屏蔽栅沟槽MOSFET总剂量效应的紧凑SPICE模型建模方法

本发明涉及集成电路领域，主要涉及到一种屏蔽栅沟槽(shield-gate trench,sgt)mosfet总剂量效应(total ionizing dose,tid)的紧凑spice模型建模方法。

背景技术：

1、功率半导体器件在航空航天、新能源汽车、通讯工程等领域中是不可或缺的部分，随着产业的不断发展，功率mosfet的产量以及质量在不断提高。其中sgt mosfet采用屏蔽栅技术，与传统vdmos相比极大降低了导通电阻ron和栅电荷qg，具有开关损耗低、工作频率高、可扩展性好、鲁棒性好等优点，在中低压功率变换电路中得到广泛应用。计算机仿真极大降低了人工分析的复杂度，而且可以对电路不断进行调整和优化，从而降低成本与缩短项目的研发周期。而精准的器件模型是电路仿真的基础，因此器件的建模对于仿真是十分重要的。而随着航空航天领域的不断深入，通信、观测、气象卫星等航空航天设备越来越多，但是空间辐射严重威胁着飞行器的正常工作，辐射会使器产生电离损伤和位移损伤。其中tid效应是一个逐渐累积的过程，器件不断吸收带电粒子造成器件的性能退化甚至烧毁。因此在系统电路设计中考虑tid效应引起的退化是十分必要的，然而很少有研究讨论功率器件tid效应的spcie模型。与体硅和soi cmos一样，阈值电压也会在sgt mosfet中发生漂移。屏蔽栅还会导致漂移区中大量正电荷被固定在sio2中，导致耗尽区减小与电容偏移，直流特性与电容的退化综合使得qg波形发生变化。因此需要能捕捉由tid效应引起的sgtmosfet退化的模型才能精准仿真辐射后器件与电路的特性。

技术实现思路

1、为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

2、一种屏蔽栅沟槽mosfet总剂量效应的紧凑spice模型建模方法，模型包括：漂移区电流源101，沟道区电流源102，栅-漏电容103，栅-源电容104，漏-源电容105；

3、栅-漏电容103，栅-源电容104，漏-源电容105采用行为模型来拟合；

4、所述漂移区电流源101的下端连接到沟道区电流源102的上端，所述漂移区电流源101的上端连接到栅-漏电容103的上端、漏-源电容105的上端作为晶体管的漏极；

5、所述沟道区电流源102的下端连接到栅-源电容104的下端、源-漏电容105的下端作为晶体管的源极，所述沟道区电流源102的上端连接到漂移区电流源101的下端；

6、所述栅-漏电容103的下端连接到栅-源电容104的上端作为晶体管的栅极，所述栅漏电容103的上端连接到漂移区电流源101的上端、漏-源电容105的上端作为晶体管的漏极；

7、所述栅-源电容104的下端连接到沟道区电流源102的下端、漏-源电容105的下端作为晶体管的源极，所述栅-源电容104的上端连接到栅-漏电容103的下端作为晶体管的栅极；

8、所述源-漏电容105的下端连接到栅-源电容104的下端、沟道区电流源102的下端作为器件的源极，所述源-漏电容105的上端连接到栅-漏电容103的上端、漂移区电流源101的上端作为器件的漏极；

9、所述屏蔽栅沟槽mosfet总剂量效应的紧凑spice模型建模方法通过拟合不同测试条件以及辐射剂量下的模型，然后将拟合所用的各个参数采用三次分段差值hermite法得到剂量与参数之间的插值函数，再将得到的函数带入到模型中，即可得到所测试的最大区间内任意辐射剂量下的模型。

