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近年来,集成电路已经进入到超大规模的纳米技术时代,现有的体硅材料和工艺由于它们的物理限制,已经不能进一步提高芯片的集成度和运行速度,为了进一步减小集成电路的特征尺寸,材料和工艺上的技术必须有新的重大突破。目前具有极大发展潜力的绝缘体上硅(SOI,Silicon on insulator)技术,被业界公认为纳米技术时代替代现有单晶硅材料的解决方案之一。SOI将成为纳米尺度极大规模集成电路的高端衬底材料。
SOI(Silicon On Insulator)技术在硅功率半导体技术中也有广阔的应用前景。SOI基底LDMOS可以达到比体硅LDMOS更高的耐压,而埋氧层又使它的源漏区对衬底的结电容比普通体硅LDMOS更小,从而获得更短的开关时间,更高的截止频率,更低的功耗,更宽的动态范围,同时又能使芯片面积可以缩小50%。因此SOI LDMOS器件具有更好的应用前景。然而这样一种应用广泛而又具有很好应用前景的器件却缺少一个准确的模型,给集成电路的设计和仿真工作带来了很大的困难。
本论文在HiSIM-HV模型基础上开发出一个完整的应用于SOI LDMOS的模型,并结合TCAD仿真,从而可以预言产品性能,提高功率集成电路设计的效率和可靠性,降低生产成本。HiSIM模型是第一个在漂移区理论基础上建立的基于表面势的模型,基于表面势模型的最大优点是:对所有偏压条件下的器件特性可以进行统一描述。HiSIM通过迭代解包含漂移区电阻效应的泊松方程来解决表面电势分布,同时也考虑到了电阻的偏压依赖性。
为了使HiSIM-HV更适于射频SOI LDMOS器件的仿真,我们在TCAD软件中对SOI器件进行了仿真,以帮助新模型的建立,同时,我们测量了SOI LDMOS的直流特性,并与仿真结果进行了对比。从具有浮体效应和自热效应的SOI LDMOS器件的直流测试与模型仿真结果的对比可以看到:新模型在保持原模型简洁高效等优点的基础上,显著提高了原模型对SOI LDMOS器件电学特性的表征能力。
在直流参数提取成功的基础上,结合器件真实的物理特性,加入了埋氧层部分的模型,并在射频领域对原模型进行了拓展。通过对测得的S参数的分析,对原模型加入了埋氧层部分模型描述并提出了SOI LDMOS新的射频等效电路拓扑结构。为了正确反映器件受电压控制明显的射频寄生电阻,新开发了一套二维方程对其进行表征。完成了模型在射频条件下参数提取算法的推导。全模型采用Verilog-A语言加以实现,并能与主流商用设计和仿真软件ADS和Cadence的链接,其实用性与仿真软件自带的模型完全一致。模型最终通过SOI LDMOS器件的直流和射频测试数据进行验证。在验证过程中,无论直流特性还是全部工作偏置条件下,测量和仿真对比结果均有力地证明了新模型的精确性。