在IC設計的過程中，對不同基本元件模型(Device Model)內含特性及功能描敘的準確程度會直接影響所有電路模擬結果的正確性，但是半導體設計業界一直到了最近兩三年間，才開始正視並研討出相關的元件模型標準。在這之前，大部份的IC設計工程師都必須先由舊有或現存的幾種元件模組中找尋合適的項目，再將它們轉化成可用的基本設計元件，這個重行塑造元件模組的過程，不僅耗費大量寶貴的工程時間，更對公司內部不同部門或研發團隊間的技術轉移形成極大的瓶頸。

為了回應廣大IC設計族群對統一元件模型的強烈訴求，自1995年起，即有多家公司投入訂定標準化元件模型的研究領域之中。其中最重要的一項成果，為推出BSIM3V3標準模型，提供設計人員新的選擇，以便克服重新改造舊式元件模型的難題。

多樣化模型的歷史

當IC製程技術推進至深次微米(DSM)的世代後，設計的重心也逐漸轉移至元件間的接線技術。為了追隨製程的進化，設計人員必須確認他們所擁有的元件模型能繼續適用於縮小後的幾何尺寸，目前市面上約有100餘種的MOSFET模型，其中只有30多種被納入常用的電路模擬元件庫內；這些舊元件對0.5微米以上的製程尚稱準確，然而一旦進入0.35微米以下的DSM設計後，即無法發揮任何效用。

另一方面，在過去數年當中，全球的產業、政府與研究單位正合力嘗試開發一套能滿足DSM設計規範的LMOS元件模型；經由三方的共同努力，終於產生一套號稱可改善模擬準確度、速度、收斂效率與更大範圍縮放(Scaling)可靠性的模型組件。這套模組中的大部份元件模型都已經在許多公開場合內開放使用，如Philips Semiconductor的MOS9，以及由加大柏克萊分校(UCB)、益華電腦(Cadence)與BTA Technology共同開發的Berkeley Short-Channel IGFET Model Version3(SIM3V3)。

其中BSIM3V3已被Compact Model Council(CMC，前身為Sematech Modeling Group)指定為第一套業界標準的DSM MOSFET元件模型，日前一些已經使用過BSIM3V3的廠商紛紛發表各自的看法，指出這套元件模型正逐步邁向落實標準化的理想，而其對於不同電路模擬器的可攜性，更能平衡兼顧元件開發商與使用者的共同利益，一旦元件供應商只需維護少量的模型技術，便可大幅減少抽取與重建的時間與金錢成本，使用者自然也能考量本身的功能與特殊應用，選取最有效率的電路模擬器，而不必被專屬的元件模型侷限於特定的模擬器上。

理想的CMOS模型

電路模擬器主要的用途為驗證設計電路的功能，其所使用的元件模型是否準確，對最後輸出結果的正確度具有決定性的影響力。今日的超大型系統整合積體電路都須透過縮減元件尺寸、加快切換速度與減少設計餘裕等途徑達成最大的集積度，在上述條件下，對MDSFET元件模型的模擬與實體規格要求勢必愈趨嚴格；再者，建造流暢的完整設計程序，以達成更小化產品迅速搶佔市場先機目標，也會進一步增加開發元件模型的壓力與複雜性(表一)。

《表一　元件模型比較表》

理想的LMOS模型應具備下列特質，方能符合各項嚴苛的技術需求，並縮減模擬時程與壓低成本：

■正確性(電流、電客、電導、雜訊)

■有效性(運算、收斂)

■基本物理模型

■在指定一段製程尺寸範圍內的縮放能力

■簡單性(使用單一體系的計算機)

■適於統計與外圍模式分析

■簡易的參數抽取原理

■不限定搭配的模擬器

■同時適用於數位與類比設計

關鍵問題

許多自1970年代起陸續發展的現存MOSFET模型都未將有用的深次微米效應包含在內，大部份的晶圓製造技術也無法以舊有的元件模型大量生產DSM晶片，令人難以想像的是，一般工程師都能容忍這項缺失，再以人工改進或參數微調方式克服生產的障礙。

