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提升DSM芯片设计准确度的先进组件模型构造
 

【作者: 李心愷】2000年09月01日 星期五

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在IC设计的过程中,对不同基本组件模型(Device Model)内含特性及功能描叙的准确程度会直接影响所有电路仿真结果的正确性,但是半导体设计业界一直到了最近两三年间,才开始正视并研讨出相关的组件模型标准。在这之前,大部份的IC设计工程师都必须先由旧有或现存的几种组件模块中找寻合适的项目,再将它们转化成可用的基本设计组件,这个重行塑造组件模块的过程,不仅耗费大量宝贵的工程时间,更对公司内部不同部门或研发团队间的技术转移形成极大的瓶颈。


为了响应广大IC设计族群对统一组件模型的强烈诉求,自1995年起,即有多家公司投入订定标准化组件模型的研究领域之中。其中最重要的一项成果,为推出BSIM3V3标准模型,提供设计人员新的选择,以便克服重新改造旧式组件模型的难题。


多样化模型的历史

当IC制程技术推进至深次微米(DSM)的世代后,设计的重心也逐渐转移至组件间的接线技术。为了追随制程的进化,设计人员必须确认他们所拥有的组件模型能继续适用于缩小后的几何尺寸,目前市面上约有100余种的MOSFET模型,其中只有30多种被纳入常用的电路仿真组件库内;这些旧组件对0.5微米以上的制程尚称准确,然而一旦进入0.35微米以下的DSM设计后,即无法发挥任何效用。


另一方面,在过去数年当中,全球的产业、政府与研究单位正合力尝试开发一套能满足DSM设计规范的LMOS组件模型;经由三方的共同努力,终于产生一套号称可改善仿真准确度、速度、收敛效率与更大范围缩放(Scaling)可靠性的模型组件。这套模块中的大部份组件模型都已经在许多公开场合内开放使用,如Philips Semiconductor的MOS9,以及由加大柏克莱分校(UCB)、益华计算机(Cadence)与BTA Technology共同开发的Berkeley Short-Channel IGFET Model Version3(SIM3V3)。


其中BSIM3V3已被Compact Model Council(CMC,前身为Sematech Modeling Group)指定为第一套业界标准的DSM MOSFET组件模型,日前一些已经使用过BSIM3V3的厂商纷纷发表各自的看法,指出这套组件模型正逐步迈向落实标准化的理想,而其对于不同电路仿真器的可移植性,更能平衡兼顾组件开发商与用户的共同利益,一旦组件供货商只需维护少量的模型技术,便可大幅减少抽取与重建的时间与金钱成本,用户自然也能考虑本身的功能与特殊应用,选取最有效率的电路仿真器,而不必被专属的组件模型局限于特定的仿真器上。


理想的CMOS模型

电路仿真器主要的用途为验证设计电路的功能,其所使用的组件模型是否准确,对最后输出结果的正确度具有决定性的影响力。今日的超大型系统整合集成电路都须透过缩减组件尺寸、加快切换速度与减少设计余裕等途径达成最大的集积度,在上述条件下,对MDSFET组件模型的仿真与实体规格要求势必愈趋严格;再者,建造流畅的完整设计程序,以达成更小化产品迅速抢占市场先机目标,也会进一步增加开发组件模型的压力与复杂性(表一)。



《表一 组件模型比较表》
《表一 组件模型比较表》

理想的LMOS模型应具备下列特质,方能符合各项严苛的技术需求,并缩减仿真时程与压低成本:


■正确性(电流、电客、电导、噪声)


■有效性(运算、收敛)


■基本物理模型


■在指定一段制程尺寸范围内的缩放能力


■简单性(使用单一体系的计算器)


■适于统计与外围模式分析


■简易的参数抽取原理


■不限定搭配的仿真器


■同时适用于数字与模拟设计


关键问题

许多自1970年代起陆续发展的现存MOSFET模型都未将有用的深次微米效应包含在内,大部份的晶圆制造技术也无法以旧有的组件模型大量生产DSM芯片,令人难以想象的是,一般工程师都能容忍这项缺失,再以人工改进或参数微调方式克服生产的障碍。


