一種mos可變電容的仿真模型建立方法和仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體電路仿真領(lǐng)域，特別涉及一種MOS可變電容的仿真模型建立方 法和仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，射頻（RF)電路的研究引起了廣泛的重視。采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器（VCO)，是實(shí)現(xiàn)RF射頻CMOS集成收發(fā)機(jī)的關(guān)鍵。而可變電容作 為一種可以隨施加電壓變化而發(fā)生不同的電容變化的基本器件因其優(yōu)良的品質(zhì)因數(shù)和穩(wěn) 定的電學(xué)特性而在模擬集成電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛的使用。標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝中常用的可 變電容有：變?nèi)荻O管、MOS可變電容。而MOS可變電容又分為普通MOS可變電容和積累 型MOS可變電容。將MOS可變電容的MOS管柵極作為可變電容的一端，將漏極、源極和襯底 (或者阱區(qū)）連接在一起作為另一端，隨著控制電壓的變化，會(huì)經(jīng)歷五個(gè)工作區(qū)域：積累區(qū)、 耗盡區(qū)、弱反型區(qū)、中等反型區(qū)和強(qiáng)反型區(qū)。
[0003] EDA技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在EDA系統(tǒng)平臺(tái)上，用硬件描述語言VHDL完成 設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真， 直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術(shù)的出現(xiàn)，極大地 提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可操作性，減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。
[0004] SPICE是一種功能強(qiáng)大的通用模擬電路仿真器，屬于EDA系統(tǒng)中的重要部分。自 1972年推出第一版至今已有幾十年的歷史。該程序主要用于集成電路的電路分析程序中， SPICE的網(wǎng)表格式變成了通常模擬電路和晶體管級(jí)電路描述的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于IC 設(shè)計(jì)中的模擬電路，數(shù)?；旌想娐?，電源電路等電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。SPICE模型由兩部 分組成：模型方程式（Model Equations)和模型參數(shù)（Model Parameters)。由于提供了模 型方程式，因而可以把SPICE模型與仿真器的算法非常緊密地聯(lián)接起來，可以獲得更好的 分析效率和分析結(jié)果。SPICE建模工程師依靠器件理論及經(jīng)驗(yàn)，提取模型參數(shù)以供SPICE仿 真程序使用。目前業(yè)界通用的SPICE模型有BS頂系列和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ê昴Ｐ停┑?。SPICE模 型的分析精度主要取決于模型參數(shù)的來源即數(shù)據(jù)的精確性，以及模型方程式的適用范圍。
