CN107305593B - 一种soi mosfet总剂量辐照模型的建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，包括：建立一受控电流源，所述受控电流源并联于一MOSFET器件的源、漏端之间，其电流大小受所述MOSFET器件的栅端、源端、体端、漏端及总剂量控制；建立一受控电压源，所述受控电压源串联于所述MOSFET器件的栅端，其电压大小受总剂量控制；将所述受控电流源、所述受控电压源及所述MOSFET器件进行封装，以形成所述SOI MOSFET总剂量辐照模型。本发明的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法可同时仿真NMOS和PMOS，可以仿真阈值电压的漂移，还可仿真各个尺寸、各个辐射剂量的MOSFET特性，大大提高仿真准确性。

Description

一种SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法
技术领域
本发明涉及器件集约模型建模技术领域，特别是涉及一种SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法。
背景技术
SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)是一种抗辐射的硅基结构，它可以应用于航空航天电子，对宇宙辐射有先天的免疫优势。总剂量效应是宇宙射线大量在材料中积累之后对器件特性产生不可逆影响的一种效应，常造成器件失效。SOI虽然具有特殊的结构，但其总剂量效应依然明显，需要通过设计与材料加固才能缓解。
MOSFET集约模型(也叫SPICE模型)是一种电路设计者直接调用仿真大规模电路的模型，其采用特定的语法进行模型表述，通过将器件的物理特性用SPICE语言的方式来提供给计算机进行仿真。
现有的SOI总剂量SPICE模型只包含的NMOS，而忽略了PMOS的总剂量效应，即现有的模型没有仿真总剂量对阈值电压影响的能力，从而NMOS与PMOS在总剂量影响下阈值电压的漂移是无法反映出来的。
NMOS的总剂量效应反映在漏电流增大、阈值电压减小，PMOS的总剂量效应反映在阈值电压增大。如果只有NMOS的总剂量模型，则只能仿真漏电流，评估电路的漏电大小，但没有仿真PMOS的阈值电压，就无法评估电路是否能正常工作。如：一个反相器由一个NMOS与一个PMOS组成，影响其工作的重要参数是阈值电压，当模型能正确仿真NMOS的阈值电压而不能仿真PMOS的阈值时，仿真出来的反相器工作状态也是错误的。
因此，如何设计一种新的SOI总剂量SPICE模型建模方法，能同时仿真NMOS与PMOS的漏电流与阈值电压漂移大小已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，用于解决现有技术中SOI总剂量SPICE模型不能同时仿真NMOS与PMOS的漏电流与阈值电压漂移大小，造成仿真结果错误，影响对电路的评估效果等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，所述SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法至少包括：
建立一受控电流源，所述受控电流源并联于一MOSFET器件的源、漏端之间，所述受控电流源的电流大小受所述MOSFET器件的栅端、源端、体端、漏端及总剂量控制；
建立一受控电压源，所述受控电压源串联于所述MOSFET器件的栅端，所述受控电压源的电压大小受总剂量控制；
将所述受控电流源、所述受控电压源及所述MOSFET器件进行封装，以形成所述SOIMOSFET总剂量辐照模型。
优选地，所述MOSFET器件为P型MOS管或N型MOS管。
优选地，建立所述受控电流源的方法具体包括：分别对侧壁区和边角区的电流进行建模，侧壁区电流和边角区电流均为MOSFET器件的栅端、源端、体端、漏端及总剂量的函数，所述受控电流源为所述侧壁区电流和所述边角区电流的和。
更优选地，所述侧壁区电流满足如下关系：
Figure BDA0000971305060000021
其中，Isidewall为所述侧壁区电流，usidewall为侧壁区的载流子迁移率，Coxsidewall为侧壁区的单位面积氧化层电容，wsidewall为侧壁区的等效栅宽，vgsteffsidewall为侧壁区的有效过驱动电压，Abulk为体电荷系数，vdseffsidewall为侧壁区的有效漏源电压，vtm为热电压，L0为器件沟道长度。
