四端晶体管衬底电阻网络模型的利记博彩app

专利名称：四端晶体管衬底电阻网络模型的利记博彩app
技术领域：
本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种四端晶体管衬底电阻网络模型。
背景技术：
随着CMOS技术在射频(RF)领域的应用日益广泛，MOS器件的高频模 型的精确性对RF产品设计变得越来越重要。由于MOS器件在高频时寄生效应 较复杂且与版图相关性较大，目前的做法是以宏模型的方式为MOS器件建立高 频模型。
BSIM3 SPICE模型作为CMOS模型的工业标准，单独而言其在模拟和RF 性能上都有显著的不足，其模型结构中不包含栅电阻以及衬底电阻网络。因而 使用该紧凑模型与栅电阻、结间电容以及衬底电阻网络组合而成的MOS晶体管 射频电路仿真宏模型在模拟电路和RF电路设计领域有着广泛的应用价值。
在众多的RFCMOS模型中，衬底网络模型变化较多，早期提出了单个村底 电阻的结构，其最高可应用频率为10GHz。目前，"n"型的三电阻网络配置方式 目前应用较多，具体结构如图l所示，该模型主要包括MOSFET l，以及由三个 电阻及。7 2、 i 3和两个结电容C幼、C加构成的衬底网络2，，其适用频率可以超 过10GHz,但对于更高频率的应用，其性能效果仍旧不够理想。

发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种特性可随尺寸变化的四端晶体管衬 底电阻网络，其具有清晰的物理意义及高度的准确性，适用于各种不同版图样 式的MOS晶体管和JFET结型场效应晶体管。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种四端晶体管衬底电阻网络模型， 应用于MOS晶体管以及JFET结型场效应晶体管的等效电路宏模型中，该等效 电路具有一外部衬底节点，还包括一具有栅极、源极、漏极和衬底电极的内部
晶体管，所述衬底电阻网络才莫型由四个电阻组成，包括用于表征源极和衬底之 间寄生电阻的i 一.,，用于表征漏极和衬底之间的寄生电阻的i 一》以及用于表
征晶体管的体电阻和阱电阻的两个电阻A础和所述的四个电阻相连于一 点，的另一端通过等效二极管与内部晶体管的源极相连，i 一j的另一端通 过等效二极管与内部晶体管的漏极相连，/^威的另 一端与内部晶体管的衬底电极
相连，/^//的另一端与等效电路的外部衬底节点相连。
根据四端晶体管所对应的版图中有源区、多晶硅4册区、保护环区域的尺寸，
所述衬底电阻网络中i^,/的阻值由如下公式确定
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，F。c,和y。c2表示通路电导；A^^表示斥册极叉指数；G表示单个
叉指的电导；Zc为电阻^^等效传输线的特征阻抗，z^^/^7^;，凡,为阱方块
电阻，(^为单位长度阱电导；^为晶体管等效传输线的特征阻抗的损耗因子， 且"V^7^;丄-丄g她+丄w，丄g她表示栅长，丄^表示源、漏区长度。
进一步地，所述的四端晶体管衬底电阻网络中及we/,的阻值计算公式中的通
路电导和几cc^.2由如下公式决定
v =丄^腿+Z,cothDh《？. 赠"—A Zc "羅.coth^。J ， 孰2 ，
其中，及雄jt为横向浅沟槽等效电阻，Am产&.^; K,尸『^ge,， ,y ，表
w幼
示单个叉指的宽长；￡。.；表示从有源区最左侧边界至最左侧多晶硅栅区边界的横
向距离，".2表示从有源区最右侧边界至最右侧多晶硅栅区边界的横向距离；
表示从有源区最左侧边界至保护环区域的横向距离，鼎2表示从有源区最右侧边
界至保护环区域的横向距离。
进一步地，单个叉指的电导Gv由如下公式决定 "'广^:' Zc + i OTv.*.coth(,力，/2)， 一孰，
其中，Zc为电阻i 眺"等效传输线的特征阻抗，^为晶体管等效传输线的特征
