日本广岛大学HiSIM研究中心和日本产业技术综合研究所于1月9日在东京召开新闻发布会，宣布电路仿真用晶体管模型“HiSIM-SOTB”被认定为国际标准。在HiSIM-SOTB之前，HiSIM2及其两个扩展版就已成为国际标准，HiSIM-SOTB为第四个HiSIM-SOTB是广岛大学和半导体理工学研究中心（STARC）开发用于电路仿真的MOS晶体管模型“HiSIM2”的扩展版。在HiSIM-SOTB之前，HiSIM2及其两个扩展版就已成为国际标准，HiSIM-SOTB为第四个。
已成为国际标准电路仿真用模型的三个HiSIM模型分别是：普通MOSFET（大块衬底上的MOSFET）模型“HiSIM2”、将HiSIM扩展到高耐压晶体管的模型“HiSIM_HV”、将HiSIM扩展到SOI衬底上的晶体管的模型“HiSIM_SOI”。
此次的HiSIM-SOTB是将HiSIM_SOI扩展到了超薄氧化膜SOI衬底上的晶体管。四个模型均被电路仿真用晶体管模型（即集约模型）国际标准化组织“CMC（Compact Modeling Council）”认定为CMC标准。
图1：HiSIM模型群用红字标出的是已被国际标准化机构CMC（Compact Modeling Council）认定为标准的模型。
可模拟工作电压为0.4V的IC的动作
HiSIM-SOTB是广岛大学HiSIM研究中心在产综研等组织的协助下开发而成的。该模型已于2015年1月9日在HiSIM研究中心的主页上公开。HiSIM-SOTB这一名称的后半部分是考虑到SOTB-MOSFET晶体管而添加上去的。SOTB-MOSFET是一种下部绝缘体（BOX）层（氧化膜）非常薄的SOI衬底上的MOSFET。
图2：SOTB-MOSFET（左）和普通MOSFET（右）的构造
SOTB-MOSFET是日立制作所和瑞萨电子2004年开始开发的，2010年被日本经济产业省和新能源产业技术综合开发机构（NEDO）选为“实现低碳社会的超低电压元器件项目”的课题之一，然后委托日本超低电压元器件技术研究联盟（LEAP）开始开发实用性CMOS元器件和采用这些元器件的IC技术。在该项目中，产综研与LEAP共同开发使用SOTB-MOSFET的集成电路，广岛大学则与产综研合作，致力于SOTB-MOSFET模型的开发。SOTB-MOSFET的特点是，可在抑制特性偏差的同时，通过调整衬底掺杂浓度及衬底偏压，很容易调整晶体管的特性。比如，可在0.4V超低电源电压下驱动IC工作，使功耗降至原来的十分之一左右。
使用此次的HiSIM-SOTB进行电路仿真，可以准确模拟晶体管的电源电压从1V降至0.4V之后的电路工作情况。
图3：SOTB-MOSFET的构造（上）和改变衬底掺杂浓度NSUBB后的特性对比（下），下面两个图表中的数据为实测值，曲线为使用HiSIM-SOTB进行电路仿真的结果，二者基本一致。
还可实现FinFET的模型化
据介绍，为了适用于所有元器件构造，广岛大学对HiSIM-SOI进行了大幅改进，从而开发出了HiSIM-SOTB模型。HiSIM-SOTB模型是通过Poisson方程式求解超薄氧化膜（BOX层）上部、下部、硅基板上部三处的正确表面电势。为此，必须稳定地求出三次Newton方程的数值解。
虽然这个问题很难，但广岛大学成功开发出了合适的算法，从而准确地再现了调整衬底掺杂浓度以及施加衬底偏压后的载流子分布变化。另外，研究人员还进行了其他改进，比如，为了不损害集约模型的便利性，在允许的部分使用了很多高效的近似表达式，从而缩短了计算时间。产综研表示，“即便电路仿真对象的规模非常大，晶体管多达100～200个，也能使用HiSIM-SOTB顺利完成模拟”。
图4：使用HiSIM-SOTB来模拟21级环形振荡器电路的结果0.2～1.6V范围内的所有电源电压下均可进行模拟。
另外，据广岛大学和产综研介绍，除了HiSIM-SOTB之外，还有一个用于超薄氧化膜SOI晶圆上的MOS晶体管的CMC标准模型，那就是美国加州大学伯克利分校（UCB）开发的“BSIM-IMG（(Berkeley Short-channel IGFET Model-Independent Multi-Gate）”。广岛大学表示，HiSIM-SOTB为高精度模型，比如，HiSIM-SOTB可以比BSIM-IMG更加准确地模拟施加衬底偏压后的动作。
据介绍，HiSIM-SOTB不仅仅适用于SOTB-MOSFET，还可用于氧化膜非常薄的SOI衬底上的其他MOSFET的模型化，比如意法半导体的FD-SOI（fully depleted silicon on insulator）等。另外，除了平面晶体管之外，还可以实现FinFET的模型化。顺便一提，加州大学伯克利分校的“BSIM-CMG（Berkeley Short-channel IGFET Model–Common Multi-Gate）”已被认定为FinFET的CMC标准模型。
来源：日经技术在线
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