CN103049589A - 具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法，包括以下步骤：第一步，按照器件结构，将漏侧漂移区分为三部分：沟道有源区下的漂移区Loverld、场氧下的漂移区Ldrift1和漏极有源区下的漂移区Ldrift2；将源侧漂移区也分为三部分：沟道有源区下的漂移区Lovers、场氧下漂移区Ldrifts1和源极有源区下的漂移区Ldrifts2；第二步，精确模拟每部分漂移区的电阻特性；采用下述公式模拟器件的栅源电压Vgs、漏源电压Vds和体源电压Vbs对漂移区电阻特性的影响；

本发明能够有效提高高压MOS或高压LDMOS模型精度，以提高高压集成电路仿真精度，节约电路设计周期。

Description

具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法

技术领域

本发明涉及一种高压晶体管模型方法，具体涉及一种具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法。

背景技术

用于高压集成电路设计的高压晶体管一般分为高压MOS和高压LDMOS两种。目前用于提高高压晶体管耐压的方法有两种：其一，场板技术的引入可以均匀表面电场，从而提高器件击穿电压；其二，在耐压侧(漏侧或源漏两侧)引入轻掺杂漂移区，通过漂移区耗尽以提高器件的击穿电压。

如图1所示，为提高器件的击穿电压，在高压MOS的源侧和漏侧引入轻掺杂漂移区；如图2所示，在高压LDMOS的漏侧引入轻掺杂漂移区。

但是，场板技术同时会引入较大的交叠电容(Overlap电容)，漂移区大的电阻特性也会带来高压器件独特的高压特性。如何精确模拟场板技术及漂移区特性是高压器件建模的关键之处。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法，它可以精确模拟漂移区电阻特性。

为解决上述技术问题，本发明具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法的技术解决方案为，包括以下步骤：

第一步，按照器件结构，将漏侧漂移区分为三部分：沟道有源区下的漂移区Loverld、场氧下的漂移区Ldrift1和漏极有源区下的漂移区Ldrift2；将源侧漂移区也分为三部分：沟道有源区下的漂移区Lovers、场氧下漂移区Ldrifts1和源极有源区下的漂移区Ldrifts2；

第二步，精确模拟每部分漂移区的电阻特性；

采用下述公式模拟器件的栅源电压Vgs、漏源电压Vds和体源电压Vbs对漂移区电阻特性的影响；

$\mathrm{Rdrift}=R_{\mathrm{DVD}}(1+\mathrm{RDVG}1-\frac{\mathrm{RDVG}1}{\mathrm{RDVG}2}\mathrm{Vgs})\×(1-\mathrm{Vbs}\×\mathrm{RDVB})\×{\mathrm{Vds}}^{\mathrm{RDVD}1}\×\left(\frac{\mathrm{Ldrift}}{\mathrm{Ddrift}-\mathrm{Wdep}}\right))---\left(1\right)$

并采用下述公式模拟器件沟道长度、沟道宽度及漂移区各部分尺寸对漂移区电阻的影响；

$R_{\mathrm{DVD}}=\frac{\mathrm{RDVD}}{W}\×\exp (-\mathrm{RDVDL}\×L^{\mathrm{RDVDLP}})\×(1+\frac{\mathrm{RDVDS}}{W\×L})\×f_1\×f_2\×f_3---\left(2\right)$

漏侧漂移区长度Ldrift＝Loverld+Ldrift1+Ldrift2      (3)

其中：

f₁(Ldrift1)＝Ldrift1×RDSLP1+RDICT1                (4)

f₂(Ldrift2)＝Ldrift2×RDSLP2+RDICT2                (5)

$f_3\left(\mathrm{Lover}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Loverld}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Loverld}---\left(6\right)$

或者

源侧漂移区长度Ldrift＝Lovers+Ldrifts1+Ldrifts2     (7)

其中：

f₁(Ldrifts1)＝Ldrifts1×RDSLP1+RDICT1              (8)

f₁(Ldrifts2)＝Ldrifts2×RDSLP2+RDICT2              (9)

$f_3\left(\mathrm{Lovers}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Lovers}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Lovers}---\left(10\right)$