阻抗的损耗因子，zc=XM,2a* ，产v^^; ^/r"表示纵向浅沟槽电阻，
保护环区域的纵向距离，dv2表示从有源区最下方边界至保护环区域的纵向距离。 根据四端晶体管的版图尺寸，所述电阻网络中i 一.,和/^"的阻值由如下公
式决定
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，7V^为晶体管单元数，幼'6、幼:s、 ^g为经验参数，分别为单元结电阻 率、STI边界电阻参数和栅边界电阻参数，爿5为单个晶体管单元的结面积，丄/S 表示单个晶体管单元STI的结边界周长，"'G则表示单个晶体管单元栅区的结边 界周长。
根据四端晶体管的版图尺寸，所述衬底电阻网络中及滅的阻值由如下公式 决定
<formula>formula see original document page 6</formula>
滅乂e〃 . (g^汰a + . W"汰L + 2『力，.g6"/、)
其中，A^/为晶体管单元数，iV^^为栅极叉指数，丄-e是栅长，『力，是单
个叉指的宽长，g6"汰j、 g6W/&、 g^/^为经验錄，分别为及滅的面积调制参
数、长度调制参数和宽度调制参数。
本发明的四端晶体管衬底电阻网络中的各电阻阻值可随晶体管尺寸变化，
该衬底电阻网络适用于各种不同版图样式的MOS晶体管和JFET结型场效应晶 体管，并在非常大的尺寸范围内都能保证模型的高度准确性。尺寸可变模型具 有清晰的物理意义，尤其适用于射频MOS晶体管，可在高达50GHz的频率下 保证模型的准确性。


通过以下实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具 体结构特征和优点。其中，附图为
图1为现有技术中的一种"n，，型三电阻衬底网络MOS晶体管射频电路仿真 宏模型。
图2为本发明较佳实施例的四端晶体管衬底电阻网络才莫型的电路示意图。 图3为一叉指数为2的射频MOS晶体管版图及剖面图，图中标定了本发明 的衬底电阻网络尺寸可变模型各寄生参数与尺寸参数。
图4为一叉指数为2的射频MOS晶体管版图，图中标定了本发明的衬底电 阻网络尺寸可变模型中的浅沟槽(STI)等效电阻。
图5(a)为『y^"、 AU、 iV加^不同的射频MOS晶体管/^"随栅极物理长度 变化的曲线示意图。
图5(b)为『 、 AU、 iV力，不同的射频MOS晶体管及w/随『y ，变化的 曲线示意图。
图6(a)为&,、 7Vce//、 iV加^不同的射频MOS晶体管及,.,随『 变化的 曲线示意图。
图6(b)为『 、 AU、 iV加^不同的射频MOS晶体管Aw随『加,变化的 曲线示意图。
具体实施例方式
以下将对本发明的四端晶体管衬底电阻网络的尺寸可变^f莫型作进一步的详 细描述。
本发明的衬底电阻网络模型可应用于具备和MOS FET晶体管类似的衬底、 阱结构的四端晶体管，例如高压MOS FET (VD-MOS、 LD-MOS)或JFET 结型场效应晶体管的等效电路宏模型中，下面仅以射频MOS晶体管作为本发明 的较佳实施例来加以说明。
如图2所示，该射频MOS晶体管等效电路具有一外部衬底节点B2和一个 内部MOS晶体管l,该晶体管1具有栅极G、源极S、漏极D和衬底电极Bj。 该衬底电阻网络2由四个电阻组成，包括用于表征源极S和衬底电极B,之间寄 生电阻的i ,.,,用于表征漏极D和衬底电极B,之间的寄生电阻的及,i用于表 征晶体管的体电阻和阱电阻的两个电阻A威和i w//。
所述的射频MOS晶体管村底电阻网络连接方式为及一》A"汰、及w// 四电阻相连于一点，Z ,.,另一端通过等效二极管与等效电路内部MOS晶体管源 极S相连，及一.rf另一端通过等效二极管与等效电路内部MOS晶体管漏极D相 连，及滅另一端与等效电路内部MOS晶体管衬底电极B!相连，i ^另一端与等 效电路外部衬底节点B2相连。四电阻组成了一个"T，，型网络结构，用以表述衬底 引入的寄生电阻。
