专利名称：基于二进制组合的毫米波场效应晶体管参数化建模方法
基于二进制组合的毫米波场效应晶体管参数化建模方法技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，特涉及根据流片测试数据建立毫米波场效应晶体管参数化模型的方法。
背景技术：
由于集成电路加工制造工艺技术的飞速发展，使得CM0S(互补金属氧化物半导体)工艺下的MOSFET(场效应晶体管)工作速度大为提升，达到了传统上由III-V族化合物工艺主导的微波工作频段的高频电路对晶体管性能的要求。广义的微波频段的定义通常是300MHz到300GHz，而CMOS工艺现有的RFIC (射频集成电路)商业应用已经有如工作在 2. 4GHz, 5. 4GHz等频段的WLAN(无线局域网)，因此为了和这些传统应用区分，这里的微波频段主要指IOGHz以上到几十GHz的范围。此频段的电磁波在集成电路的芯片电介质环境中波长进入到毫米尺度，因此又称为毫米波(mmiave)，并且相关应用潜力巨大，是当前的电路研究的热点方向。MOSFET是CMOS工艺中最基本的有源器件，广泛用于各种电路模块。 晶体管模型是电路设计的基本依据和手段，毫米波段的高频电路设计相对于低频电路更加强烈地依赖于晶体管模型。晶体管模型分为大信号模型、小信号模型和噪声模型。其中小信号模型是指模拟晶体管频率特性的模型，通常可以用小信号模型仿真得到晶体管电学特性S参数或者Y参数。
电路设计中，希望晶体管的模型同时具有尽可能高的精度且在尺寸上是可变的 (即参数化)。所谓晶体管的参数化模型是指模型可以给出各种不同尺寸(例如晶体管的叉指宽度Wf、沟长Lai、叉指数目NF、总宽度Wt)的晶体管的特性，而不是只能给出一个单一固定尺寸的晶体管的特性。参数化模型的好处在于在电路设计时，可以为设计者提供灵活的尺寸选择，便于设计和优化电路。而固定模型使得电路设计受制于尺寸固定的限制。传统的参数化模型的精度通常会低于固定模型，这是换取尺寸上可变，必须付出的折中代价。
建立晶体管模型的方法主要有两种。一种是在传统的CMOS工艺中，晶体管模型是采用集约模型，例如BSIM模型(伯克利短沟绝缘栅场效应晶体管模型)。这种模型可达到参数化但通常工作用在较低频段上(IOGHz内)。芯片代工厂提供的CMOS工艺库中广泛采用这种模型。用到微波频段时，通过添加额外的寄生子电路扩展工作频段的办法，对传统的 BSIM模型作改进，但仍然是局限于固定尺寸的BSIM模型。参数化模型要求为寄生子电路中的每一个元件建立一个公式。公式的输入是晶体管的尺寸，输出是寄生子电路中每个元件的取值，要准确地得到这套公式难度很大。
第二种方法是传统的化合物微波工艺中，晶体管模型主要是采用基于测试的经验模型。首先将可能用到的晶体管尺寸都做好版图，然后流片测试，最后根据测试数据提取一个固定尺寸的经验模型(例如小信号等效电路模型)。这种模型的精度较好，且能支持毫米波频段，但是它是基于特定测试数据的固定尺寸模型。电路设计用到的晶体管，被限制在已经通过流片测试并且建模的为数不多的几个尺寸中选择。
针对现有方法的不足，和毫米波电路设计对模型精度和参数化的需求，有必要提出一套有效的毫米波MOSFET参数化建模方法。 发明内容
本发明的目的旨在为克服已有技术的不足之处，提供基于二进制组合的毫米波场效应晶体管参数化建模方法。场效应晶体管的参数化模型为毫米波电路设计优化提供方便，提高电路设计效率，进而缩短电路设计时间。较高精度的高频模型确保电路仿真的可靠性。
本发明提出的一种基于二进制组合的毫米波场效应晶体管参数化建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
1)制作多个毫米波场效应晶体管总宽度成二进制比例关系的二进制基本单元版2)制作该二进制基本单元的测试版图和用于去嵌入的OPEN和SHORT标准结构的测试版图；通过流片得到测试样片并测量获取建模用的测试数据
