一种MOS器件的建模方法与流程

本发明属于半导体器件建模及测试领域，具体涉及一种mos器件的建模方法。

背景技术：

随着cmos技术的不断进步，晶体管的特征尺寸不断缩小，mos器件的特征频率ft及最大振荡频率fmax不断提高，射频mos器件的工作频率已经开始应用于毫米波及太赫兹频段等高频领域。准确的mos器件模型是在高频领域进行产品开发的前提条件。

随着工作频率的增加，mos器件寄生元素的分布式效应越来越显著，现有的射频mos器件模型对寄生元素的建模在毫米波等高频领域不够准确。目前射频mos器件建模时采用的模型有多种不同方案，典型的如附图2所示，模型电路包括衬底寄生电阻rdb、衬底寄生电阻rsb、衬底寄生电阻rb、寄生电容cgd、寄生电容cgs、寄生电容cds、寄生二极管dd、寄生二极管ds和本征晶体管。其中，在实际器件的制作中，mos器件的源极、漏极和栅极的寄生元素表现出分布式效应，寄生电感不可忽略，其寄生电阻也随频率增加而改变，现有的mos器件的典型模型在高频下已不再适用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种mos器件的建模方法，模型电路中包括各连接通路的寄生电阻电感网络，该模型适用范围更广，可适用于毫米波等频段。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种mos器件的建模方法，包括如下步骤：

s01：构建mos器件的模型电路，其中，所述模型电路中包括本征晶体管、衬底寄生电阻、寄生电容、寄生二极管、栅极寄生电阻电感网络、源极寄生电阻电感网络和漏极寄生电阻电感网络；其中，所述栅极寄生电阻电感网络包括寄生电感lg、寄生电感lg1、寄生电阻rg1和寄生电阻rg0；所述源极寄生电阻电感网络包括寄生电感ls、寄生电感ls1、寄生电阻rs1和寄生电阻rs0；漏极寄生电阻电感网络包括寄生电感ld、寄生电感ld1、寄生电阻rd1和寄生电阻rd0；

s02：确定所述模型电路中本征晶体管和寄生二极管的模型及尺寸参数；

s03：采用电磁仿真方法分别确定模型电路中源极寄生电阻电感网络和漏极寄生电阻电感网络的寄生元件值；

s04：将栅极设置为第一端口，漏极设置为第二端口，源极和衬底接地，形成二端口测试结构，基于测试数据确定衬底寄生电阻、寄生电容和栅极寄生电阻电感网络的寄生元件值；

s05：将上述计算出来的寄生元件值代入模型电路中，即可得到该mos器件对应的模型。

进一步地，所述栅极寄生电阻电感网络中串联的寄生电感lg1和寄生电阻rg1与所述寄生电阻rg0并联，并联之后的电路一端连接寄生电感lg，另一端连接至寄生电容；

所述源极寄生电阻电感网络中串联的寄生电感ls1和寄生电阻rs1与所述寄生电阻rs0并联，并联之后的电路一端连接寄生电感ls，另一端连接至寄生电容；

所述漏极寄生电阻电感网络中串联的寄生电感ld1和寄生电阻rd1与所述寄生电阻rd0并联，并联之后的电路一端连接寄生电感ld，另一端连接至寄生电容。

进一步地，所述步骤s03中采用电磁仿真方法确定漏极寄生电阻电感网络的寄生元件值具体包括：

s031：构造漏极三维结构，所述漏极三维结构包括mos器件中漏极连接通路中的金属和通孔，所述通孔通过导体接地，形成一端口电磁仿真结构；

s032：采用电磁仿真工具仿真所述一端口电磁仿真结构的s参数，并转换为z参数，基于漏级连接通路子电路结构，通过拟合仿真频率范围内z参数的实部和虚部，确定寄生电感ld、寄生电感ld1、寄生电阻rd1和寄生电阻rd0的元件值。

进一步地，所述一端口电磁仿真结构的仿真频率覆盖直流到毫米波频段。

进一步地，所述步骤s04中具体包括：

s041：将栅极设置为第一端口，漏极设置为第二端口，源极和衬底接地，形成二端口测试结构；

s042：测试该结构在零偏置下的二端口s参数，并转换为y参数和z参数，通过拟合y参数和z参数的不同分量，确定寄生电感lg、寄生电感lg1、寄生电阻rg1、寄生电阻rg0、衬底寄生电阻和寄生电容的元件值。

