数值或不同数值中。

为了清楚描述本实施例的方案，接下来将以一个具体的示例详细说明步骤S300和步骤S400，为了便于区别，接下来，将用于表征所述模型参数与尺寸效应的影响参数之间的映射关系的子电路模型命名为第一子电路模型，将用于表征所述模型参数与温度效应的影响参数之间的映射关系的子电路模型命名为第二子电路模型。

假设所述预置老化模型中有模型参数a0、ub、u0、vsat、vth0(所述预置老化模型中的其他模型参数此处省略)，其数组分别为：

*relxpert:+a0＝[30 2.93280 0.01 0.1 4.32380 1.0]

*relxpert:+ub＝[2 5.88 4.29880e-01 1.0 1.0 1.0]

*relxpert:+u0＝[130 5.25 0.2 0.3 1.0-1.0]

*relxpert:+vsat＝[-2000-255 0.7 1.0 1.0-1.0]

*relxpert:+vth0＝[14.2 1.9 0.65 1.97450e-01 2.82900 1.0]

从所述预置老化模型中选取1个所述模型参数：低场迁移率u0。

为低场迁移率u0分别建立第一子电路模型F(u0)

F(u0)

将低场迁移率u0的第一子电路模型F(u0)

得到所述目标MOS管的老化模型的模型参数如下：

*relxpert:+a0＝[30 2.93280 0.01 0.1 4.32380 1.0]

*relxpert:+ub＝[2 5.88 4.29880e-01 1.0 1.0 1.0]

*relxpert:+u0＝[(130+F(u0)

*relxpert:+vsat＝[-2000 0.7 1.0 1.0 -1.0]

*relxpert:+vth0＝[14.2 1.9 0.65 1.97450e-01 2.82900 1.0]

之后，可以对所述老化模型直接进行温度效应和尺寸效应的调参，无需从头设计老化模型，减小了建模的难度和工作量，并且通过增加选取的所述模型参数的数量，可以提高模型的拟合效果，进而提高模型的精度。

实施例四

图6为本实施例提供的老化模型的建模系统的结构框图。如图6所示，本实施例提供的老化模型的建模系统包括：

模型获取模块10，用于获取目标MOS管的预置老化模型；

选取模块20，用于从所述预置老化模型中选取至少一个模型参数；

模型设计模块30，用于为所述模型参数建立子电路模型，所述子电路模型用于表征所述模型参数与特定效应的影响参数之间的映射关系；以及，

叠加模块40，用于将所述子电路模型叠加至所述模型参数的数组中的至少一个数值中，从而建立所述目标MOS管的老化模型。

综上，在本发明实施例提供的老化模型的建模方法及系统中，从目标MOS管的预置老化模型中选取至少一个模型参数，然后为所述模型参数建立子电路模型，所述子电路模型用于表征所述模型参数与特定效应的影响参数之间的映射关系，将所述子电路模型叠加至所述模型参数的数组中的至少一个数值中，从而建立所述目标MOS管的老化模型。本发明以预置老化模型为基础，通过设计出的所述子电路模型与所述预置老化模型结合形成所述老化模型，之后可以对所述老化模型直接进行特定效应的调参，无需从头设计老化模型，减小了建模的难度和工作量，并且通过增加选取的所述模型参数的数量，可以提高模型的拟合效果，进而提高模型的精度。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。