Design与FAB的桥梁1-《SPICE Model》-《芯苑》

说起电路,很多朋友会很自然的想起高中物理的电路实验,一个灯泡加一个开关和一个电池用导线链接起来,对,那是我们最早接触的电路。后来上大学了,我们对电路的理解变成了实验室里的面包板(BreadBoard)上插入很多电子元件(电阻、发光二极管等)来验证我们的实验结果,高级点的会用到印刷电路板,也就是我们讲的PCB板,我记得我们大学还学过PROTEL99就是做PCB电路设计的。但是这些都是我们认知的传统意义的电路,到了集成电路时代,我们每个电路会容纳百万千万个器件,你还能能够在面包板或印刷电路板上实验吗?而且由于电子器件排布密集会产生很多寄生效应(信号干扰)等微观特性无法靠人工实验来实现。

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所以在集成电路时代一定要借助EDA工具实现电路仿真,在电路还没做出来之前我们就能够模拟出电路特性,利用计算机仿真得出输入输出信号的关系做电路特性检查,所以大大降低了集成电路设计的周期和成本。而业界做电路仿真的EDA软件就是SPICE,其全名为集成电路仿真程序(Simulation Programe of Integrated Circuit Emphasis),它是最早用于电路描述和仿真的软件,可以用于检测电路的连接和完整性以及用来预测电路的性为,主要用来用于模拟电路和混合信号电路的设计。

SPICE是在1975年由UC Berkerly大学的Donald Pederson在电子研究实验室首先建立的,发展出今日几乎被全世界公认为电路仿真标准的SPICE原始雏型程序,至今UC Berkeley大学的EE学院还是我们做学问人常去的地方(http://www-device.eecs.berkeley.edu/index.htm)。现在市场上出现的各个商业版本的SPICE软件有Avanti!公司的HSPICE后来被Synopsys收购,这是IC界功能最强大的集成电路仿真软件。还有一个就是PSPICE,它是Microsim公司开发的SPICE软件,他们的概念和功能都是一样的来自于UC berkerly的SPICE,区别在于PSPICE是用图形输入的,而HSPICE是电路描述语句输入的,几乎PSPICE就是高校用的比较多后来并入Candence公司,推出OrCAD 10.5版本,几乎是高校必备的软件,而且学了这个再用HSPICE会比较容易入门。好了,本文也不是重点来讲SPICE仿真的,小弟虽然学校跟吴贵能恩师学过一些皮毛,但最终还是不得其法而放弃了。

说起SPICE电路仿真是任何设计过程的重要部分。通过对电路进行仿真, 您可以在开发过程的早期检测出错误,从而避免费时费钱的原型设计返工。您还可 以方便地将组件进行调换,验证使用不同 材料清单(BOM) 进行设计的不同之 处。 要成功完成精确 SPICE仿真的关键因素是使用高质量 的SPICE模型 (SPICE Model)。 而这个SPICE Model是FAB提供给设计公司导入他们SPICE软件里面去的,只有基于FAB的模型才能保证仿真出来的特性和实际FAB跑出来的Silicon data是match的,所以这个SPICE Model多么重要可想而知!

1、何为SPICE Model?

为了进行电路模拟,必须先建立元器件的模型,也就是对于电路模拟程序所支持的各种元器件,在模拟程序中必须有相应的数学模型来描述他们,即能用计算机进行运算的计算公式来表达他们。一个理想的元器件模型,应该既能正确反映元器件的电学特性又适于在计算机上进行数值求解。一般来讲,器件模型的精度越高,模型本身也就越复杂,所要求的模型参数个数也越多。这样计算时所占内存量增大,计算时间增加。而集成电路往往包含数量巨大的元器件,器件模型复杂度的少许增加就会使计算时间成倍延长。二维准静态数值模拟是这种方法的代表,通过求解泊松方程,电流连续性方程等基本方程结合精确的边界条件和几何、工艺参数,相当准确的给出器件电学特性。而对于一般的电路分析,应尽可能采用能满足一定精度要求的简单模型(Compact model)。
半导体元器件包括二极管、BJT、MOSFET、JFET等,而他们的特性都是非线性的,所以又称作非线性有源器件。以MOSFET的器件模型为例,它也是集成电路最常用的器件,它所包含的参数有40~60个吧,几乎都是工艺相关参数,都是跟FAB相关的,所以一旦FAB的process固定以后,这些参数必须要提取出来形成模型给设计公司导入HSPICE里面做仿真用,这样出来的仿真结果才能最接近实际。

2、SPICE Model是怎么出来的?