其中：

Rdrift是漂移区电阻；

Ldrift是漂移区的长度；

Vgs，Vbs，Vds分别是栅源电压、体源电压和漏源电压；

RDVG1，RDVG2，RDVB，RDVD1分别是栅源一阶电压系数、栅源二阶电压系数、体源一阶电压系数、漏源电压指数；

W，L分别是器件沟道宽度、沟道长度；

Ddrift是漂移区结深；

Wdep是漂移区与衬底PN结在漂移区侧所形成的耗尽区宽度；

RDVD，RDVDL，RDVDS是与器件沟道宽度、沟道长度相关的漂移区电阻阻值；

RDVDLP是指数项的修正因子；

RDSLP1，RDICT1是Ldrift1修正因子；

RDSLP2，RDICT2是Ldrift2修正因子；

RDOV1，RDOV2，RDOV3是Lover修正因子。

所述器件结构为对称结构的高压MOS器件时：

Loverld＝Lovers；Ldrift1＝Ldrifts1；Ldrift2＝Ldrifts2

则漏侧漂移区和源侧漂移区电阻的计算公式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrift1)＝Ldrift1×RDSLP1+RDICT1            (4)

f₂(Ldrift2)＝Ldrift2×RDSLP2+RDICT2            (5)

$f_3\left(\mathrm{Lover}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Loverld}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Loverld}---\left(6\right).$

所述器件结构为非对称结构的高压MOS器件时：

Loverld≠Lovers；Ldrift1≠Ldrifts1；Ldrift2≠Ldrifts2

则漏侧漂移区电阻的计算公式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrift1)＝Ldrift1×RDSLP1+RDICT1            (4)

f₂(Ldrift2)＝Ldrift2×RDSLP2+RDICT2            (5)

$f_3\left(\mathrm{Lover}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Loverld}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Loverld}---\left(6\right)$

源侧漂移区电阻的计算公式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrifts1)＝Ldrifts1×RDSLP1+RDICT1        (8)

f₂(Ldrifts2)＝Ldrifts2×RDSLP2+RDICT2        (9)

$f_3\left(\mathrm{Lovers}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Lovers}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Lovers}---\left(10\right).$

所述器件结构为高压LDMOS器件时，其漏侧漂移区电阻的计算公式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrift1)＝Ldrift1×RDSLP1+RDICT1          (4)

f₂(Ldrift2)＝Ldrift2×RDSLP2+RDICT2          (5)

$f_3\left(\mathrm{Lover}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Loverld}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Loverld}---\left(6\right).$

本发明可以达到的技术效果是：

本发明精确模拟了漂移区分布在沟道有源区、场氧区和源漏有源区等不同位置随尺寸变化的电阻特性，并描述了漂移区电阻与晶体管栅、源、漏、体电位的关系。

本发明的高压晶体管模型包含场板特性和漂移区电阻特性，能够提高高压晶体管模型精度，同时提高高压集成电路仿真精度。

本发明通过在常规COMPACT MOSFET模型基础上重新精确定义源漏漂移区模型方法，能够有效提高高压MOS或高压LDMOS模型精度，以提高高压集成电路仿真精度，节约电路设计周期。

本发明在场板交叠电容模型的基础上，能够实现精确模拟漂移区电阻特性，同时考虑模型可扩展性，增加模型灵活度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是高压MOS器件结构的示意图；

图2是高压LDMOS器件结构的示意图；

图3是本发明具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法的等效电路图。

具体实施方式

本发明具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法，包括以下步骤：

第一步，如图1、图2所示，按照器件结构，将漏侧漂移区分为三部分：沟道有源区下的漂移区Loverld、场氧下的漂移区Ldrift1和漏极有源区下的漂移区Ldrift2；将源侧漂移区也分为三部分：沟道有源区下的漂移区Lovers、场氧下漂移区Ldrifts1和源极有源区下的漂移区Ldrifts2；

其中：

L是器件沟道长度；

Loverld是漏侧漂移区在沟道有源区内的长度；

Ldrift1是漏侧漂移区在场氧下的长度；

Ldrift2是漏侧漂移区在漏极有源区内的长度；

Lovers是源侧漂移区在沟道有源区内的长度；

Ldrifts1是源侧漂移区在场氧下的长度；

Ldrifts2是源侧漂移区在源极有源区内的长度；

第二步，精确模拟每部分漂移区的电阻特性；

由于漂移区内电场会随着器件栅源电压Vgs、漏源电压Vds和体源电压Vbs的变化而变化，本模型采用下述公式模拟上述电压对漂移区电阻特性的影响；

$\mathrm{Rdrift}=R_{\mathrm{DVD}}(1+\mathrm{RDVG}1-\frac{\mathrm{RDVG}1}{\mathrm{RDVG}2}\mathrm{Vgs})\×(1-\mathrm{Vbs}\×\mathrm{RDVB})\×{\mathrm{Vds}}^{\mathrm{RDVD}1}\×\left(\frac{\mathrm{Ldrift}}{\mathrm{Ddrift}-\mathrm{Wdep}}\right)---\left(1\right)$