10、作为优选方式，漂移区电流源101采用自建漂移区电流模型，沟道区电流源102采用自建沟道区电流模型。

11、作为优选方式，栅-漏电容103，栅-源电容104，漏-源电容105采用行为模型来拟合。

12、作为优选方式，沟道区电流源102采用了阈值电压参数vth，迁移率参数ua，与饱和电压有关的参数a0、ags，所述漂移区电流源101采用了漂移区迁移率参数βdr，屏蔽栅平带电压vfbdr作为自变量；这些参数都受到氧化层界面陷阱not影响，因此可以写为：

13、vth＝hd_vth(vds,d)+hg_vth(vgs,d)，

14、ua＝hd_ua(vds,d)+hg_ua(vgs,d)，

15、a0＝hd_a0(vds,d)+hg_a0(vgs,d)，

16、ags＝hd_ags(vds,d)+hg_ags(vgs，d)，

17、βdr＝hd_βdr(vds,d)+hg_βdr(vgs,d),

18、vfbdr＝hd_vfbdr(vds,d)+hg_vfbdr(vgs,d)，

19、其中hd_vth(vds,d)，hd_ua(vds,d)，hd_a0(vds,d)，hd_ags(vds,d)，hd_βdr(vds,d)，hd_vfbdr(vds,d)为上述的vth，ua，a0，ags，βdr，vfbdr参数在关态测试条件：漏极接120v、栅极和源极接地下得到的三次hermite差值函数；hg_vth(vgs,d)，hg_ua(vgs,d)，hg_a0(vgs,d)，hg_ags(vgs,d)，hg_βdr(vgs,d)，hg_vfbdr(vgs,d)为上述的vth，ua，a0，ags，βdr，vfbdr参数在开态测试条件下：栅极接5v电压源、源极和漏极接地得到的三次hermite差值函数；

20、模型中的参数vth0，ua，a0，betadr，vfbdr与vth，ua，a0，ags，βdr，vfbdr相对应将其定义为参数集合param1{vth0，ua，a0，betadr，vfbdr}。

21、作为优选方式，参数ps1，ps2，ps3，ps4，ps5，ps6，ps7，f4，f5，s1为所述栅漏电容103的拟合参数，将其定义为参数集合param2{ps1，ps2，ps3，ps4，ps5，ps6，ps7，f4，f5，sl}，q80，q81，q82，q83，q84，qs1，qs2，qs3，f2r为所述漏-源电容105的拟合参数，将其定义为参数集合param3{q80，q81，q82，q83，q84，qs1，qs2，qs3，f2r}，f3，f3a，f3为所述栅-源电容104的拟合参数，将其定义为参数集合param4{f3，f3a，f3}。

22、作为优选方式，包括以下步骤：

23、步骤201：提取0krad时集合param1、param2、param3、param4中参数的值；

24、步骤202：提取每一个辐射剂量d下的集合param1、param2、param3、param4中参数的值，d>0，同时保持其它参数不变；

25、步骤203：使用三次分段差值hermite函数分别得到关于集合param1中各个参数与辐射剂量d的函数，hd_vth，hg_vth，hd_ua，hg_ua，hd_a0，hg_a0，hd_ags，hg_ags，hd_βdr，hg_βdr，hd_vfbdr，hg_vfbdr，以及与电容相关的参数集合param2、param3、param4中的参数与辐射剂量d相关的函数；

26、步骤204：将上述函数写入到模型中，得到各个辐射剂量下的模型；

27、步骤205：将模型与测试数据验证。

28、本发明的原理为：

29、tid效应导致sgt mosfet产生氧化层陷阱和界面陷阱，在低tid剂量下相较于高密度的氧化层界面陷阱(not)，表面陷阱的可以忽略。本发明采用not作为媒介来探究模型中参数与tid剂量之间的关系。

30、由于栅极与屏蔽栅极的电势不同，导致tid效应后栅极与屏蔽栅极氧化层的not也不同，因此沟道与漂移区中的not应当分开表示，沟道区的not定义为not,ch，漂移区的not定义为not,dr。其中not,ch的表达式为：