3)根据所述的测试数据采用直接提取方法得到对应的二进制基本单元版图的二进制基本单元的模型，该二进制基本单元的模型采用小信号等效电路模型；
4)建立用于连接二进制基本单元组合的引线显式参数化模型；
5)合并二进制基本单元组合中对应的二进制基本单元模型和该二进制基本单元组合的引线显式参数化模型，得到毫米波场效应晶体管参数化模型。
本发明的特点及有益效果
1)参数化模型允许晶体管尺寸可变。并且除了引线寄生外，模型中其它元件不需要显示参数化公式，而得到这个参数化公式是非常困难的。因此本方法避免了传统方法面临的问题，虽然引线仍然需要显示参数化公式，但是因为这部分引线的结构远远比基本单元内部的连线要简单，因此它的建模也得到简化；
2)测试结构少需要的二进制基本单元的测试结构数量不多，因此所占的测试芯片面积小，成本代价低；
3)准确度好由于二进制基本单元采用了基于测试的小信号等效电路模型，是一种固定尺寸的经验模型，它能很好的建模各种复杂的高频效应，因此本发明所得的参数化模型的精度也会接近基于测试的固定模型所具有的高精度。
图1为本发明的二进制基本单元版图示意图2为本发明的带有GSG测试端口的二进制基本单元版图示意图3为本发明的二进制基本单元的模型；
图4为本发明中用二进制基本单元组成所需的晶体管的示意图5为本发明的连接二进制基本单元的引线网络的寄生电阻和电容示意图6为本发明的计算寄生电阻和电容时需要的引线长度；
图7为本发明的二进制基本单元的模型和引线寄生模型组合成最终的晶体管模型；
图8为本发明的二进制组合法所得模型与实际测试数据的对比；具体实施方式
下面结合附图及实例进一步详细说明本方法的具体内容。
本发明提出的基于二进制组合的毫米波场效应晶体管参数化建模方法，其特征在于，包括以下步骤
1)制作多个毫米波场效应晶体管总宽度成二进制比例关系的二进制基本单元版图；具体包括
在CMOS工艺下，制作多个毫米波场效应晶体管(以下简称晶体管)总宽度Wt成二进制比例关系的晶体管版图(后续步骤将利用它们组合起来构成所需的晶体管)作为二进制基本单元版图(简称基本单元)；每个二进制基本单元版图均采用针对毫米波高频应用的叉指结构，并采用双接触的引线形式海个二进制基本单元的总宽度Wt *Wf*NF，其中 NF, Wf分别为对应对应二进制基本单元的栅极的叉指数目、每个叉指的宽度；所有二进制基本单元的沟长Lqi相同并固定为工艺允许的最小值，所有二进制基本单元的Wf相同，所有二进制单元的版图高度相同。
本实施中制作的二进制基本单元的版图如图1所示，采用了针对毫米波高频应用的叉指结构。图1(a)中给出了一个二进制基本单元的版图结构，图中栅极G、漏极D、源极S 呈叉指布局；叉指下面的矩形区域为有源区AA ；虚线框表示了二进制基本单元的边界。栅极、漏极、源极超出边界的部分为晶体管的引线端。本实施例采用了双接触的引线形式，即栅极G上下两处为引线端G1、G2，漏极、源极也同样有上、下两处引线端分别为D1、D2和Si、 S2。该二进制基本单元版图主要的尺寸参数有栅极的每个叉指的宽度Wf，沟长L。H，叉指数目NF，如图1(b)所示。二进制基本单元的总宽度Wt可由Wf*NF算出。本实施按照上述版图分别制作8个二进制基本单元。每个基本单元的总宽度Wt分别为1,2,4,8,16,32,64, 128 μ m0所有基本单元的沟长Lai相同，并固定为工艺允许的最小值60nm。所有二进制基本单元的Wf相同，并选取了使得晶体管性能较优的宽度1 μ m(本实施采用的工艺下，IymH 截止频率ft，最大振荡频率fmax接近最大值)。所有二进制单元的版图高度(基本单元上下边界的距离)相同；
2)制作该二进制基本单元的测试版图和用于去嵌入的OPEN和SHORT标准结构的测试版图；通过流片得到测试样片并测量获取建模用的测试数据，具体包括以下步骤