图3为一叉指数为2的射频MOS晶体管版图及剖面图，图中最外围的矩形 环形区域表示保护环区域，斜线阴影区域表示有源区，横线阴影区域表示多晶 硅栅区。该射频MOS晶体管衬底电阻网络尺寸可变模型的各寄生参数与尺寸参 数已在图中标出，包括单个叉指的宽长『加^，从有源区最上方边界至保护环 区域的纵向距离d力，从有源区最下方边界至保护环区域的纵向距离dv2,栅长 Z^e,源漏区长度Z^，从有源区最左侧边界至最左侧多晶硅栅区边界的横向距 离丄d，从有源区最右侧边界至最右侧多晶硅栅区边界的横向距离丄。.2;从有源 区最左侧边界至保护环区域的横向距离^z7，从有源区最右侧边界至保护环区域 的横向距离^2。
图4为一叉指数为2的射频MOS晶体管版图，图中标定了该射频MOS晶 体管衬底电阻网络尺寸可变模型中的浅沟槽(STI)等效电阻，包括横向STI电
阻及OTW、 Am.2，以及纵向STI电阻&m"及OTv.2。
从图3至图4中可以清楚地看出该模型的物理意义。
具体的仿真宏电路如下
首先，定义仿真子电路并创建变量；
.OPTIONS GMIN=1.0E-14
.SUBCKT bsim—subcircuit (仿真电路名) 1=D 2=BI 3=S 4=BO #echo + tmp_Rwell= Rwell tmp—Rjuns=juns tmp_Rjund= Rjund tmp—Rbulk= Rbulk(创建变量，将所计算得到的Rwell赋给tmp—Rwell,将所计算得到的Rjuns 赋给tmp_ Rjuns，将所计算得到的Rjund赋给tmp— Rjund，将所计算得到的Rbulk 赋给tmp— Rbulk )。
.param Rbulk=100 Rjund=100 Rjuns=100 Rwell=100 Rg=lM (i殳定电阻的初 始值)。
接着定义仿真子电路中的电阻网络。 Rl 2 apoint Rbulk (为赋值) R2 1叩oint Rjund (为赋值) R3 3 apoint Rjims (为及;画赋值) R4 apoint 4 Rwell (为^w//赋l直) .ENDS 至此，仿真子电路定义结束。
所述的射频MOS晶体管衬底电阻网络的尺寸可变模型各电阻元件阻值计算 方式如下
(1)使用如下公式计算浅沟槽(STI)等效电阻及OT^和i^77d(如图4所示)
屯
其中，卜1或2， x=/z (表示横向STI电阻)或v (表示纵向STI电阻)。求横向 STI电阻时『w尸『^g^，即单个叉指的宽长(见图3);求纵向STI电阻时『^ 为有源区宽长『active; dv2、 ^i、 ^ 2所表示的长度如图3所示；i^为阱方 块电阻，Gw为单位长度阱电导。
(2)使用如下公式计算单个叉指的电导G"
v—Zc .coth(,细,/2);
其中，Zc为电阻及^等效传输线的特征阻抗，y为MOS晶体管等效传输线的特
征阻抗的损耗因子，Z一wAV『；tive ，广W^ 。
(3) 使用如下公式计算通路电导r^e^:
=丄及纖.*+4^0也0^。》
。固"—Ze乂+^磁.C。th0^)，
其中，hl或2; 4a所表示的长度如图3所示。
(4) 使用如下公式计算射频MOS晶体管衬底电阻网络中
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，A^^表示栅极叉指数，Kg。te+Z^，丄树e表示栅长，丄^表示源、漏区长 度(如图3所示)。
(5)使用如下公式计算射频MOS晶体管衬底电阻网络中及,.,和及一rf的阻
值
<formula>formula see original document page 9</formula>一-—舒7^5 +加力's +脉力'G
其中，A^〃为MOS晶体管单元数，幼'6、 g/s、 g/g为经验参数，分别为单元结电 阻率、STI边界电阻参数和栅边界电阻参数。
(6)使用如下公式计算射频MOS晶体管衬底电阻网络中T^汰的阻值 &仪=^___1_.