舉例來說，BSIM1、BSIM2只在有限的幾何範圍內具有正確性，因此工程師通常須將空間切割成數個小區域，這樣在執行時往往會耗費極大的成本與面臨極高的困難度。除此之外，這兩個模組所用的參數名稱與代表之內容並無直接關連，使用者通常要花上一段時間才能熟悉各個參數的意義。

大多數電容式模型都以準靜態的假設做為基準，但是當電路切換速度不斷加快後，這項假設會被打破，基層(Substrate)電流與洩極(Drain)電流共用相同的模型參數，因而無法將它們分開各自做最佳化計算，這項限制迫使最後結果經由妥協產生，削弱了模型的正確度。現有模型的另一個缺點為雜訊分析過於簡單，無法準確地推算由偏壓所產生的雜訊強度，這對RF、VCO與PCL等應用是極大的弱點。

新的模型與初創的標準

CMC自1995年開始從事元件模型標準的製訂與推廣工作以來，一直審慎地檢討、評估與試用7個近年發表的最佳DSM模型組件，包括：BSIM3V3、EKV、ISIM、JESSI、MISNAN與MOS95 Digital PCIM。以下為CMC歸納出的一些綜合結果：

■單一體系的模型最能保證各項特性的平順操作，因此以上所列的大部份模型都不適合選作預定的參考標準。

■雖然EKV模型在Subthreshold區域的特性極為準確，但只對長通道文件有效，主要應用範圍只限於低功率的特殊設計個案。

■MISNAN是所有評選產品中最接近物理原貌的模型，採用表面電位(Surface Potential)原理，因此具有最平順的AC與DC特性。至於MISNAN的缺點，在於無法得到封閉形式的分析模型等式。

■MOS9與BSIM3V3可產生相對最佳的結果，但是對於MOS9而言，即使設計人員運用全部的功能，還是有部份倚賴人工經驗的味道存在。而BSIM3V3在觀看DC與暫態執行時間上則有較佳的效率。

■表一依據DSM電位居(DSM Potential)、洩一源(Drain Source)極電流、Subthreshold電流、輸出導電與縮放(Scale)能力等關鍵規格，對各種模型加以分級。

BSIM3V3特點

CMC在1996年八月正在選擇BSIM3V3作為DSM元件的標準模型，它最大的優點是非常接近理想的CMOS模型的物理性質，另外還包括：

■涵蓋0.25微米及等比例縮小至0.2微米以下製程的解析能力。

■高效率，執行速度快。

■簡易的參數抽取過程。

■附帶置物箱(Binning)的可縮放/高預測度模型。

■可同時套用於類比及數位設計。

■內建幾何與溫度效應參數。

■統計式模型。

■精準的電容模型。

■可作快速暫態模擬的非準靜態模模型。

■使用個別的基層電流模型。

■強化的通道熱效應及偶發雜訊模型。

BSIM3V3的優點：可搭配多種模擬器，先進功能組合

全球最大的兩家晶圓製造公司，台積電(TSMC)與聯華電子(UMC)均先後宣佈將以BSIM3V3作為主力支援的元件模型，而另一家第三大晶圓製造商也會很快地跟進支援的腳步；隨著各大半導廠的積極動作，設計公司將會預見愈來愈多的商業版本BSIM3V3模擬元件庫問市。基於BSIM3V3可攜帶與百分之百符合標準的優勢，設計人員擁有絕佳的機會使用功效強大的AHDL或RF Simulation等，已有效提昇數值演算程序的最進步模擬工具，並能同時確保現有的元件模型足以與未來的模擬技術持續相容。

許多元件模型廠商已開始提供BSIM3V3模組並協助其他公司建立元件模型參數，模擬與實際從事深次微米設計工作。益華電腦(Cadence)的Spectre電路模擬器完全支援已對外公開的UCB BSIM3V3、MOS9以及其他新制定的元件模型，可提供使用者選擇能滿足其獨特設計或應用需求環境的最大彈性。

結論

EDA設計工具廠商益華電腦(Cadence)承諾會全力支持BSIM3V3元件模型，並已開始協助各大晶圓製造廠轉換至新的模型環境。一旦BSIM3V3成為業界普遍接受的新標準，設計團隊即可輕易地與其他團體合作及交流技術資訊，消除先前由於採用不同元件模式而必須耗時耗力以互換經驗的揮之不去的夢魘。