并采用下述公式模拟器件沟道长度、沟道宽度及漂移区各部分尺寸对漂移区电阻的影响；

$R_{\mathrm{DVD}}=\frac{\mathrm{RDVD}}{W}\×\exp (-\mathrm{RDVDL}\×L^{\mathrm{RDVDLP}})\×(1+\frac{\mathrm{RDVDS}}{W\×L})\×f_1\×f_2\×f_3---\left(2\right)$

漏侧漂移区长度Ldrift＝Loverld+Ldrift1+Ldrift2      (3)

对于对称结构的高压MOS器件：

Loverld＝Lovers；Ldrift1＝Ldrifts1；Ldrift2＝Ldrifts2

则漏侧漂移区和源侧漂移区电阻的计算公式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrift1)＝Ldrift1×RDSLP1+RDICT1                (4)

f₂(Ldrift2)＝Ldrift2×RDSLP2+RDICT2                (5)

$f_3\left(\mathrm{Lover}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Loverld}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Loverld}---\left(6\right)$

其中：

Rdrift是漂移区电阻；

Ldrift是漂移区的长度；

Vgs，Vbs，Vds分别是栅源电压、体源电压和漏源电压；

RDVG1，RDVG2，RDVB，RDVD1分别是栅源一阶电压系数、栅源二阶电压系数、体源一阶电压系数、漏源电压指数；

W，L分别是器件沟道宽度、沟道长度；

Ddrift是漂移区结深；

Wdep是漂移区与衬底PN结在漂移区侧所形成的耗尽区宽度；

RDVD，RDVDL，RDVDS是与器件沟道宽度、沟道长度相关的漂移区电阻阻值；

RDVDLP是指数项的修正因子；

RDSLP1，RDICT1是Ldrift1修正因子；

RDSLP2，RDICT2是Ldrift2修正因子；

RDOV1，RDOV2，RDOV3是Lover修正因子；

对于非对称结构的高压MOS器件：

Loverld≠Lovers；Ldrift1≠Ldrifts1；Ldrift2≠Ldrifts2

则漏侧漂移区长度Ldrift＝Loverld+Ldrift1+Ldrift2    (3)

其中：漏侧漂移区电阻的计算公式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrift1)＝Ldrift1×RDSLP1+RDICT1                (4)

f₂(Ldrift2)＝Ldrift2×RDSLP2+RDICT2                (5)

$f_3\left(\mathrm{Lover}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Loverld}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Loverld}---\left(6\right)$

源侧漂移区长度Ldrift＝Lovers+Ldrifts1+Ldrifts2     (7)

其中：源侧漂移区电阻的计算公式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrifts1)＝Ldrifts1×RDSLP1+RDICT1              (8)

f₂(Ldrifts2)＝Ldrifts2×RDSLP2+RDICT2              (9)

$f_3\left(\mathrm{Lovers}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Lovers}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Lovers}---\left(10\right)$

对于高压LDMOS器件，其漏侧漂移区电阻的计算公式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrift1)＝Ldrift1×RDSLP1+RDICT1                (4)

f₂(Ldrift2)＝Ldrift2×RDSLP2+RDICT2                (5)

$f_3\left(\mathrm{Lover}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Loverld}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Loverld}---\left(6\right)$

由于器件耐压时要求漂移区全部耗尽以平衡表面电场，本发明同时优化三部分漂移区的长度，以达到击穿特性和导通电阻等不同设计要求。

本发明模拟的漂移区电阻特性可等效为如图3所示的高压晶体管电路模型，其中：

C_{gd_overlap_on_active}是栅极场板在漏极有源区内产生的Overlap电容；

C_{gd_overlap_on_field}是栅极场板在漏极场氧区内产生的Overlap电容；

C_{gs_overlap_on_active}是栅极场板在源极有源区内产生的Overlap电容；

C_{gs_overlap_on_field}是栅极场板在源极场氧区内产生的Overlap电容；

Rdriftd是漏侧漂移区电阻；

Rdrifts是源侧漂移区电阻。

本发明能够建立包含场板交叠电容、漂移区电阻的高压晶体管等效电路模型，能够体现高压晶体管栅、源、漏、体电位，以及高压晶体管漂移区的尺寸。

本发明适用于高压集成电路设计所用的SPICE模型方法。

Claims (4)

1.一种具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，按照器件结构，将漏侧漂移区分为三部分：沟道有源区下的漂移区Loverld、场氧下的漂移区Ldrift1和漏极有源区下的漂移区Ldrift2；将源侧漂移区也分为三部分：沟道有源区下的漂移区Lovers、场氧下漂移区Ldrifts1和源极有源区下的漂移区Ldrifts2；