进一步地，所述测试结构的测试频率覆盖直流到毫米波频段。

进一步地，所述模型电路包括衬底寄生电阻rdb、衬底寄生电阻rsb、衬底寄生电阻rb、寄生电容cgd、寄生电容cgs、寄生电容cds、寄生二极管dd、寄生二极管ds和本征晶体管；

所述本征晶体管的漏极、寄生电容cgd的一端、寄生电容cds的一端、寄生二极管dd的一端共同连接至节点m；所述本征晶体管的源极、寄生电容cgs的一端、寄生电容cds的另一端、寄生二极管ds的一端共同连接至节点n；

所述衬底寄生电阻rb的一端、衬底寄生电阻rdb的一端、衬底寄生电阻rsb的一端共同连接至节点p；所述本征晶体管的栅极、寄生电容cgd的另一端、寄生电容cgs的另一端共同连接至节点q；所述寄生二极管dd的另一端连接所述衬底寄生电阻rdb的另一端，所述寄生二极管ds的另一端连接所述衬底寄生电阻rsb的另一端。

进一步地，所述栅极寄生电阻电感网络连接至节点q；所述源极寄生电阻电感网络连接至节点n；所述漏极寄生电阻电感网络连接至节点m。

进一步地，所述步骤s02具体包括：根据mos器件制造工艺，选定本征晶体管及寄生二极管的对应模型，根据mos器件沟道及源漏区的版图尺寸确定本征晶体管和寄生二极管的尺寸参数。

本发明具有如下有益效果：本发明建模方法考虑了器件寄生元素的分布式效应，模型电路中包括其各连接通路的寄生电阻电感网络，该模型适用范围更广，可适用于毫米波等频段。

附图说明

附图1为mos器件版图结构示意图；

附图2为本发明中模型电路结构；

附图3为漏极连接通路版图结构示意图；

附图4为漏极连接通路剖面结构示意图；

附图5为漏极连接通路子电路结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提供的一种mos器件的建模方法，包括如下步骤：

s01：构建mos器件的模型电路，其中，mos器件的版图结构如附图1所示，包括源极s、栅极g、漏极d以及衬底b，相对应的模型电路中包括本征晶体管、衬底寄生电阻、寄生电容、寄生二极管、栅极寄生电阻电感网络、源极寄生电阻电感网络和漏极寄生电阻电感网络。本发明在通用结构基础上，对栅极、源极和漏极的寄生元素增加了新的拓扑连接结构，即寄生电阻电感网络，使得寄生电阻电感网络的等效电阻可随频率变化而变化，从而符合mos器件高频时的特性。

具体的，栅极寄生电阻电感网络包括寄生电感lg、寄生电感lg1、寄生电阻rg1和寄生电阻rg0；栅极寄生电阻电感网络中串联的寄生电感lg1和寄生电阻rg1与寄生电阻rg0并联，并联之后的电路一端连接寄生电感lg，另一端连接至寄生电容；源极寄生电阻电感网络包括寄生电感ls、寄生电感ls1、寄生电阻rs1和寄生电阻rs0；源极寄生电阻电感网络中串联的寄生电感ls1和寄生电阻rs1与寄生电阻rs0并联，并联之后的电路一端连接寄生电感ls，另一端连接至寄生电容；漏极寄生电阻电感网络包括寄生电感ld、寄生电感ld1、寄生电阻rd1和寄生电阻rd0。漏极寄生电阻电感网络中串联的寄生电感ld1和寄生电阻rd1与寄生电阻rd0并联，并联之后的电路一端连接寄生电感ld，另一端连接至寄生电容。