2-1)多个二进制基本单元的版图做好后，分别将每个二进制基本单元的栅极 (gate)和漏极(drain)作为测试端口引出，分别接到左右两个标准的GSG测试端口中的S 焊盘上，源极(source)则从上下两个方向和GSG测试端口中的G焊盘相连，得到每个二进制基本单元的测试版图，如图2所示，图中为一个二进制基本单元的测试版2-2)然后将步骤2-1)得到的每个测试版图制作相应的用于去嵌入 (de-embedding)的OPEN和SHORT标准结构的测试版图。
2-3)将步骤2-1)和2- 得到的所有测试版图经过芯片代工厂流片制造，得到一个测试样片；
2-4)然后通过探针台上的两个GSG探针将网络分析仪连接到测试样片的两个GSG 测试端口，利用网络分析仪测量出二端口 S参数(也就是二进制基本单元的S参数)。同样测出OPEN和SHORT标准结构的S参数；
2-5)用标准的OPEN-SHORT去嵌入方法从二进制基本单元的S参数中去掉GSG测试焊盘和引线导致的额外寄生量，得到的去嵌入后的二进制基本单元的S参数；
2 = 6)用标准的二端口参数转化的方法，将该去嵌入后的二进制基本单元的S参数转化为二进制基本单元的Y参数作为建模用的测试数据。
3)根据二进制基本单元的Y参数测试数据采用直接提取方法得到对应的二进制基本单元版图的二进制基本单元的模型，该二进制基本单元的模型采用小信号等效电路模型；
具体方法如下
二进制基本单元版图如图3(a)所示(即不包含GSG焊盘和引线的版图，也就是图 1(a)中二进制基本单元版图内部的细节用一个框图表示后的版图)，二进制基本单元的模型，如图3(b)所示。该模型框图中G、D、S三个引线端，对应了二进制基本单元的引线端。 图3(b)中二进制基本单元的模型的具体实现采用小信号等效电路模型，如图3 (c)所示。其中Cgs是栅极和源极之间的电容，Rgd, Cgdl，Cgd2分别是是栅极G和漏极D之间的电阻和电容效应，Rds' Cds分别是漏极电导和电容，Cjd，Rsub分别是结电容和衬底电阻，Cffl是跨容，gm是跨导。使用直接提取方法，将二进制基本单元的Y参数代入公式(1)_(12)，得到图3(c)中小信号等效电路模型的所有参数(Cgs，Rgd，Cgdl，Cgd2，Rds, Cds，Cjd, Rsub，Cm, gm)的取值，如式⑴-式 (12)所示，式中Yn，Y12，Y21，Y11是Y参数的4个组成分量，ω是角频率，式O)、式(9)中的 B^bljB2, b2是做线性拟合所得的两组斜率和截距。所有参数(Cgs，Rgd，Cgdl，Cgd2，Rds, Cds，Cjd, Rsub, Cffl, gffl)的取值代入图3(c)的小信号等效电路模型就构成了二进制基本单元的模型；
权利要求
1.一种基于二进制组合的毫米波场效应晶体管参数化建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1)制作多个毫米波场效应晶体管总宽度成二进制比例关系的二进制基本单元版图；2)制作该二进制基本单元的测试版图和用于去嵌入的OPEN和SHORT标准结构的测试版图；通过流片得到测试样片并测量获取建模用的测试数据3)根据所述的数测试数据采用直接提取方法得到对应的二进制基本单元版图的二进制基本单元的模型，该二进制基本单元的模型采用小信号等效电路模型；4)建立用于连接二进制基本单元组合的引线显式参数化模型；5)合并二进制基本单元组合中对应的二进制基本单元模型和该二进制基本单元组合的引线显式参数化模型，得到毫米波场效应晶体管参数化模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括；在CMOS工艺下，制作多个毫米波场效应晶体管总宽度Wt成二进制比例关系的二进制基本单元版图；每个二进制基本单元版图均采用针对毫米波高频应用的叉指结构，并采用双接触的引线形式；每个二进制基本单元的总宽度Wt为Wf*NF，其中NF、Wf分别为对应二进制基本单元的栅极的叉指数目、每个叉指的宽度；所有二进制基本单元的沟长Lai相同并固定为工艺允许的最小值，所有二进制基本单元的Wf相同，所有二进制单元的版图高度相同；
