CN110175381B - 一种适用于仿真、检查的emccd单元模型库设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库设计方法，以半导体器件物理基本原理为基础进行模型库设计，结合数值分析方法进行研究分析，通过对结构的简化和近似，解析出对应的电路符号，并且采用全定制芯片设计工具和电路模拟仿真程序仿真验证。本发明把仅适用于数值分析方法的EMCCD单元的二维剖面和三维结构通过对EMCCD介质特性、杂质分布和电极形貌等关键参数近似简化，抽象出典型的有源器件、无源器件和定制器件的表示符号，用于全定制芯片设计工具和电路模拟仿真程序进行电路功能分析、电路版图对照和设计规则检查，优化EMCCD设计流程，提高EMCCD设计效率，增加EMCCD版图设计的准确性和可靠性。

Description

一种适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库设计方法
技术领域
本发明涉及EMCCD单元模型库设计方法，尤其涉及一种适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库设计方法。
背景技术
EMCCD通过在水平移位寄存器中设置了多级可控雪崩增益的倍增移位寄存器单元，实现CCD内部信号电荷倍增的功能。存在的问题是：现有EMCCD设计方法，是从单元版图设计开始，采用自下而上的设计方法逐级搭建设计出光敏区、垂直移位寄存器、水平移位寄存器、倍增移位寄存器、电荷检测和跟随放大器等，由于这种设计方法不能够直观、准确、高效，不适于顶层结构功能仿真分析、电路版图对照检查和设计规则检查，对EMCCD设计制造的效率和可靠性会产生一定影响。
发明内容
针对背景技术中的问题，为了克服当前EMCCD设计过程中，因为缺乏对应的电路单元，不能有效进行电路版图对比检查和版图设计规则检查的问题，本发明提出了一种适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库设计方法，包括EMCCD单元数值分析方法、EMCCD单元数值分析结构、EMCCD单元数值分析简化近似方法、EMCCD单元数值分析结构符号化表示、EMCCD单元电路和EMCCD电路单元模型库，所述采用EMCCD单元数值方法构建EMCCD单元数值分析结构，对EMCCD单元数值分析结构进行简化近似，抽象出对应的通用电路符号和定制的电路符号，创建EMCCD单元的电路符号表达，然后建立适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库。
实现本发明目的的技术方案：
一种适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库设计方法，其特征在于：根据EMCCD杂质分布、介质厚度、版图布局布线和表面电极形貌，采用EMCCD单元数值分析方法从电路、版图设计内容和具体制作工艺过程构建出EMCCD单元数值分析结构，采用简化近似的方法对EMCCD单元数值分析结构进行典型有源器件、无源器件和定制器件的归纳形成标准电学符号化EMCCD单元表达，用这些符号化的EMCCD单元构成能够进行电学仿真、电路版图对照检查的EMCCD单元模型库。
进一步地，EMCCD单元数值分析方法包括以下步骤：
根据半导体掺杂工艺条件和步骤，通过离子注入模型确定杂质浓度、PN结深度和扩散范围，构建用于EMCCD单元数值分析结构的硅体特征；
根据应用的薄膜制备方法确定介质厚度和形貌特征；
按照电路版图设计内容和电极制作的工艺方法，通过氧化模型和光刻模型确定EMCCD单元数值分析结构的表面结构特征和几何尺寸特征。
EMCCD单元数值分析方法包括从EMCCD单元杂质分布、电极形状和介质层结构的设计实现过程中和EMCCD单元指标参数的仿真分析过程中提取出EMCCD单元数值分析结构的特征参数。其中EMCCD单元杂质分布能够明确EMCCD单元数值分析结构的硅体特征参数如杂质类型、杂质浓度、PN结深度等；电极形状和介质层结构直接影响EMCCD单元数值分析结构的电容和电阻参数；EMCCD单元指标参数的仿真分析主要用于EMCCD单元数值分析结构几何尺寸的计算。