[0005] 通常一個(gè)成熟的CMOS工藝技術(shù)平臺(tái)開發(fā)離不開對(duì)M0SFET、二極管、三極管、MOM電 容、M頂電容、電阻以及MOS可變電容等基本器件的SPICE建模。后續(xù)的I3DK (Process Design Kit工藝設(shè)計(jì)包）開發(fā)、IP庫以及各種標(biāo)準(zhǔn)單元庫乃至很多客戶定制化的芯片設(shè)計(jì)開發(fā)都 是基于SPICE模型庫。在MOS可變電容的SPICE模型開發(fā)過程中，因其具有MOSFET的基 本設(shè)計(jì)及CV (電容-電壓）特性，最初很多SPICE建模工程師都比較喜歡采用BS頂模型， BS頂模型是由美國加利福尼亞州伯克利分校開發(fā)的，用于測試電路仿真和CMOS技術(shù)發(fā)展 的一種基于物理的，具有精確性、可升級(jí)性、健壯性、語言性等特點(diǎn)的系統(tǒng)模擬系統(tǒng)，能提供 標(biāo)準(zhǔn)電路的直流分析，瞬時(shí)分析，交流分析等數(shù)據(jù)。由于這是一種集成度很高的緊湊型模型 (Compact模型），用戶無法對(duì)模型方程式進(jìn)行修改，只能對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。由于BS頂 模型是一種將源端作為參考點(diǎn)的模型，因此在對(duì)MOS可變電容的CV曲線（電容對(duì)電壓特性 曲線）進(jìn)行跨導(dǎo)分析時(shí)在電壓V = O處會(huì)發(fā)生跳變，從而導(dǎo)致模型分析的失效。另一種作 法是采用基于半導(dǎo)體表面勢為基準(zhǔn)的Compact模型，從而可避免出現(xiàn)BS頂模型CV特性跨 導(dǎo)V = 0處的跳變問題，但由于缺乏積累區(qū)模型擬合參數(shù)導(dǎo)致很多情況下無法提高積累區(qū) 的模型精度。
[0006] 傳統(tǒng)的采用BSIM Compact SPICE模型可以比較簡單的實(shí)現(xiàn)MOS Varactor可變電 容器的CV (電壓電容特性）特性的參數(shù)提取，但隨著集成電路工藝水平進(jìn)入深亞微米，制造 技術(shù)愈來愈復(fù)雜，各種寄生效應(yīng)使采用這種傳統(tǒng)方式建立MOS Varactor可變電容器的模型 仿真精度變得很不理想。如圖1、圖3中分別對(duì)應(yīng)的是采用55nm先進(jìn)薄氧化層工藝制作的 PMOS可變電容器的大面積54 μ mX 54 μ m結(jié)構(gòu)和小面積9 μ mX 9 μ m結(jié)構(gòu)的電壓電容特性 曲線，點(diǎn)是實(shí)測數(shù)據(jù)，測試時(shí)，保證襯底和源區(qū)之間的電壓為0V、漏區(qū)和源區(qū)之間的電壓為 0V，加載電壓的范圍為[-1. 5V，I. 5V]，橫坐標(biāo)為柵極和源區(qū)之間的電壓變化，縱坐標(biāo)為柵極 上測得電容，實(shí)線是SPICE模型的仿真結(jié)果，可以看到隨著電壓（X軸方向）從正壓變到負(fù) 壓，電容會(huì)遵循一條特定函數(shù)的變化方式發(fā)生變化，但明顯可以看到模型仿真結(jié)果同數(shù)據(jù) 有相當(dāng)大的誤差，而且從圖2和圖4上可以看到電容對(duì)電壓的二階導(dǎo)數(shù)特性在大約-0. 75V 和-0. 6V附近會(huì)出現(xiàn)跳變，這種緊湊型模型，即BS頂模型是一種將源端作為參考點(diǎn)的模型， 因此在對(duì)MOS可變電容的CV曲線（電容對(duì)電壓特性曲線）進(jìn)行跨導(dǎo)分析時(shí)在電壓V = 0 處會(huì)發(fā)生跳變，并且由于無法修改模型公式，從而會(huì)導(dǎo)致模型分析的失效，這是器件特性在 電路設(shè)計(jì)使用中的大忌，若使用這種模型進(jìn)行設(shè)計(jì)很可能會(huì)導(dǎo)致電路的不收斂最終功能失 效。
[0007] 因此，有必要發(fā)明一種MOS可變電容的仿真模型建立方法和仿真方法，能更好的 提升MOS可變電容的電壓電容特性的模型仿真精度，同時(shí)解決MOS可變電容的仿真模型在 RF射頻應(yīng)用中出現(xiàn)的電容對(duì)電壓的二階導(dǎo)數(shù)跳變問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種MOS可變電容的仿真模型建立方法和仿真方 法，建立滿足以下方程式的初始仿真模型