第二步，精确模拟每部分漂移区的电阻特性；

采用下述公式模拟器件的栅源电压Vgs、漏源电压Vds和体源电压Vbs对漂移区电阻特性的影响；

$\mathrm{Rdrift}=R_{\mathrm{DVD}}(1+\mathrm{RDVG}1-\frac{\mathrm{RDVG}1}{\mathrm{RDVG}2}\mathrm{Vgs})\×(1-\mathrm{Vbs}\×\mathrm{RDVB})\×{\mathrm{Vds}}^{\mathrm{RDVD}1}\×\left(\frac{\mathrm{Ldrift}}{\mathrm{Ddrift}-\mathrm{Wdep}}\right))---\left(1\right)$

并采用下述公式模拟器件沟道长度、沟道宽度及漂移区各部分尺寸对漂移区电阻的影响；

$R_{\mathrm{DVD}}=\frac{\mathrm{RDVD}}{W}\×\exp (-\mathrm{RDVDL}\×L^{\mathrm{RDVDLP}})\×(1+\frac{\mathrm{RDVDS}}{W\×L})\×f_1\×f_2\×f_3---\left(2\right)$

漏侧漂移区长度Ldrift＝Loverld+Ldrift1+Ldrift2    (3)

其中：

f₁(Ldrift1)＝Ldrift1×RDSLP1+RDICT1              (4)

f₂(Ldrift2)＝Ldrift2×RDSLP2+RDICT2              (5)

$f_3\left(\mathrm{Lover}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Loverld}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Loverld}---\left(6\right)$

或者

源侧漂移区长度Ldrift＝Lovers+Ldrifts1+Ldrifts2   (7)

其中：

f₁(Ldrifts1)＝Ldrifts1×RDSLP1+RDICT1        (8)

f₂(Ldrifts2)＝Ldrifts2×RDSLP2+RDICT2        (9)

$f_3\left(\mathrm{Lovers}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Lovers}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Lovers}---\left(10\right)$

其中：

Rdrift是漂移区电阻；

Ldrift是漂移区的长度；

Vgs，Vbs，Vds分别是栅源电压、体源电压和漏源电压；

RDVG1，RDVG2，RDVB，RDVD1分别是栅源一阶电压系数、栅源二阶电压系数、体源一阶电压系数、漏源电压指数；

W，L分别是器件沟道宽度、沟道长度；

Ddrift是漂移区结深；

Wdep是漂移区与衬底PN结在漂移区侧所形成的耗尽区宽度；

RDVD，RDVDL，RDVDS是与器件沟道宽度、沟道长度相关的漂移区电阻阻值；

RDVDLP是指数项的修正因子；

RDSLP1，RDICT1是Ldrift1修正因子；

RDSLP2，RDICT2是Ldrift2修正因子；

RDOV1，RDOV2，RDOV3是Lover修正因子。

2.根据权利要求1所述的具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法，其特征在于：所述器件结构为对称结构的高压MOS器件时：

Loverld＝Lovers；Ldrift1＝Ldrifts1；Ldrift2＝Ldrifts2

则漏侧漂移区和源侧漂移区电阻的计算公式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrift1)＝Ldrift1×RDSLP1+RDICT1            (4)

f₂(Ldrift2)＝Ldrift2×RDSLP2+RDICT2            (5)

$f_3\left(\mathrm{Lover}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Loverld}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Loverld}---\left(6\right).$

3.根据权利要求1所述的具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法其特征在于：所述器件结构为非对称结构的高压MOS器件时：

Loverld≠Lovers；Ldrift1≠Ldrifts1；Ldrift2≠Ldrifts2

则漏侧漂移区电阻的计算公式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrift1)＝Ldrift1×RDSLP1+RDICT1            (4)

f₂(Ldrift2)＝Ldrift2×RDSLP2+RDICT2            (5)

$f_3\left(\mathrm{Lover}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Loverld}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Loverld}---\left(6\right)$

源侧漂移区电阻的计算公式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrifts1)＝Ldrifts1×RDSLP1+RDICT1          (8)

f₂(Ldrifts2)＝Ldrifts2×RDSLP2+RDICT2          (9)

$f_3\left(\mathrm{Lovers}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Lovers}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Lovers}---\left(10\right).$

4.根据权利要求1所述的具有可扩展性漂移区电阻的高压晶体管模型方法，其特征在于：所述器件结构为高压LDMOS器件时，其漏侧漂移区电阻的计算公

式中，f₁、f₂、f₃按下式计算：

f₁(Ldrift1)＝Ldrift1×RDSLP1+RDICT1            (4)

f₂(Ldrift2)＝Ldrift2×RDSLP2+RDICT2            (5)

$f_3\left(\mathrm{Lover}\right)=1+(\mathrm{RDOV}1-\frac{\mathrm{RDOV}1}{\mathrm{RDOV}2})\×\mathrm{Loverld}+(1-\mathrm{RDOV}3)\×\mathrm{Loverld}---\left(6\right).$

Images