更优选地，所述边角区电流满足如下关系：
Figure BDA0000971305060000022
其中，Icorner为所述边角区电流，ucorner为边角区的载流子迁移率，Coxcorner为边角区的单位面积氧化层电容，wcorner为边角区的等效栅宽，vgsteffcorner为边角区的有效过驱动电压，Abulk为体电荷系数，vdseffcorner为边角区的有效漏源电压，vtm为热电压，L0为器件沟道长度。
优选地，所述受控电压源满足如下关系：
Figure BDA0000971305060000031
其中，Vgate为所述受控电压源，TID为总剂量，taofg为所述MOSFET器件的电荷分布因子，SATfg为所述MOSFET器件的剂量饱和因子，toxref为所述MOSFET器件的栅氧厚度，Coxfg为所述MOSFET器件的单位面积氧化层电容。
优选地，还包括：在形成所述SOI MOSFET总剂量辐照模型后，对所述SOI MOSFET总剂量辐照模型进行总剂量辐照测试，得到辐照后所述MOSFET的特性数据，并提取模型参数；将所述SOI MOSFET总剂量辐照模型及所述模型参数用于总剂量辐照仿真。
更优选地，采用总剂量模型参数提取方法将所述模型参数提取出来。
如上所述，本发明的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，具有以下有益效果：
本发明的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法可同时仿真NMOS和PMOS，可以仿真阈值电压的漂移，还可仿真各个尺寸、各个辐射剂量的MOSFET特性，大大提高仿真准确性。
附图说明
图1显示为本发明的SOI MOSFET总剂量辐照模型的等效电路示意图。
图2显示为MOSFET器件的俯视示意图。
图3显示为图2中MOSFET器件的局部剖视示意图。
图4显示为现有技术中的总剂量模型MOSFET特性仿真结果的示意图。
图5显示为本发明的SOI MOSFET总剂量辐照模型MOSFET特性仿真结果的示意图。
元件标号说明
11 MOSFET器件
12 受控电流源
13 受控电压源
S1～S5 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图3所示，本发明提供一种SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，所述SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法至少包括：
步骤S1：建立一受控电流源12，所述受控电流源12并联于一MOSFET器件11的源端S、漏端D之间，所述受控电流源12的电流大小受所述MOSFET器件11的栅端G、源端S、体端B、漏端D及总剂量TID控制。
具体地，如图1所示，所述受控电流源12包括4个端口，分别与所述MOSFET器件11的源端S、漏端D、栅端S和体端B相连。所述MOSFET器件11为P型MOS管或N型MOS管，可根据仿真测试的要求进行设定，在本实施例中，采用0.13微米SOI CMOS工艺中3.3V NMOS总剂量模型建模过程为例。所述受控电流源12受所述MOSFET器件11的栅端G、源端S、体端B、漏端D以及总剂量TID这五个变量的控制，表述为I(G,D,S,B,TID)。
更具体地，如图2所示为所述MOSFET器件11的俯视图，如图3所示为图2中的MOSFET器件11沿虚线剖开后的剖视图，包括侧壁区和边角区。分别对所述侧壁区和边角区的电流进行建模，得到侧壁区电流Isidewall和边角区电流Icorner，所述侧壁区电流Isidewall和所述边角区电流Icorner均为MOSFET器件11的栅端G、源端S、体端B、漏端D及总剂量TID的函数，分别表述为Isidewall(G,D,S,B,TID)和Isidewall(G,D,S,B,TID)。
在本实施例中，根据其物理机理，所述侧壁区电流Isidewall表述为：
Figure BDA0000971305060000041
其中，Isidewall为所述侧壁区电流，usidewall为侧壁区的载流子迁移率，Coxsidewall为侧壁区的单位面积氧化层电容，wsidewall为侧壁区的等效栅宽，vgsteffsidewall为侧壁区的有效过驱动电压，Abulk为体电荷系数，vdseffsidewall为侧壁区的有效漏源电压，vtm为热电压，L0为器件沟道长度。