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括2-1)将每个二进制基本单元的栅极和漏极作为测试端口引出，分别接到左右两个标准的GSG测试端口中的S焊盘上，源极则从上下两个方向和GSG测试端口中的G焊盘相连，得到该二进制基本单元的测试版图；2-2)再将步骤2-1)得到的每个测试版图制作相应的用于去嵌入的OPEN和SHORT标准结构的测试版图；2-3)将步骤2-1)和2-2~)得到的所有测试版图经过芯片代工厂流片制造，得到一个测试样片；2-4)利用网络分析仪测量出测试样片的二进制基本单元的S参数，同样测出OPEN和 SHORT标准结构的S参数；2-5)用标准的OPEN-SHORT去嵌入方法从二进制基本单元的S参数中去掉GSG测试焊盘和引线导致的额外寄生量，得到的去嵌入后的二进制基本单元的S参数；2-6)用标准的二端口参数转化的方法将该去嵌入后的二进制基本单元的S参数转化为二进制基本单元的Y参数作为建模用的测试数据。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括4-1)根据所需建模的晶体管总宽度决定选取相应数量的二进制基本单元的模型构成一个二进制基本单元组合；4-2)将该组合中的所有二进制基本单元排列成一行，把所有二进制基本单元的对应的栅极、源极、漏极引线端并联到一起，分别构成一个总的栅极G、源极S、漏极D ；并形成在所有二进制基本单元边界外面的引线结构；4-3)将引线结构作电磁仿真，得到引线结构的Y参数，利用引线结构的Y参数计算出引线的寄生电容，再依据版图和工艺信息计算寄生电阻，寄生电容和电阻一起构成引线显式参数化模型。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括根据步骤3)计算得到的合并二进制基本单元组合中对应的二进制基本单元的模型和和步骤4)得到的引线显式参数化模型，将所述二进制基本单元的模型直接并联，再把引线显式参数化模型的引线寄生电容和所述二进制基本单元的模型并联；把引线显式参数化模型的引线寄生电阻和所述二进制基本单元的模型串联成为一个整体，构成一个完整的毫米波场效应晶体管参数化模型。
6.如权利要求1-5的任一项所述方法，其特征在于，所述制作多个二进制基本单元版图的个数为8个，每个基本单元的总宽度分别为1，2，4，8，16，32，64，12 μ m;总宽度在1 255 μ m之间的任何所需建模晶体管选取所述8个二进制基本单元中的所需数目组合构成， 且组合方式唯一。
全文摘要
本发明涉及基于二进制组合的毫米波场效应晶体管参数化建模方法，属于集成电路设计技术领域，该方法包括制作多个晶体管总宽度成二进制比例关系的二进制基本单元版图；制作该基本单元的测试版图和用于去嵌入的标准结构的测试版图；通过流片得到测试样片并测量获取建模用的测试数据采用直接提取方法得到对应的二进制基本单元版图的模型；建立用于连接二进制基本单元组合的引线显式参数化模型；合并二进制基本单元组合中对应的二进制基本单元模型和该二进制基本单元组合的引线显式参数化模型，得到毫米波场效应晶体管参数化模型。本发明可提高电路设计效率，进而缩短电路设计时间。较高精度的高频模型确保电路仿真的可靠性。
文档编号G06F17/50GK102521447SQ201110407569
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者唐杨, 王燕 申请人:清华大学