半导体器件是集成电路的基本组成元件,器件的基本性能决定着设计的集成电路芯片所能达到的功能上限。针对器件输入输出性能建立的模型是集成电路设计开发的必要环节。一方面,集成电路设计开发者需要与实际器件输入输出性能精确拟合的器件模型进行集成电路的开发与设计:另一方面,晶圆制造厂商需要利用器件模型对器件的输入输出性能进行数据分析,来验证生产的器件是否达到了设计开发所需要的标准。显然,器件模型沟通了半导体器件制造与集成电路设计两个领域。那么如何获得一个能够精确拟合器件性能的模型,便成为了一个必须要解决的问题。为了解决这一问题,早在上世纪80年代,美国加州大学伯克利分校就成功开发研究了Bsim系列的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)器件仿真模型,并且其中的Bsim3v3版本被工业界作为标准。Bsim系列模模型是一种 SPICE模型(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis),是由Fortran语言编写的一种仿真模型。由于SPICE模型代码全部开源,允许用户完全访问并进行移植,所以可以被集成到多种集成电路设计软件上进行使用。本论文正是基于Bsim系列模型之一的Bsim4模型,通过MOSFET器件的模型参数提取与仿真验证,检验了Bsim4器件模型对于普通MOSFET器件的适用性。相比较于Bsim3v3模型而言,Bsim4模型为了应对先进工艺制程下的种种挑战,吸取了第三代Bsim模型(Bsim3)的经验,重点解决涉及到器件在工作时的物理特性的问题,而且考虑了器件尺寸和工艺的影响。在具体使用中也引用了拟合参数从而提高了模型准确性。并在原来架构之上加入了新的本证输入电阻模型、使用缩放性能更好的射频衬底阻抗网络、加入了新的沟道热噪声、提供了更加准确的栅隧穿电流以及加入了GIDL/GOSL(Gate induced drain/source leakage)模型。进入21世纪以后,集成电路产业快速发展,半导体器件的制造工艺也迅速发展。半导体器件尺寸不断缩减,集成电路芯片的集成度不断提高,当下主流的芯片制造工艺已经达到了14-32纳米(英特尔第五代i7处理器以及三星Exynos 7420处理器均采用最新的14nm制造工艺),更先进的工艺制程已经接近了7纳米。伴随特征尺寸的不断减小,栅极氧化层厚度随之不断减小,添加在栅极的电压也会不断减小,那么器件的临界电压与临界电流也不断减小,从而导致完全关闭半导体器件的电压也变得更低。在这种情况下,即使是很微小的电压,也可能导致弱反型电流的出现,由这种次临界电流(subthreshold current)导致的功率损耗也会增加。不断减小的栅极氧化层厚度,还会导致器件的工作状态处于量子力学的效应范围,部分电子能够穿过氧化层形成的位能障壁(Potential Barrier),从而产生隧穿电流,这也是小尺寸器件的模型必须进行量化的效应。与此同时,更高的器件集成度,使得连接导线之间产生的寄生电容增大,寄生电容的存在会明显的影响器件的电压电流转换过程。为了能够精确模拟MOSFET器件在先进工艺下的多重物理效应,如因为器件尺寸减小而导致的沟道的纵向与横向非均匀掺杂效应、短沟道效应与窄沟道效应以及漏致势垒降低效应等,Bsim4模型建立了阈值电压模型和漏端电流模型;为了表征器件表面与内部的载流子流动状况,建立了迁移率模型;考虑栅绝缘层厚度降低导致的栅隧穿电流增加,建立了栅极隧穿电流模型;由于衬底中的碰撞离子化电流以及栅极导致的漏极泄露电流,建立了衬底电流模型;同时为了考虑电容对于器件性能的效应,建立了本证电容模型以及寄生电容模型。但是模型只是提供了一个联系输入输出关系的网络,在每一个网络节点上,对输入输出的关联关系进行描述的参数却需要进一步提取。为了使模型与器件性能建立直接的联系,需要根据器件的测量数据进行参数提取。参数的提取过程与模型的架构相关联,即通过特定偏置状态的测量结果,来提取特定物理效应的相关参数。这样能够更加有效地提取表征器件物理特性的参数,使模型更加合理。参数提取过程分为多个步骤:首先,会提取一些工艺参数,如栅极等效氧化层厚度、多晶硅栅极掺杂浓度等,由于工艺参数在整个提取过程中都会涉及,所以一般在整个过程的开始进行提取;然后,对整个电压电流模型的线性区域进行拟合,该过程中会提取相关的参数如长沟道器件的阈值电压、栅诱导漏极泄漏电流、栅极隧穿电流、等效沟道长度与宽度等参数;下一步,对饱和区域进行拟合,沟道长度调制效应、漏致势垒降低效应、衬底电流导致的体效应、漏极感应阈值电压偏移等效应的相关参数在这里进行处理;最后,会提取高压工作状态下与碰撞电离相关的一些参数。完成所有过程的参数提取以后,我们用提取到的模型对已有测试数据进行仿真拟合来验证提取的模型的可靠性并进行了一些分析。通过器件真实测量数据的参数提取过程获得的器件仿真模型,一方面为集成电路设计者提供了真实可靠的电子元器件模型,可以用于集成电路芯片的设计与开发;另一方面是可以为半导体器件的制造厂商提供器件的输入输出仿真特性,可用于器件性能的分析。除此之外,模型中具有物理意义的参数对于器件的设计制造与改进措施以及工艺开发都具有重要的意义。