6"仪乂e" . W力,(g6w/、'丄g她『细w + 2丄， g6"汰丄+ 2『力 ， . gZm汰,)，
其中，gZw/b、 g^汰i、 g6w汰w为经验参数，分别为A^的面积调制参数、长度
调制参数和宽度调制参数。
图5(a)为W%^、 iVce//、 iV加^不同的射频MOS晶体管i^"随栅极物理长度 变化的曲线示意图，图中的圆点为实验测量值，线^:为模型仿真值。图5(b)为 『力,、^U、巧一r不同的射频MOS晶体管i w〃随『>^变化的曲线示意图，图 中所示Wf为『加^的简写。Wt。t表示MOS晶体管所有叉指宽度的总和。
以图5(a)所示^^e尸3^im, 4她=0.13拜,A^,尸8， A^ger=8, /^=4400， G,f9xl06 的晶体管为例，由该器件*没计规则可知，W尸0.3pm, W2=0.3nm, dv产0.41^m, ^V2二0.41fjm, /^./-O^Si^m, jL。.2=0.33nm,丄sf0.39ixm, Zga,e=0.13pm。其i we〃具体i十 算步骤如下
根据公式及皿产iV,,可得及懸.尸/ 織.fi^.A:425.3;『 .
由『aC ve=Za./+丄。.2+ A^"ger x Zg她十(iVy "ger— 1) x4.43(0111可4寻及ot乂尸
U7.2;
由&=7&/、/『2小可得:Ze=4991,由"V^^可得"199000;
由Gv=V VT^-^71^-^T，可付G尸0.0011Q';
Zc Zc + / 脂.coth(/^她/ 2)
山y — 1 "扁+Zc.co附。.》如曰.y =y =謹"0丄 Zc Zc+及雄4.cothO丄。》
1
由及赠=-^-~~^-可得
1+ cothO丄)
sinh(;i)
图6(a)为『何M、 A^、 iV加^不同的射频MOS晶体管i^^随『加^变化的 曲线示意图，图中的圆点为实验测量值，线段为模型仿真值。
以图6(a)所示『加ge尸6拜，丄g她K).13nm, A^,尸8， A^呻尸8, Wt。t=192nm的晶体 管为例，由该器件设计规则可知，v45=1.37xl(r11,2;/5=1.71xl(r5，"G!=4.8xl0-5。经
提取的参数忍T^lxIO-25，幼's-lxl(T25, g/g=1100。
由公式及=及，=~^___^_可得/ ,ms = / ,w=4.73Q。
图6(b)为『细"、A^、 A^，,不同的射频MOS晶体管A威随『w，变化的 曲线示意图，图中所示Wf为『加^的简写。W加表示MOS晶体管所有叉指宽度 的总和。
以图6(b)所示『加w产6Mm, Z^ate=0.13Mm, iVce =8, iV加^-8， Wt。产192拜的晶体 管为例，提取的参数g^汰^4.2x109, g6w/&=3, ^"/仁="10-25。
由M — 1__!_
么 城=l" ^爭.(W感x .丄s她『细,+ 2丄g她.gM、 + 2『何".)
可得及滅=9.55仏
从仿真结果可以看出，采用本发明的四端晶体管村底电阻网络的尺寸可变
模型在具有不同的『加^、 iVce/;、 W,的MOS晶体管中，i^//、及—.,、A"汰的阻
值仿真结果随『加^和栅极物理长度的变化情况都与实际测量结果非常接近，能
够很好地模拟MOS晶体管衬底电阻网络随MOS晶体管尺寸变化的情况。极大 地提高了 MOS晶体管尺寸可变模型的准确性，当该衬底电阻网络模型应用于射 频MOS晶体管等效电路中时，可在高达50GHz的频率下保证模型的准确性。
虽然本发明以高频MOS晶体管为例，对该四端晶体管村底电阻网络模型的 结构及阻值计算方法进行了描述，然而本领域的技术人员应当理解，任何对本 发明的修改或者等同替换而将本模型运用到其它具备和MOS FET晶体管类似 的衬底、阱结构的四端晶体管中，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。
权利要求
1、一种四端晶体管衬底电阻网络模型，应用于MOS晶体管以及JFET结型场效应晶体管的等效电路宏模型中，该等效电路具有一外部衬底节点，还包括一具有栅极、源极、漏极和衬底电极的内部晶体管，其特征在于所述衬底电阻网络模型由四个电阻组成，包括用于表征源极和衬底之间寄生电阻的Rjun.s，用于表征漏极和衬底之间的寄生电阻的Rjun.d，以及用于表征晶体管的体电阻和阱电阻的两个电阻Rbulk和Rwell；所述的四个电阻相连于一点，Rjun.s的另一端通过等效二极管与内部晶体管的源极相连，Rjun.d的另一端通过等效二极管与内部晶体管的漏极相连，Rbulk的另一端与内部晶体管的衬底电极相连，Rwell的另一端与等效电路的外部衬底节点相连。