具体的模型电路可以如附图2中所示，其中，附图2中本征晶体管、衬底寄生电阻、寄生电容、寄生二极管的连接关系仅为现有技术中一种具体示例，本发明还可以采用现有技术中其他的连接关系。如附图2所示，模型电路包括衬底寄生电阻rdb、衬底寄生电阻rsb、衬底寄生电阻rb、寄生电容cgd、寄生电容cgs、寄生电容cds、寄生二极管dd、寄生二极管ds和本征晶体管。本征晶体管的漏极、寄生电容cgd的一端、寄生电容cds的一端、寄生二极管dd的一端共同连接至节点m；本征晶体管的源极、寄生电容cgs的一端、寄生电容cds的另一端、寄生二极管ds的一端共同连接至节点n；衬底寄生电阻rb的一端、衬底寄生电阻rdb的一端、衬底寄生电阻rsb的一端共同连接至节点p；本征晶体管的栅极、寄生电容cgd的另一端、寄生电容cgs的另一端共同连接至节点q；寄生二极管dd的另一端连接衬底寄生电阻rdb的另一端，寄生二极管ds的另一端连接衬底寄生电阻rsb的另一端。其中，栅极寄生电阻电感网络连接至节点q，且寄生电阻rg1和寄生电感lg1为串联关系，二者的位置可以互换；源极寄生电阻电感网络连接至节点n，且寄生电阻rs1和寄生电感ls1为串联关系，二者的位置可以互换；漏极寄生电阻电感网络连接至节点m，且寄生电阻rd1和寄生电感ld1为串联关系，二者的位置可以互换。

s02：确定模型电路中本征晶体管和寄生二极管的元件值；具体包括：根据mos器件制造工艺，选定本征晶体管及寄生二极管的对应模型，根据mos器件沟道及源漏区的版图尺寸确定本征晶体管和寄生二极管dd和寄生二极管ds的尺寸参数。

s03：采用电磁仿真方法分别确定模型电路中源极寄生电阻电感网络和漏极寄生电阻电感网络的寄生元件值；其中，源极寄生电阻电感网络和漏极寄生电阻电感网络的仿真方法相同，以下仅以漏极寄生电阻电感网络为例进行说明：

针对漏极寄生电阻电感网络具体包括：

s031：构造漏极三维结构，如附图3所示，漏极三维结构包括mos器件中漏极连接通路的金属和通孔，如附图4剖面图所示，使用理想导体对悬浮的通孔进行连接，并将通孔短接到地，形成一端口电磁仿真结构(从附图4中d端看进去)；上述一端口电磁仿真结构连接通路的子电路结构如附图5所示。

s032：采用电磁仿真工具仿真一端口电磁仿真结构的s参数，并转换为z参数，基于附图5所示子电路结构，通过拟合仿真频率范围内z参数的实部和虚部，确定寄生电感ld、寄生电感ld1、寄生电阻rd1和寄生电阻rd0的值。上述一端口电磁仿真结构的仿真频率覆盖直流到毫米波频段，例如0-300ghz。

s04：确定衬底寄生电阻，寄生电容和栅极寄生电阻电感网络的寄生元件值；具体包括：

s041：将栅极设置为第一端口，漏极设置为第二端口，源极和衬底接地，形成二端口测试结构；

s042：将步骤s02和步骤s03中已经得出的寄生元件值带入附图2中模型电路中，测试mos器件从直流到射频频段的零偏置二端口测试结构，获取s参数，并转换为y参数和z参数，拟合y参数和z参数的不同分量，确定栅极寄生电阻电感网络寄生电感lg、寄生电感lg1、寄生电阻rg1和寄生电阻rg0，衬底寄生电阻rdb、衬底寄生电阻rsb、衬底寄生电阻rb、寄生电容cgd、寄生电容cgs和寄生电容cds。本发明中所有的s参数、z参数和y参数均为矩阵参数，比如对于二端口测试结构的y参数包含y11、y12、y21、y22分量。

具体的，通过拟合z22、y22的实部确定衬底寄生电阻rdb、衬底寄生电阻rsb和衬底寄生电阻rb；通过拟合y11的虚部确定寄生电容cgs，通过拟合y12的虚部确定寄生电容cgd，通过拟合y22的虚部确定寄生电容cds。

通过拟合z11的实部和虚部，确定寄生电感lg、寄生电感lg1、寄生电阻rg1和寄生电阻rg0的值。上述二端口测试结构的测试频率覆盖直流到毫米波频段。

s043：迭代上述过程，直至各直流特性曲线，各二端口网络参数曲线拟合误差达到要求，从而确定上述各寄生元件值。

s05：将上述计算出来的寄生元件值代入模型电路中，即可得到该mos器件对应的模型。

本发明建模方法考虑了器件寄生元素的分布式效应，模型电路中包括其各连接通路的寄生电阻电感网络，该模型适用范围更广，可适用于毫米波等频段。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。