【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体，特别涉及一种建立低温cmos集约模型的方法。
技术介绍
1、在摩尔定律发展放缓的背景下，量子计算作为一种能突破传统计算能效瓶颈的可行路径，近年来备受社会关注。在以量子计算为代表的新兴领域，低温互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，cmos)技术扮演着关键角色。量子计算机的核心是由量子比特构成的量子位阵列，这些量子比特非常不稳定，需要在超低温环境下工作，以延长其量子态的寿命。而低温cmos技术用于控制和读出这些量子比特的物理信号，确保它们在量子计算中的稳定性和可操作性。
2、相较于常温，在低温环境下时，金属氧化物半导体场效应管(mosfet)会表现出大量温度依赖的物理效应，例如各种散射机制、热电压与费米能级的偏移等，导致器件表现出更大的迁移率、更陡峭的亚阈值摆幅、更低的漏电电流以及更大的阈值电压，进而影响到低温cmos电路的性能变化。然而，目前的cmos晶圆制造商只能提供-40℃-125℃范围内的集约器件模型，无法准确描述低温下的器件行为，电路设计者通常只能沿用常温电路的结构，并预留大量的设计余量，以应对低温下器件参数的不确定性，这给量子计算中控制和读出的设计带来了很大的挑战，制约大规模低温集成电路设计与制造。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种建立低温cmos集约模型的方法，通过本专利技术提供的建立低温cmos集约模型的方法，建立能够覆盖全温区、全尺寸的低温cmos集约模型
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种建立低温cmos集约模型的方法，至少包括以下步骤：
3、设计多个低温测试样品，所述低温测试样品的尺寸覆盖工艺边界的各个尺寸；
4、依次选择同一尺寸下的多个所述测试样品进行变温测试，确定标准测试芯粒、全局失配芯粒和低温局部失配芯粒；
5、对所述标准测试芯粒、所述全局失配芯粒和所述低温局部失配芯粒进行批量测试，获取器件在不同温度下的参数；
6、依据所述参数进行拟合，建立低温本征模型、低温射频模型与低温后道模型，结合所述低温本征模型、所述低温射频模型与所述低温后道模型，建立低温cmos集约模型。
7、在本专利技术一实施例中，所述标准测试芯粒为整张晶圆上反映工艺整体平均水平的芯粒，所述全局失配芯粒为反映工艺偏差水平芯粒，所述低温局部失配芯粒为所述标准测试芯粒在低温环境下进行变温测试，测试结果分布在统计结果两侧的器件。
8、在本专利技术一实施例中，所述测试包括低温直流测试、低温射频测试以及低温后道器件测试。
9、在本专利技术一实施例中，在获得所述低温直流测试数据后，提取所述测试样品的迁移率、亚阈值摆幅以及阈值电压本征参数，基于bsim4典型模型中的本征参数数值，通过如下公式进行低温拟合，获得低温典型模型：
10、
11、其中，cryo_a_typical为低温典型模型下参数a的数值，a为迁移率、亚阈值摆幅或阈值电压，a0、al、aw、ap为拟合系数，l为所述测试样品的沟道长度，w为所述测试样品的栅极宽度，f(t)为bsim4典型模型中对应的迁移率、亚阈值摆幅或阈值电压的计算公式，t为温度。
12、在本专利技术一实施例中，所述方法还包括：对所述标准测试芯粒与所述全局失配芯粒进行批量测试，提取不同温度下所述全局失配芯粒参数的方差σmis(t)，对所述局部失配芯粒进行低温测试，提取不同温度下局所述部失配芯粒参数的方差σvar(t)。
13、在本专利技术一实施例中，基于所述全局失配芯粒参数的方差σmis(t)，获得全局工艺浮动随机变量的失配参数sigma(t):基于所述部失配芯粒参数的方差σvar(t)，获得局部工艺失配随机变量失配参数beta(t):其中，σmis(298k)为温度为298k时，全局失配芯粒参数的方差，σvar(298k)为温度为298k时，局部失配芯粒参数的方差，t为温度。
14、在本专利技术一实施例中，调整所述全局工艺浮动的失配参数sigma(t)与所述局部失配随机变量失配参数beta(t)在低温下的权重，通过蒙特卡洛仿真验证，建立低温统计模型：
15、cryo_a＝cryo_a_typical+(1+sigma(t))*amis+(1+beta(t))*avar；
16、其中，cryo_a为低温统计模型下参数a的数值，a为迁移率、亚阈值摆幅或阈值电压，amis为原有常温模型的全局失配参数，avar为原有常温模型的局部失配参数，t为温度；结合所述低温典型模型与所述低温统计模型中的公式，建立低温本征模型。
17、在本专利技术一实施例中，基于所述低温直流测试的器件模型，在外围增加额外的子电路以覆盖高频范围内的特性，分析由器件版图引起的寄生电阻和电容的温度特性，采用经验二阶多项式，修正bsim4典型模型中涉及到温度的温度系数，修正公式如下：
18、teff＝a×(t-298)2+b×(t-298)+1；
19、其中，teff为节点电阻的温度修正相关性，a和b为与半导体器件材料相关的修正系数，t为温度；将修正公式整合进bsim4典型模型中的常温射频模型，重新建立寄生电容电阻方程，建立低温射频模型。
20、在本专利技术一实施例中，所述低温后道模型的建立方法包括：基于后道互联金属层在不同温度下的电学特性，进行后道互连线测试，统计后道互连线在不同温度下的电学特性，通过二次多项式拟合所述电学特性随温度变化的方程式，建立低温后道模型。