进一步地，EMCCD单元数值分析结构包括EMCCD单元杂质系统、EMCCD单元介质系统和EMCCD单元电极系统。
进一步地，对EMCCD单元数值分析结构的简化分析的方法包括沟道杂质的均匀性近似PN结的线性近似、电极结构尺寸的几何近似和介质的等效近似。
进一步地，对EMCCD单元数值分析结构进行符号化表达包括采用电阻、电容、增强型MOS管、耗尽型MOS管、多栅MOS管、可变电容和可变电阻的表达。
进一步地，采用有源器件、无源器件和定制器件符号构成的EMCCD单元包括有源器件符号、无源器件符号、定制器件符号和采用有源器件符号、无源器件符号和定制器件符号通过线连接构成EMCCD单元符号。
进一步地，EMCCD单元模型库包括光敏单元模型、寄存单元模型、倍增单元模型、电荷检测单元模型和多级跟随器模型。
本发明把仅适用于数值分析方法的EMCCD单元的二维剖面和三维结构通过对EMCCD介质特性、杂质分布和电极形貌等关键参数近似简化，抽象出典型的有源器件、无源器件和定制器件的表示符号，用于全定制芯片设计工具和电路模拟仿真程序进行电路功能分析、电路版图对照和设计规则检查。采用本发明的方案后，EMCCD单元分析过程的使用时间大幅度降低，建立EMCCD单元电路模型能够提高单元的复用效率，EMCCD单元模型库可以大大减小电路版图的设计时间，提高设计制造的可靠性。
本发明的有益技术效果是：可有效缩短EMCCD产品研制周期，降低产品生产成本，提高产品可靠性。
附图说明
图1、EMCCD的电路图；
图2、光敏单元数值分析结构图；
图3、光敏单元电路符号示意图；
图4、倍增单元数值分析结构图；
图5、倍增单元电路符号示意图；
图6、电荷检测单元数值分析图；
图7、电荷检测单元电路符号示意图；
图8、顶层电路网表（部分）；
图中，各个标记所对应的名称分别是：抗光晕栅ABG、光敏区转移电极I1、光敏区转移电极I2、存储区转移电极S1、存储区转移电极S2、水平寄存器转移电极R1、水平寄存器转移电极R2、水平寄存器转移电极R3、倍增寄存器直流电极R2DC、倍增寄存器倍增电极R2HV、输出控制栅OG、输出漏级OD、输出复位OR、输出漏级DH、输出漏级DL、输出端SH、输出端SL、地VSS、外延层Epi、沟道Bch、沟道势垒Bar、源漏SD、浮置扩散区FD、MOS管沟道TrCh。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1本发明应用的一种EMCCD的电路图：包括电极和MOS管，其中电极用于信号电荷在EMCCD内部的收集、存储和转移，MOS管构成了电荷检测和输出机构，其中电荷检测时MOS管用于复位输出节点的，输出级MOS管组成多级跟随器实现电荷电压转换和增强输出驱动能力。
图2本发明应用的光敏单元数值分析结构图：包括在衬底的外延层上制作的沟道Bch、沟道势垒Bar、介质层和光敏区转移电极 I1、I2等部分，其中两条多晶硅构成一相时钟电极，在时钟电压的作用下每相时钟都能在沟道形成势阱势垒，这样周期性的势阱势垒可以实现两相时钟对光敏区信号的积分。
图3是本发明应用的光敏单元数值分析结构的电路符号示意图：包括电极、可调电容和二极管等符号，随着电极电压变化改变了可调电容参数数值，电容内储存的电荷重新分配，形成电荷定向移动。
图4本发明应用的倍增单元数值分析结构图：包括在衬底的外延层上制作的沟道、介质层和水平寄存器转移电极R1、R3、倍增寄存器直流电极R2DC、倍增寄存器倍增电极R2HV等部分，其中每条多晶硅构成一相时钟电极，其中倍增寄存器直流电极R2DC、倍增寄存器倍增电极R2HV在时钟电压的作用下形成有效倍增区间，信号电荷转移过程中在区间内获得可控的倍增增益，实现电子倍增功能。
图5是本发明应用的倍增单元数值分析结构的电路符号示意图：包括电极、可调电容和二极管等符号，用于收集倍增信号电荷的可调电容计入了倍增因子的因素，能够反映电荷数量的变化。随着电极上时钟信号的变化，电容内储存的电荷重新转移分配，完成信号电荷倍增和转移。
图6本发明应用的电荷检测单元数值分析结构图：包括在衬底的外延层Epi上制作的沟道Bch、源漏SD、MOS管沟道TrCh、浮置扩散区FD、介质层和电极等部分，信号电荷在水平时钟驱动下向浮置扩散区FD转移，在时序控制下浮置扩散区FD复位后，信号电荷渡越过输出控制栅OG汇集到浮置扩散区FD，用于电荷电压转换。