2、 如权利要求1所述的四端晶体管衬底电阻网络模型，其特征在于，根据四端晶体管所对应的版图中有源区、多晶硅栅区、保护环区域的尺寸，所述衬底电阻网络中i^,/的阻值由如下公式确定1及帐"=+ coth(;i)sinh(y丄)其中，Kci和rw2表示通路电导；iV^^表示栅极叉指数；Gv表示单个叉指 的电导；&为电阻^^,,等效传输线的特征阻抗，Zc=7^7^， /^为阱方块电阻， (^为单位长度阱电导；y为晶体管等效传输线的特征阻抗的损耗因子，且"VV ；丄-丄g她+丄w，丄g她表示栅长，丄M表示源、漏区长度。
3、如权利要求2所述的四端晶体管衬底电阻网络才莫型，其特征在于，所述 的四端晶体管衬底电阻网络中的阻值计算公式中的通路电导^cce^和Kc2由如下公式决定=丄Zc + ^廳.coth(D ^《？ * - Zc ^磁+ & . coth(D ， ^丄孰A其中，及織.*为横向浅沟槽等效电阻，『w产『加w,『加^表示单W幼个叉指的宽长；丄d表示从有源区最左侧边界至最左侧多晶硅栅区边界的横向距 离，丄。.2表示从有源区最右侧边界至最右侧多晶硅栅区边界的横向距离；^z;表 示从有源区最左侧边界至保护环区域的横向距离，^ 2表示从有源区最右侧边界 至保护环区域的横向距离。
4、 如权利要求2所述的四端晶体管衬底电阻网络模型，其特征在于，单个叉指的电导Gv由如下公式决定<formula>formula see original document page 3</formula>;其中，Zc为电阻i we〃等效传输线的特征阻抗，/为晶体管等效传输线的特征阻抗的损耗因子，&= ,2*, ^T^^; A/T"表示纵向浅沟槽电阻，^脂=&.|^;『一为『active，即有源区宽长；d力表示从有源区最上方边界至 保护环区域的纵向距离，dV2表示从有源区最下方边界至保护环区域的纵向距离。
5、 如权利要求1所述的四端晶体管村底电阻网络模型，其特征在于，根据 四端晶体管的版图尺寸，所述电阻网络中及,.,和及一j的阻值由如下公式决定及—=及1 1 .其中，A^〃为晶体管单元数，幼'6、幼、g/g为经验参数，分别为单元结电阻率、STi边界电阻参数和栅边界电阻参数，」5为单个晶体管单元的结面积，々;s表示单个晶体管单元STI的结边界周长，"G则表示单个晶体管单元栅区的结边界周 长。
6、如权利要求1所述的四端晶体管衬底电阻网络模型，其特征在于，根据四端晶体管的版图尺寸，所述村底电阻网络中及滅的阻值由如下公式决定 — 1__J_<formula>formula see original document page 3</formula>其中，A^/为晶体管单元数， ，为栅极叉指数，^她是栅长，『加^是单个叉 指的宽长，g^/b、 g6"汰i、 g^/^为经验参数，分别为/^tt的面积调制参数、 长度调制参数和宽度调制参数。
全文摘要
本发明提供了一种四端晶体管衬底电阻网络模型，属于集成电路领域。该衬底电阻网络模型包括用于表征源极和衬底之间寄生电阻的R_jun.s，用于表征漏极和衬底之间寄生电阻的R_jun.d，用于表征晶体管的体电阻和阱电阻的两个电阻R_bulk和R_well。R_jun.s、R_jun.d、R_bulk、R_well四电阻相连于一点，组成了一个“T”型四电阻网络结构来表述衬底引入的寄生电阻。电阻网络中的各电阻阻值可随晶体管尺寸变化，该衬底电阻网络适用于各种不同版图样式的MOS晶体管及JFET结型场效应晶体管，并在非常大的尺寸范围内都能保证模型的高度准确性。本发明提出的晶体管衬底电阻网络的尺寸可变模型具有清晰的物理意义，应用于射频MOS晶体管，可在高达50GHz的频率下保证模型的准确性。
文档编号G06F17/50GK101183403SQ200710172270
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月13日 优先权日2007年12月13日
发明者铮 任, 胡少坚 申请人:上海集成电路研发中心有限公司