一种mos可变电容的仿真模型建立方法和仿真方法

文档序号:9432847阅读:3950来源:国知局
一种mos可变电容的仿真模型建立方法和仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体电路仿真领域,特别涉及一种MOS可变电容的仿真模型建立方 法和仿真方法。
【背景技术】
[0002] 随着移动通信技术的发展,射频(RF)电路的研究引起了广泛的重视。采用标准 CMOS工艺实现压控振荡器(VCO),是实现RF射频CMOS集成收发机的关键。而可变电容作 为一种可以随施加电压变化而发生不同的电容变化的基本器件因其优良的品质因数和稳 定的电学特性而在模拟集成电路设计中得到了广泛的使用。标准的CMOS工艺中常用的可 变电容有:变容二极管、MOS可变电容。而MOS可变电容又分为普通MOS可变电容和积累 型MOS可变电容。将MOS可变电容的MOS管栅极作为可变电容的一端,将漏极、源极和衬底 (或者阱区)连接在一起作为另一端,随着控制电压的变化,会经历五个工作区域:积累区、 耗尽区、弱反型区、中等反型区和强反型区。
[0003] EDA技术是以计算机为工具,设计者在EDA系统平台上,用硬件描述语言VHDL完成 设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真, 直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现,极大地 提高了电路设计的效率和可操作性,减轻了设计者的劳动强度。
[0004] SPICE是一种功能强大的通用模拟电路仿真器,属于EDA系统中的重要部分。自 1972年推出第一版至今已有几十年的历史。该程序主要用于集成电路的电路分析程序中, SPICE的网表格式变成了通常模拟电路和晶体管级电路描述的标准工业标准,主要用于IC 设计中的模拟电路,数模混合电路,电源电路等电子系统的设计和仿真。SPICE模型由两部 分组成:模型方程式(Model Equations)和模型参数(Model Parameters)。由于提供了模 型方程式,因而可以把SPICE模型与仿真器的算法非常紧密地联接起来,可以获得更好的 分析效率和分析结果。SPICE建模工程师依靠器件理论及经验,提取模型参数以供SPICE仿 真程序使用。目前业界通用的SPICE模型有BS頂系列和经验模型(宏模型)等。SPICE模 型的分析精度主要取决于模型参数的来源即数据的精确性,以及模型方程式的适用范围。
[0005] 通常一个成熟的CMOS工艺技术平台开发离不开对M0SFET、二极管、三极管、MOM电 容、M頂电容、电阻以及MOS可变电容等基本器件的SPICE建模。后续的I3DK (Process Design Kit工艺设计包)开发、IP库以及各种标准单元库乃至很多客户定制化的芯片设计开发都 是基于SPICE模型库。在MOS可变电容的SPICE模型开发过程中,因其具有MOSFET的基 本设计及CV (电容-电压)特性,最初很多SPICE建模工程师都比较喜欢采用BS頂模型, BS頂模型是由美国加利福尼亚州伯克利分校开发的,用于测试电路仿真和CMOS技术发展 的一种基于物理的,具有精确性、可升级性、健壮性、语言性等特点的系统模拟系统,能提供 标准电路的直流分析,瞬时分析,交流分析等数据。由于这是一种集成度很高的紧凑型模型 (Compact模型),用户无法对模型方程式进行修改,只能对模型参数进行调整。由于BS頂 模型是一种将源端作为参考点的模型,因此在对MOS可变电容的CV曲线(电容对电压特性 曲线)进行跨导分析时在电压V = O处会发生跳变,从而导致模型分析的失效。另一种作 法是采用基于半导体表面势为基准的Compact模型,从而可避免出现BS頂模型CV特性跨 导V = 0处的跳变问题,但由于缺乏积累区模型拟合参数导致很多情况下无法提高积累区 的模型精度。
[0006] 传统的采用BSIM Compact SPICE模型可以比较简单的实现MOS Varactor可变电 容器的CV (电压电容特性)特性的参数提取,但随着集成电路工艺水平进入深亚微米,制造 技术愈来愈复杂,各种寄生效应使采用这种传统方式建立MOS Varactor可变电容器的模型 仿真精度变得很不理想。如图1、图3中分别对应的是采用55nm先进薄氧化层工艺制作的 PMOS可变电容器的大面积54 μ mX 54 μ m结构和小面积9 μ mX 9 μ m结构的电压电容特性 曲线,点是实测数据,测试时,保证衬底和源区之间的电压为0V、漏区和源区之间的电压为 0V,加载电压的范围为[-1. 5V,I. 5V],横坐标为栅极和源区之间的电压变化,纵坐标为栅极 上测得电容,实线是SPICE模型的仿真结果,可以看到随着电压(X轴方向)从正压变到负 压,电容会遵循一条特定函数的变化方式发生变化,但明显可以看到模型仿真结果同数据 有相当大的误差,而且从图2和图4上可以看到电容对电压的二阶导数特性在大约-0. 75V 和-0. 6V附近会出现跳变,这种紧凑型模型,即BS頂模型是一种将源端作为参考点的模型, 因此在对MOS可变电容的CV曲线(电容对电压特性曲线)进行跨导分析时在电压V = 0 处会发生跳变,并且由于无法修改模型公式,从而会导致模型分析的失效,这是器件特性在 电路设计使用中的大忌,若使用这种模型进行设计很可能会导致电路的不收敛最终功能失 效。
[0007] 因此,有必要发明一种MOS可变电容的仿真模型建立方法和仿真方法,能更好的 提升MOS可变电容的电压电容特性的模型仿真精度,同时解决MOS可变电容的仿真模型在 RF射频应用中出现的电容对电压的二阶导数跳变问题。