图7本发明应用的电荷检测单元数值分析结构电路符号示意图：包括电极、可调电容、电阻和二极管等符号，时钟作用下信号电荷在电极间转移，到达浮置扩散区后引起跟随器栅极电压变化完成检测输出。
图8是采用本发明方法构建的电路网表文件（部分），在全定制芯片设计工具中调用EMCCD单元模型库里面的EMCCD电路模型搭建顶层电路图，再通过电路编辑和电路仿真软件对电路图进行网表文件的提取，生成用于仿真、检查的电路网表文件。
本发明通过数值分析、结构简化近似、符号化表达等设计方法对EMCCD单元进行了很好的模型化分析描述，本发明方法实现方式简单，对全定制的芯片设计工具和电路功能仿真程序没有特别的限制和要求，能实现多种类别EMCCD的单元模型库设计，具有很强的指导性、针对性和操作性，本发明还降低了设计成本，缩短了产品研发周期。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，能够以其他的具体形式实现本发明，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本发明按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将上述图例说明作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库设计方法，其特征在于：根据EMCCD杂质分布、介质厚度、版图布局布线和表面电极形貌，采用EMCCD单元数值分析方法从电路、版图设计内容和具体制作工艺过程构建出EMCCD单元数值分析结构，采用简化近似的方法对EMCCD单元数值分析结构进行典型有源器件、无源器件和定制器件的归纳形成标准电学符号化EMCCD单元表达，用这些符号化的EMCCD单元构成能够进行电学仿真、电路版图对照检查的EMCCD单元模型库；
EMCCD单元数值分析方法包括以下步骤：
根据半导体掺杂工艺条件和步骤，通过离子注入模型确定杂质浓度、PN结深度和扩散范围，构建用于EMCCD单元数值分析结构的硅体特征；
根据应用的薄膜制备方法确定介质厚度和电极整体构型特征；
按照电路版图设计内容和电极制作的工艺方法，通过氧化模型和光刻模型确定EMCCD单元数值分析结构的表面结构特征和几何尺寸特征。
2.根据权利要求1所述的一种适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库设计方法，其特征在于：EMCCD单元数值分析结构包括EMCCD单元杂质系统、EMCCD单元介质系统和EMCCD单元电极系统。
3.根据权利要求1所述的一种适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库设计方法，其特征在于：对EMCCD单元数值分析结构的简化分析的方法包括沟道杂质的均匀性近似PN结的线性近似、电极结构尺寸的几何近似和介质的等效近似。
4.根据权利要求1所述的一种适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库设计方法，其特征在于：对EMCCD单元数值分析结构进行符号化表达包括采用电阻、电容、增强型MOS管、耗尽型MOS管、多栅MOS管、可变电容和可变电阻的表达。
5.根据权利要求1所述的一种适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库设计方法，其特征在于：采用有源器件、无源器件和定制器件符号构成的EMCCD单元包括有源器件符号、无源器件符号、定制器件符号和采用有源器件符号、无源器件符号和定制器件符号通过线连接构成EMCCD单元符号。
6.根据权利要求1所述的一种适用于仿真、检查的EMCCD单元模型库设计方法，其特征在于：EMCCD单元模型库包括光敏单元模型、寄存单元模型、倍增单元模型、电荷检测单元模型和多级跟随器模型。
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