举例来说,BSIM1、BSIM2只在有限的几何范围内具有正确性,因此工程师通常须将空间切割成数个小区域,这样在执行时往往会耗费极大的成本与面临极高的困难度。除此之外,这两个模块所用的参数名称与代表之内容并无直接关连,用户通常要花上一段时间才能熟悉各个参数的意义。


大多数电容式模型都以准静态的假设做为基准,但是当电路切换速度不断加快后,这项假设会被打破,基层(Substrate)电流与泄极(Drain)电流共享相同的模型参数,因而无法将它们分开各自做优化计算,这项限制迫使最后结果经由妥协产生,削弱了模型的正确度。现有模型的另一个缺点为噪声分析过于简单,无法准确地推算由偏压所产生的噪声强度,这对RF、VCO与PCL等应用是极大的弱点。


新的模型与初创的标准

CMC自1995年开始从事组件模型标准的制订与推广工作以来,一直审慎地检讨、评估与试用7个近年发表的最佳DSM模型组件,包括:BSIM3V3、EKV、ISIM、JESSI、MISNAN与MOS95 Digital PCIM。以下为CMC归纳出的一些综合结果:


■单一体系的模型最能保证各项特性的平顺操作,因此以上所列的大部份模型都不适合选作预定的参考标准。


■虽然EKV模型在Subthreshold区域的特性极为准确,但只对长信道文件有效,主要应用范围只限于低功率的特殊设计个案。


■MISNAN是所有评选产品中最接近物理原貌的模型,采用表面电位(Surface Potential)原理,因此具有最平顺的AC与DC特性。至于MISNAN的缺点,在于无法得到封闭形式的分析模型等式。


■MOS9与BSIM3V3可产生相对最佳的结果,但是对于MOS9而言,即使设计人员运用全部的功能,还是有部份倚赖人工经验的味道存在。而BSIM3V3在观看DC与瞬时运行时间上则有较佳的效率。


■表一依据DSM电位居(DSM Potential)、泄一源(Drain Source)极电流、Subthreshold电流、输出导电与缩放(Scale)能力等关键规格,对各种模型加以分级。


BSIM3V3特点

CMC在1996年八月正在选择BSIM3V3作为DSM组件的标准模型,它最大的优点是非常接近理想的CMOS模型的物理性质,另外还包括:


■涵盖0.25微米及等比例缩小至0.2微米以下制程的解析能力。


■高效率,执行速度快。


■简易的参数抽取过程。


■附带置物箱(Binning)的可缩放/高预测度模型。


■可同时套用于模拟及数字设计。


■内建几何与温度效应参数。


■统计式模型。


■精准的电容模型。


■可作快速瞬时仿真的非准静态模模型。


■使用个别的基层电流模型。


■强化的信道热效应及偶发噪声模型。


BSIM3V3的优点:可搭配多种仿真器,先进功能组合

全球最大的两家晶圆制造公司,台积电(TSMC)与联华电子(UMC)均先后宣布将以BSIM3V3作为主力支持的组件模型,而另一家第三大晶圆制造商也会很快地跟进支持的脚步;随着各大半导厂的积极动作,设计公司将会预见愈来愈多的商业版本BSIM3V3仿真组件库问市。基于BSIM3V3可携带与百分之百符合标准的优势,设计人员拥有绝佳的机会使用功效强大的AHDL或RF Simulation等,已有效提升数值演算程序的最进步仿真工具,并能同时确保现有的组件模型足以与未来的仿真技术持续兼容。


许多组件模型厂商已开始提供BSIM3V3模块并协助其他公司建立组件模型参数,仿真与实际从事深次微米设计工作。益华计算机(Cadence)的Spectre电路仿真器完全支持已对外公开的UCB BSIM3V3、MOS9以及其他新制定的组件模型,可提供用户选择能满足其独特设计或应用需求环境的最大弹性。


结论

EDA设计工具厂商益华计算机(Cadence)承诺会全力支持BSIM3V3组件模型,并已开始协助各大晶圆制造厂转换至新的模型环境。一旦BSIM3V3成为业界普遍接受的新标准,设计团队即可轻易地与其他团体合作及交流技术信息,消除先前由于采用不同组件模式而必须耗时耗力以互换经验的挥之不去的梦魇。


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