所述边角区电流Icorner表述为：
Figure BDA0000971305060000051
其中，Icorner为所述边角区电流，ucorner为边角区的载流子迁移率，Coxcorner为边角区的单位面积氧化层电容，wcorner为边角区的等效栅宽，vgsteffcorner为边角区的有效过驱动电压，Abulk为体电荷系数，vdseffcorner为边角区的有效漏源电压，vtm为热电压，L0为器件沟道长度。
所述受控电流源12为所述侧壁区电流Isidewall和所述边角区电流Icorner的和，则所述受控电流源12表述为I(G,D,S,B,TID)＝Isidewall+Icorner。
步骤S2：建立一受控电压源13，所述受控电压源13串联于所述MOSFET器件11的栅端G，所述受控电压源13的电压大小受总剂量TID控制。
具体地，如图1所示，所述受控电压源13包括2个端口，其负极连接于所述MOSFET器件11的栅端G、正极引出。所述受控电压源13受变量总剂量TID控制，表述为Vgate(TID)。
在本实施例中，根据其物理机理，所述受控电压源13表述为：
Figure BDA0000971305060000052
其中，Vgate为所述受控电压源，TID为总剂量，taofg为所述MOSFET器件的电荷分布因子，SATfg为所述MOSFET器件的剂量饱和因子，toxref为所述MOSFET器件的栅氧厚度，Coxfg为所述MOSFET器件的单位面积氧化层电容。
步骤S3：将所述受控电流源12、所述受控电压源13及所述MOSFET器件11进行封装，以形成所述SOI MOSFET总剂量辐照模型。
具体地，如图1所示，所述受控电流源12的四个端口分别与所述MOSFET器件11的四个端口相连，产生一个附加在所述MOSFET器件11的源端S与漏端D之间的电流；将所述受控电压源13的负极与所述MOSFET器件11的栅端G相连，产生一个附加在所述MOSFET器件11的栅端G的偏压。最后将所述MOSFET器件11的漏端D引出，作为所述SOI MOSFET总剂量辐照模型的漏端Drain；将所述MOSFET器件11的源端S引出，作为所述SOI MOSFET总剂量辐照模型的源端Source；将所述MOSFET器件11的体端B引出，作为所述SOI MOSFET总剂量辐照模型的体端Body；将所述受控电压源13的正极引出，作为所述SOI MOSFET总剂量辐照模型的栅端Gate。
步骤S4：对所述SOI MOSFET总剂量辐照模型进行总剂量辐照测试，得到辐照后所述MOSFET的特性数据，并提取模型参数。
具体地，采用总剂量模型参数提取方法将所述模型参数提取出来。
步骤S5：将所述SOI MOSFET总剂量辐照模型及所述模型参数用于总剂量辐照仿真。
如图4所示为现有总剂量模型MOSFET特性idvg曲线的亚阈值区，图5所示为本发明的SOI MOSFET总剂量辐照模型MOSFET特性idvg曲线的亚阈值区。其中，各曲线为不同总剂量辐照下的仿真数据，各点为不同总剂量辐照下的测试数据。有图4及图5可知，本发明的SOI MOSFET总剂量辐照模型的拟合结果比现有技术中的总剂量模型好，该拟合结果决定了模型仿真的阈值电压准确度，即本发明的SOI MOSFET总剂量辐照模型仿真的阈值电压准确度比现有技术中的总剂量模型高。
如上所述，本发明的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，具有以下有益效果：
本发明的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法可同时仿真NMOS和PMOS，可以仿真阈值电压的漂移，还可仿真各个尺寸、各个辐射剂量的MOSFET特性，大大提高仿真准确性。
综上所述，本发明提供一种SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，包括：建立一受控电流源，所述受控电流源并联于一MOSFET器件的源、漏端之间，所述受控电流源的电流大小受所述MOSFET器件的栅端、源端、体端、漏端及总剂量控制；建立一受控电压源，所述受控电压源串联于所述MOSFET器件的栅端，所述受控电压源的电压大小受总剂量控制；将所述受控电流源、所述受控电压源及所述MOSFET器件进行封装，以形成所述SOI MOSFET总剂量辐照模型。本发明的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法可同时仿真NMOS和PMOS，可以仿真阈值电压的漂移，还可仿真各个尺寸、各个辐射剂量的MOSFET特性，大大提高仿真准确性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，其特征在于，所述SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法至少包括：