【发明内容】

[0008] 为解决上述问题,本发明提供一种MOS可变电容的仿真模型建立方法和仿真方 法,建立满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] 对上述初始仿真模型的公式中的参数A~K进行调试,直至使利用该公式计算结 果得到的电容对电压特性曲线与实际测量得到的电容对电压特性曲线相匹配,得到参数 A~K的相应具体值,代入初始仿真模型的公式中,建立得到MOS可变电容的最终仿真模型, 使用最终仿真模型进行仿真模拟。本发明不仅适用于所有类型的MOS可变电容,并且从数 学分析的角度出发,通过不停地增加、减少参数并调试参数的值从而对仿真模型公式的优 化,直至MOS可变电容模型在RF射频应用中出现的电容对电压的二阶导数跳变显著减少, 同时MOS可变电容的电容对电压特性曲线的仿真精度显著提高。
[0011] 为达到上述目的,本发明提供一种MOS可变电容的仿真模型建立方法,包括以下 步骤:
[0012] 步骤一:建立初始仿真模型,所述初始仿真模型为
[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为所述初始仿真模型计算后得到的电容,V(g,b)为所述初始仿真模型中 栅极和衬底之间的电压,A为所述初始仿真模型的电容对电压特性曲线中影响电容对电压 斜率的参数,B为影响所述初始仿真模型所对应的MOS可变电容中积累区的电容幅度的参 数,E为影响所述初始仿真模型所对应的MOS可变电容中反型区的电容幅度的参数,C为所 述初始仿真模型的电容对电压特性曲线中用于调整在电压趋于OV时电容沿着电压轴方向 作调整但不影响其它区域的电容的参数,F为所述初始仿真模型的电容对电压特性曲线中 用于调整电容沿着电压轴方向作调整而不影响其它区域的电容的参数,D、G、H、I、J、K分别 为所述初始仿真模型的电容对电压特性曲线中影响电容在电容轴所在的方向上移动的第 一参数、第二参数、第三参数、第四参数、第五参数、第六参数,lr、wr、mr、nf分别代表所述初 始仿真模型所对应的MOS可变电容的栅极沟道的长度、宽度、个数以及栅极的个数;
[0015] 步骤二:对所述初始仿真模型中的参数A~K进行调试,直至利用所述初始仿真模 型计算结果得到的MOS可变电容的电容对电压特性曲线与实际测量得到的电容对电压特 性曲线相匹配,并将匹配时得到的参数A~K代入所述初始仿真模型中以得到MOS可变电 容的最终仿真模型。
[0016] 作为优选,根据MOS可变电容的类型、尺寸和电压工作区域对所述初始仿真模型 中的参数A~K进行调试。
[0017] 作为优选,利用EDA系统建立所述MOS可变电容的仿真模型。
[0018] 作为优选,所述EDA系统包括SPICE仿真系统。
[0019] 作为优选,所述MOS可变电容的仿真模型为SPICE仿真系统中的宏模型。
[0020] 作为优选,所述MOS可变电容为PMOS可变电容或者NMOS可变电容。
[0021] 作为优选,所述A、C、D、F、H、I、J、K调试的范围为[-1,1]。
[0022]
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