21、在本专利技术一实施例中，所述低温测试样品的尺寸覆盖大尺寸、小尺寸、宽尺寸、长尺寸以及中间尺寸，所述低温测试样品的金属连线的宽度及通孔的个数满足该工艺器件在常温下电流密度要求的1.5倍以上。
22、综上所述，本专利技术提供一种建立低温cmos集约模型的方法，通过低温直流模型拟合项、统计模型拟合项以及射频模型拟合项建立低温cmos集约模型，能够覆盖全温区、全尺寸的低温cmos集约模型设计方案。能够综合前道晶体管与后道互连层的低温模型，验证低温下相关电路的工作状态，建立完整的低温cmos集约模型。通过对低温环境下关键电学参数在器件模型卡中的拟合项进行了修正，使设计者在进行低温电路设计时能有效衡量性能指标，有助于提升设计者低温专用集成电路芯片系统设计、制备与定量分析的能力，满足低温集成电路芯片系统的设计与定量分析。
23、当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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1.一种建立低温CMOS集约模型的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的建立低温CMOS集约模型的方法，其特征在于，所述标准测试芯粒为整张晶圆上反映工艺整体平均水平的芯粒，所述全局失配芯粒为反映工艺偏差水平芯粒，所述低温局部失配芯粒为所述标准测试芯粒在低温环境下进行变温测试，测试结果分布在统计结果两侧的器件。
3.根据权利要求1所述的建立低温CMOS集约模型的方法，其特征在于，所述测试包括低温直流测试、低温射频测试以及低温后道器件测试。
4.根据权利要求3所述的建立低温CMOS集约模型的方法，其特征在于，在获得所述低温直流测试数据后，提取所述测试样品的迁移率、亚阈值摆幅以及阈值电压本征参数，基于BSIM4典型模型中的本征参数数值，通过如下公式进行低温拟合，获得低温典型模型：
5.根据权利要求4所述的建立低温CMOS集约模型的方法，其特征在于，所述方法还包括：对所述标准测试芯粒与所述全局失配芯粒进行批量测试，提取不同温度下所述全局失配芯粒参数的方差σmis(T)，对所述局部失配芯粒进行低温测试，提取不同温度下局
6.根据权利要求5所述的建立低温CMOS集约模型的方法，其特征在于，基于所述全局失配芯粒参数的方差σmis(T)，获得全局工艺浮动随机变量的失配参数基于所述部失配芯粒参数的方差σvar(T)，获得局部工艺失配随机变量失配参数其中，σmis(298K)为温度为298K时，全局失配芯粒参数的方差，σvar(298K)为温度为298K时，局部失配芯粒参数的方差，T为温度。
7.根据权利要求6所述的建立低温CMOS集约模型的方法，其特征在于，调整所述全局工艺浮动的失配参数sigma(T)与所述局部失配随机变量失配参数beta(T)在低温下的权重，通过蒙特卡洛仿真验证，建立低温统计模型：
8.根据权利要求3所述的建立低温CMOS集约模型的方法，其特征在于，基于所述低温直流测试的器件模型，在外围增加额外的子电路以覆盖高频范围内的特性，分析由器件版图引起的寄生电阻和电容的温度特性，采用经验二阶多项式，修正BSIM4典型模型中涉及到温度的温度系数，修正公式如下：
9.根据权利要求1所述的建立低温CMOS集约模型的方法，其特征在于，所述低温后道模型的建立方法包括：基于后道互联金属层在不同温度下的电学特性，进行后道互连线测试，统计后道互连线在不同温度下的电学特性，通过二次多项式拟合所述电学特性随温度变化的方程式，建立低温后道模型。
10.根据权利要求1所述的建立低温CMOS集约模型的方法，其特征在于，所述低温测试样品的尺寸覆盖大尺寸、小尺寸、宽尺寸、长尺寸以及中间尺寸，所述低温测试样品的金属连线的宽度及通孔的个数满足该工艺器件在常温下电流密度要求的1.5倍以上。
...【技术特征摘要】
1.一种建立低温cmos集约模型的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的建立低温cmos集约模型的方法，其特征在于，所述标准测试芯粒为整张晶圆上反映工艺整体平均水平的芯粒，所述全局失配芯粒为反映工艺偏差水平芯粒，所述低温局部失配芯粒为所述标准测试芯粒在低温环境下进行变温测试，测试结果分布在统计结果两侧的器件。
3.根据权利要求1所述的建立低温cmos集约模型的方法，其特征在于，所述测试包括低温直流测试、低温射频测试以及低温后道器件测试。
4.根据权利要求3所述的建立低温cmos集约模型的方法，其特征在于，在获得所述低温直流测试数据后，提取所述测试样品的迁移率、亚阈值摆幅以及阈值电压本征参数，基于bsim4典型模型中的本征参数数值，通过如下公式进行低温拟合，获得低温典型模型：
5.根据权利要求4所述的建立低温cmos集约模型的方法，其特征在于，所述方法还包括：对所述标准测试芯粒与所述全局失配芯粒进行批量测试，提取不同温度下所述全局失配芯粒参数的方差σmis(t)，对所述局部失配芯粒进行低温测试，提取不同温度下局所述部失配芯粒参数的方差σvar(t)。
6.根据权利要求5所述的建立低温cmos集约模型的方法，其特征在于，基于所述全局失配芯粒参数的方差σmis(t)，获得全局工艺浮动随机变量的失配参数基于所述部失配芯粒参数的方差σva...
【专利技术属性】
技术研发人员：寇煦丰，何畅，王泽伟，唐志东，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：
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