BSIM電晶體模型

一言以蔽之:BSIM是業界最廣泛被使用的電晶體模型。

MOSFET

1970年代起,由於MOSFET開始被使用在VLSI裡面,foundry可以把許多電晶體組合到單一晶片,使得積體電路開始起飛,製程也不斷地演進

隨著製程的演進,電路越來越多,就開始需要模擬的模型。早年的模型,像是MOS1,是從元件物理出發,假設MOSFET是long-channel而且dopping是均勻的,所以很容易手算。到了第二代的MOS2,則是引進了更多的元件物理特性。然而隨著製程不斷地微縮,MOSFET是long-channel的這個假設再也不成立,因此第三代的MOS3就導入了一些經驗上的參數,來描述short channel effect。MOS1、MOS2、MOS3這類型的model就從1971年的10um製程一直被使用到1984年的1um製程。

到了1980年代,這時候MOSFET的short channel effect再也不能忽視,所以胡正明教授就帶領團隊開發了一套新的模型,也就是BSIM。BSIM的全名是Berkeley Short-channel IGFET Model,顧名思義,就是由UC Berkeley(柏克萊大學)所開發的MOSFET model。

BSIM裡面的insulated-gate field-effect-transistor (IGFET)這個字,就是MOSFET的別名。我猜當年不取MOSFET而用IGFET的目的,就是希望讓縮寫是BSIM而不是BSMM,畢竟BSIM可以發音成B-sim,還暗示這是Berkeley simulation,以方便記憶。

第一代BSIM,也就是BSIM1,用在0.8um的製程。後面又改版出了BSIM2,可以用到0.35um的製程,風行於1990年代初期。由於製程越來越複雜,BSIM2為了比BSIM1更準,就使用了更多的fitting parameter。到了BSIM3,開發團隊不想使用越來越多的參數,因此導入了二維分析,也就是開始解quasi two-dimensional的Poisson equation,希望使用物理公式來導出device特性,BSIM3適用到2000年的0.15um。BSIM4則是最末代的bulk MOSFET model,適用於0.13um到20nm,大概是2001年到2012年左右。

從2012年左右開始的FinFET,就把MOSFET從平面拉到了立體,所以就得開發新的BSIM架構。屬於FinFET的BSIM-CMG模型,在2012年被發表。除此之外,BSIM團隊也有開發給silicon-on-insulator製程的BSIM-SOI模型。

目前BSIM的家族總共有五種模型:

  • BSIM-CMG: for common multi-gate device (FinFET)
  • BSIM-IMG: for independent multi-gate device (front- and back-gate)
  • BSIM-SOI: for silicon-on-insulator device
  • BSIM-BULK: for bulk MOSFET (charge-based model)
  • BSIM4: for bulk MOSFET (threshold voltage-based model)

BSIM電晶體模型無疑是業內最廣泛被使用的模型,不過有一些特性(例如layout depedent effect)在BSIM裡面沒有被描述,因此各家foundry都有自己的know-how來補強模型。