31、notch＝go,ch·fot，ch·fy，ch·tox·d，

32、g0,ch是γ射线在沟道sio2中诱导的电子-空穴产生率，fot,ch是沟道区域的空穴俘获效率，其主要依赖于si/sio2的界面质量(与氧化工艺相关)，tox是氧化层厚度，fy,ch是未被复合的空穴被输运至si/sio2界面的概率，d表示辐射剂量。

33、在实际的测试过程中，not,ch主要受到栅源电压vgs，漏源电压vds以及辐射剂量的影响，因此not,ch被看作是vgs、vds和d的函数：

34、not，ch＝hch(vgs，vds，d)，

35、为方便提取参数，将not,ch的参数分为与栅源电压有关的函数和与漏源电压有关的函数两个部分：

36、not，h＝hg(vgs，d)+hd(vds，d)，

37、漂移区氧化层电荷not,dr的表达式为：

38、not，dr＝go，dr·fot，dr·fy，dr·toxd·d，

39、g0,dr是γ射线在漂移区sio2中诱导的电子-空穴产生率，fot,dr是漂移区的空穴俘获效率，其主要依赖于si/sio2的界面质量(与氧化工艺相关)，toxd是氧化层厚度，fy,dr是未被复合的空穴被输运至si/sio2界面的概率，d表示辐射剂量。not,dr看作是vgs、vds和d的函数：

40、not，dr＝hdr(vgs，vds，d)，

41、与沟道栅氧化层陷阱not,ch处理方法类似，为方便提参，将not,dr分为两个部分：

42、not，dr＝hg，dr(vgs，d)+hd，dr(vds，d)，

43、所述沟道电流模型102中采用了阈值电压参数vth，迁移率参数ua，与饱和电压有关的参数a0、ags，所述漂移区电流模型101采用了漂移区迁移率参数βdr，屏蔽栅平带电压vfbdr作为自变量。这些参数都受到not影响，因此可以写为：

44、vth＝hd_vth(vds，d)+hg_vth(vgs，d)，

45、ua＝hd_ua(vds，d)+hg_ua(vgs，d)，

46、a0＝hd_a0(vds，d)+hg_a0(vgs，d)，

47、ags＝hd_ags(vds，d)+hg_ags(vgs，d)，

48、βdr＝hd_βdr(vds，d)+hg_βdr(vgs，d)，

49、vfbdr＝hd_vfbdr(vds，d)+hg_vfbdr(vgs，d)，

50、将模型中与直流有关拟合过程需要变化的参数定义为参数集合param1{vth，ua，a0，ags，βdr，vfbdr}，将所述栅-漏电容103的拟合参数定义为参数集合param2，将所述漏-源电容105的拟合参数定义为参数集合param3，将所述栅-源电容104的拟合参数定义为参数集合param4。

51、获得以上函数的方法如图3，首先在d＝0krad时提取param1、param2、param3、param4中的各个参数值，然后提取不同d(d＞0krad)时四个参数集合中参数的值，同时保持除这几个参数集合外别的参数不变，然后使用三次分段插值hermite函数即可得到hd_vth，hg_vth，hd_ua，hg_ua，hd_a0，hg_a0，hd_ags，hg_ags，hd_βdr，hg_βdr，hd_vfbdr，hg_vfbdr，以及与电容相关的参数集合param2、param3、param4中的参数与辐射剂量d相关的函数。

52、得到各个参数的函数之后，即可获得不同剂量下每个参数的值，将函数带入到所建模型中即可得到在一定剂量下的sgt mosfet总剂量效应(tid)模型。

53、本发明的有益效果为：

54、本发明提供了一种屏蔽栅沟槽mosfet总剂量效应的紧凑spice模型建模方法，此建模方法准确的反应了sgt mosfet遭受不同剂量tid效应后直流特性、电容特性与栅电荷的不同程度退化，可以高效精确的用于抗辐射领域的电路仿真。