New semi-empirical current-voltage models for long-channel and shorechannel NMOS and PMOS, called the AIM (Automatic Integrated circuits Modeling) SPICE models, are proposed. They are based on UCCM (Unified Charge Control Model), UMM (Universal Mobility Model), more accurate velocity-field relationships for NMOS and PMOS, respectively, and new formulation of the finite drain conductance due to channel length modulation effect and DIBL (Drain Induced Barrier Lowering) in the saturation region, and short-channel effects. The salient feature of our models is that it allows the automatic parameter extraction in a systematic and unified manner, which is extremely versatile for statestical circuit simulation, statistical yield analysis due to parameter variation, QC (Quality Control) and QA (Quality Assurance).
We applied our approaches to submicron n- and p-MOSFETs fabricated by n-well CMOS process. The calculated I-V characteristics using the extracted parameters show excellent agreement with the measurement results. Our parameter extraction is easy and straightforward, and the extracted parameter values such as saturation velocity and characteristic length for channel length modulation are shown to agree well with other independent experimental measurements.
These models are implemented in a SPICE version 3C.1, running in a Solbourne series V-602 workstation. The circuit simulation results of AIM SPICE models with similar accuracy. This result is thought to be obtained by the better continuity of drain current and its derivative for the entire MOSFET operation regions.
본 논문은 long channel과 short channel CMOS FET를 위한 전류-전압 모델을 제안하고, 이 모델을 기존의 회로 시뮬레이션 프로그램인 SPICE3C.1에 구현하여 이전의 다른 모델과 비교하였다. AIM(Automatic Integrated circuits Modeling)-SPICE 모델이라 불리우는 이 제안된 모델은 Unified Charge Control Model(UCCM), Universal Mobility Model(UMM), 좀 더 정확한 velocity-field의 관계식을 기본으로 하고, Channel Length Modulation 효과와 DIBL, short-channel 효과등을 고려하였다.
AIM-SPICE 모델의 파라미터들은 그 자체의 물리적인 의미를 갖고있으며, 측정결과로 부터 모든 파라미터를 간단하고 정확하게 추출할 수 있다. 추출된 파라미터를 사용하여 제안된 모델에 의해 계산된 결과는 측정결과와 비교할때 MOS-FET의 동작 영역 전체에 대해서 잘 일치하였다. AIM-SPICE 모델을 SPICE2C.1에 구현하여, SPICE 프로그램을 Solbourne 5/600 컴퓨터에서 수행하였다. CMOS FET 디지탈 회로의 시뮬레이션 결과는 정확도와 수렴 속도, 계산 시간 등에서 이미 잘 알려진 BSIM 모델과 비교하였으며, AIM-SPICE 모델의 계산 시간은 BSIM 모델과 거의 비슷하였다. 하지만 AIM-SPICE 모델은 드레인 전류와 그 미분 값이 MOS-FET의 전체 동작 영역에서 연속이므로, 더 정확한 전류-전압특성을 얻을 수 있었다.
AIM-SPICE 모델은 더 적은 수의 파라미터를 사용하면서도, 시뮬레이션 결과의 정확도는 BSIM 모델과 견줄만 하였다. 더우기 BSIM 모델의 파라미터들은 회로나 소자 설계자들이 사용하기에 어려운 단점이 있지만, AIM-SPICE 모델 파라미터들은 그 자체의 물리적인 의미를 갖고있기때문에, 소자를 제작할 경우 이들 파라미터들의 변화에 따른 소자의 특성을 사용자들이 쉽게 분석할 수 있다. 이러한 결과로 부터 통계 양산 분석, 불량 분석 등이 가능할 것이며, AIM-SPICE 모델은 다른 모델에 비해 효율적인 회로 시뮬레이션 모델로서 적합할 것이다.