MOS场效应晶体管模型有很多级别,用语句LEVEL来指定,而现在商业用的最多的是Level49 (本文结尾附图介绍不同Level的描述)。
LEVEL="1"         Shichman-Hadges模型,用于数字电路
LEVEL="2"         基于几何图形的一种二维分析模型
LEVEL="3"         半经验短沟道模型
LEVEL="4"         亚微米BSIM模型                                                                LEVEL="49"       BSIM3v3

SPICE Model里面的参数数量取决于它的Level,而这些参数的提取是用BSIM模型来提取的,而这个BSIM也是来自于Berkeley大学,全名为Berkeley Short-channel Igfet Model,它能够精准的提供器件的直流、交流和瞬时特性数据。在过去6寸时代,我们还在用BSIM3v3,而到了8寸时代,我们已经在使用BSIM4了,它是一个成熟的工业标准仿真模型, 在衬底电阻网络、隧穿电流、饱和电流原理和应力模型等方面有一系列的功能增强以支持技术进步的需求。与过去的BSIM3v3相比,主要增加了Halo/Pocket MOSFET特性(RSCE)、以及GIDL和Gate direct-tunneling特性,在C-V特性上增加了Poly depeltion effect以及Flicker Noise等。

对于FAB而言,RD在develop完的时候,需要画一套SPICE需要的全部器件包括不同宽度、长度等不同特征的MOSFET,当然你的尺寸step越细你的模型越精准。

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画好图形之后就制版流片,在不同的器件上面量测,我们那个年代都是手动4156去测试的,不知道现在可不可以用机测(这个工作量很大)。测量部分分为DC测试和CV测试两部分,DC测试分为ID-VD曲线和ID-VG曲线,大约需要12~16条并且需要记录每一段的input和output,然后每个DUT (Device Under Test)需要测试超过20个然后取平均值,然后用平均值做出曲线。而且测试还要包含高低温测试,因为我们的模型工作温度需要包含-35C~85C。

而且流片过程中,我们还需要对参数做Split,需要cover不同corner包括SS, SF, FS, FF (S: slow, F: Fast, NMOS/PMOS,所以是四种组合),这样所有的curve还要乘以四倍,看看工作量吧,真是个苦差事啊。

还有一部分是CV测试,这里主要是量测MOS管的寄生电容特性,包括Souce/Drain与Well的PN结,Gate与Source/Drain的Overlay电容,已经Gate与Well的GOX电容等电容特性,所以量测除了DC测量需要Agilent4156外,还需要电容量测模块Agilent4284。

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等所有的DC和CV特性数据收集齐了以后,把这些I-V和C-V的原始数据导入模型提取软件,并输入Process的基本信息如Tox、Xj、Doping等信息之后,软件则会自己去做参数提取并输出SPICE Model,然后需要通过后续的模型验证而最终Finalize给设计公司使用。

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至此,我们一套制程的SPICE model就结束了,客户就可以拿着这个模型导入到他们的SPICE软件里面开始做电路仿真了。当然FAB的WAT测试的Vt、Isat、Ioff、BV等参数也是需要match model的。然而,这只是完成了我们FAB与Design的第一步桥梁,在designer仿真做完了,还需要画版图,这又涉及到图形尺寸的规则也就是“设计规则(Design Rule)”,这就是我们下一章节要讲的。

好了,期待有高手来补充。

 

随手奉上两篇文章,供好学者深入Study:

《SPICE萃取方法》:http://pan.baidu.com/s/1eQ4msr4

《BSIM for MOSFET》:http://pan.baidu.com/s/1bnjtFyB

摘录:

1. https://zh.wikipedia.org/wiki/SPICE

2. http://baike.baidu.com/item/spice

3. http://www-device.eecs.berkeley.edu/index.htm

 

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