建立一受控电流源，所述受控电流源并联于一MOSFET器件的源、漏端之间，所述受控电流源的电流大小受所述MOSFET器件的栅端、源端、体端、漏端及总剂量控制；
建立一受控电压源，所述受控电压源的负极连接于所述MOSFET器件的栅端，所述受控电压源的电压大小受总剂量控制；
将所述受控电流源、所述受控电压源及所述MOSFET器件进行封装，将所述MOSFET器件的漏端引出作为所述SOI MOSFET总剂量辐照模型的漏端，将所述MOSFET器件的源端引出作为所述SOI MOSFET总剂量辐照模型的源端，将所述MOSFET器件的体端引出作为所述SOIMOSFET总剂量辐照模型的体端，将所述受控电压源的正极引出作为所述SOI MOSFET总剂量辐照模型的栅端，以形成所述SOI MOSFET总剂量辐照模型。
2.根据权利要求1所述的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，其特征在于：所述MOSFET器件为P型MOS管或N型MOS管。
3.根据权利要求1所述的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，其特征在于：建立所述受控电流源的方法具体包括：分别对侧壁区和边角区的电流进行建模，侧壁区电流和边角区电流均为MOSFET器件的栅端、源端、体端、漏端及总剂量的函数，所述受控电流源为所述侧壁区电流和所述边角区电流的和。
4.根据权利要求3所述的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，其特征在于：所述侧壁区电流满足如下关系：
Figure FDA0002611162510000011
其中，Isidewall为所述侧壁区电流，usidewall为侧壁区的载流子迁移率，Coxsidewall为侧壁区的单位面积氧化层电容，wsidewall为侧壁区的等效栅宽，vgsteffsidewall为侧壁区的有效过驱动电压，Abulk为体电荷系数，vdseffsidewall为侧壁区的有效漏源电压，vtm为热电压，L0为器件沟道长度。
5.根据权利要求3所述的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，其特征在于：所述边角区电流满足如下关系：
Figure FDA0002611162510000021
其中，Icorner为所述边角区电流，ucorner为边角区的载流子迁移率，Coxcorner为边角区的单位面积氧化层电容，wcorner为边角区的等效栅宽，vgsteffcorner为边角区的有效过驱动电压，Abulk为体电荷系数，vdseffcorner为边角区的有效漏源电压，vtm为热电压，L0为器件沟道长度。
6.根据权利要求1所述的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，其特征在于：所述受控电压源满足如下关系：
Figure FDA0002611162510000022
其中，Vgate为所述受控电压源，TID为总剂量，taofg为所述MOSFET器件的电荷分布因子，SATfg为所述MOSFET器件的剂量饱和因子，toxref为所述MOSFET器件的栅氧厚度，Coxfg为所述MOSFET器件的单位面积氧化层电容。
7.根据权利要求1所述的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，其特征在于：还包括：在形成所述SOI MOSFET总剂量辐照模型后，对所述SOI MOSFET总剂量辐照模型进行总剂量辐照测试，得到辐照后所述MOSFET的特性数据，并提取模型参数；将所述SOI MOSFET总剂量辐照模型及所述模型参数用于总剂量辐照仿真。
8.根据权利要求7所述的SOI MOSFET总剂量辐照模型的建模方法，其特征在于：采用总剂量模型参数提取方法将所述模型参数提取出来。
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