[0009] C= (AX tanh (-v (g, b) XB+C) +D) X (tanh (-v (g, b) XE+F) +G) X (ΗX Ir Xwr Xmr X nf) X (exp (-v (g, b) X I+J) +K)
[0010] 對(duì)上述初始仿真模型的公式中的參數(shù)A~K進(jìn)行調(diào)試，直至使利用該公式計(jì)算結(jié) 果得到的電容對(duì)電壓特性曲線與實(shí)際測量得到的電容對(duì)電壓特性曲線相匹配，得到參數(shù) A~K的相應(yīng)具體值，代入初始仿真模型的公式中，建立得到MOS可變電容的最終仿真模型， 使用最終仿真模型進(jìn)行仿真模擬。本發(fā)明不僅適用于所有類型的MOS可變電容，并且從數(shù) 學(xué)分析的角度出發(fā)，通過不停地增加、減少參數(shù)并調(diào)試參數(shù)的值從而對(duì)仿真模型公式的優(yōu) 化，直至MOS可變電容模型在RF射頻應(yīng)用中出現(xiàn)的電容對(duì)電壓的二階導(dǎo)數(shù)跳變顯著減少， 同時(shí)MOS可變電容的電容對(duì)電壓特性曲線的仿真精度顯著提高。
[0011] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種MOS可變電容的仿真模型建立方法，包括以下 步驟：
[0012] 步驟一：建立初始仿真模型，所述初始仿真模型為
[0013] C= (AX tanh (-v (g, b) XB+C) +D) X (tanh (-v (g, b) XE+F) +G) X (ΗX Ir Xwr Xmr X nf) X (exp (-v (g, b) X I+J) +K)
[0014] 其中，c為所述初始仿真模型計(jì)算后得到的電容，V(g，b)為所述初始仿真模型中 柵極和襯底之間的電壓，A為所述初始仿真模型的電容對(duì)電壓特性曲線中影響電容對(duì)電壓 斜率的參數(shù)，B為影響所述初始仿真模型所對(duì)應(yīng)的MOS可變電容中積累區(qū)的電容幅度的參 數(shù)，E為影響所述初始仿真模型所對(duì)應(yīng)的MOS可變電容中反型區(qū)的電容幅度的參數(shù)，C為所 述初始仿真模型的電容對(duì)電壓特性曲線中用于調(diào)整在電壓趨于OV時(shí)電容沿著電壓軸方向 作調(diào)整但不影響其它區(qū)域的電容的參數(shù)，F(xiàn)為所述初始仿真模型的電容對(duì)電壓特性曲線中 用于調(diào)整電容沿著電壓軸方向作調(diào)整而不影響其它區(qū)域的電容的參數(shù)，D、G、H、I、J、K分別 為所述初始仿真模型的電容對(duì)電壓特性曲線中影響電容在電容軸所在的方向上移動(dòng)的第 一參數(shù)、第二參數(shù)、第三參數(shù)、第四參數(shù)、第五參數(shù)、第六參數(shù)，lr、wr、mr、nf分別代表所述初 始仿真模型所對(duì)應(yīng)的MOS可變電容的柵極溝道的長度、寬度、個(gè)數(shù)以及柵極的個(gè)數(shù)；
[0015] 步驟二：對(duì)所述初始仿真模型中的參數(shù)A~K進(jìn)行調(diào)試，直至利用所述初始仿真模 型計(jì)算結(jié)果得到的MOS可變電容的電容對(duì)電壓特性曲線與實(shí)際測量得到的電容對(duì)電壓特 性曲線相匹配，并將匹配時(shí)得到的參數(shù)A~K代入所述初始仿真模型中以得到MOS可變電 容的最終仿真模型。
[0016] 作為優(yōu)選，根據(jù)MOS可變電容的類型、尺寸和電壓工作區(qū)域?qū)λ龀跏挤抡婺Ｐ?中的參數(shù)A~K進(jìn)行調(diào)試。
[0017] 作為優(yōu)選，利用EDA系統(tǒng)建立所述MOS可變電容的仿真模型。
[0018] 作為優(yōu)選，所述EDA系統(tǒng)包括SPICE仿真系統(tǒng)。
[0019] 作為優(yōu)選，所述MOS可變電容的仿真模型為SPICE仿真系統(tǒng)中的宏模型。
[0020] 作為優(yōu)選，所述MOS可變電容為PMOS可變電容或者NMOS可變電容。
[0021] 作為優(yōu)選，所述A、C、D、F、H、I、J、K調(diào)試的范圍為[-1，1]。
[0022]