CN100576217C - 变容器电容-电压模型及其形成装置和方法、使用方法 - Google Patents

Abstract

一种变容器电容-电压模型及其形成装置和方法、使用方法，根据方程y＝(A₁-A₂)/(1+e(x-x₀)/dx)+A₂，A₁为自变量x取最小值时的因变量y值；A₂为自变量x取最大值时的因变量y值；所述x值为变容器的电压；所述y值为变容器的电容值。本发明通过根据变容器的栅极条的长度L及宽度W，确定中的参数A₁和A₂的值，降低了电容-电压实验数据与电容-电压模型曲线之间的误差；降低了变容器的实验数据的S参数与根据模型曲线计算获得的S参数之间的误差；降低了变容器的品质因子Q的实验数据与模型曲线之间的误差。

Description

变容器电容-电压模型及其形成装置和方法、使用方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种变容器的电容-电压模型及其形成方法。

背景技术

在混合信号应用中，在CMOS集成电路中通常用到变容器，变容器是一种具有可以通过适当的电压或者电流偏压进行控制的电容。变容器通常在所谓压控振荡器(VCO)中采用，所述压控振荡器的频率通过施加的电流或者电压进行控制。这种情况下，当需要可变频率或者信号需要被同步(synchronize)至一个参考信号时候需要用到VCO。

常用的变容器可以分为金属-氧化物-半导体(MOS)变容器和结型变容器。MOS变容器结构为金属-氧化物-半导体晶体管结构，结型变容器结构为交错的p型掺杂区和n型掺杂区。MOS变容器具有较大电容变化范围，可调电压范围通常约为1V，即很小的电压变化可能导致很大的电容变化。相反，结型变容器具有较小的电容变化范围。在当前的CMOS集成电路中，MOS变容器以其较大的电容变化范围以及与标准CMOS工艺兼容的优点获得广泛应用。

MOS结构的变容器通过形成栅电极、栅介质层以及半导体衬底组成。栅电极作为电容器的一极，半导体衬底形成电容的另一极，施加在栅极和半导体衬底上的电压将会改变电容器的电容值。

在专利号为7053465的美国专利中还可以发现更多与上述技术方案相关的信息。

在现代集成电路设计应用领域发展射频RF技术越来越重要。而MOS结构的变容器模型的准确性在RF电路中起着很重要的作用。而有关MOS结构的变容器的模型尚未有资料公开。在实际应用中，通常采用Bsim3V3 MOS模型来模拟MOS结构的变容器的电容-电压(Cg-Vg)特性。然而，当Bsim3V3模型应用在变容器的C-V特性时具有很多局限。下面参考附图加以说明。

附图1为变容器的结构示意图，包括：半导体衬底11以及形成于半导体衬底11中的阱12、堆叠于半导体衬底11上的栅介质层13以及栅极层14、位于堆叠的栅介质层13以及栅极层14两侧的阱12内的源/漏极15。MOS晶体管结构的变容器与MOS晶体管的结构大体相同，但是MOS晶体管的阱12的掺杂类型与源/漏极15的掺杂类型相反；而在MOS晶体管结构的变容器结构中，阱12的掺杂类型与源/漏极15的掺杂类型相同，目的为让n型阱12工作于耗尽区，防止n型阱12反型。通常阱12与源/漏极15的导电类型均为n型，这是因为电子具有更高的迁移率。

Bsim3V3模型的最初发展是应用于MOS晶体管结构，但是由于MOS晶体管结构与MOS晶体管结构的变容器的结构不同，Bsim3V3模型的准确性不高。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术中的变容器的电容-电压模型数据与电容-电压实验数据之间的误差较大。

为解决上述问题，本发明提供一种变容器的电容-电压模型的形成方法，包括：在一电压范围内测试变容器的电容值，所述电压具有中点值以及相邻取值之间的间隔值，所述变容器的栅极层的栅极条具有长度L以及宽度W；计算该电压范围内、栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，所述单位电容具有最小值和最大值；采用 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 作为变容器的电容-电压模型，其中，x值为电压，y值为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值；将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最小值作为所述方程中的A1，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最大值作为所述方程中的A2。

所述变容器的单位电容的最小值为变容器位于深层耗尽区时电容，变容器的单位电容的最小值为变容器位于积累区时电容。

所述电压范围为±5V、±3.3V、±2.5V、±1.8V、±1.5V、±1.2V或者±1.0V之间。

所述间隔值范围为0.02至0.5V。

构成变容器的栅极层的栅极条的数量为小于或等于20。

所述变容器的栅极条长度L取值范围为0.5至10μm，所述变容器的栅极条宽度W取值范围为1至10μm。

所述变容器包括位于半导体衬底中的具有第一导电类型的阱、堆叠于半导体衬底上的栅介质层以及由栅极条组成的栅极层、位于堆叠的栅介质层以及栅极层两侧的具有第一导电类型的阱内的具有第一导电类型的源/漏极。

所述第一导电类型为n型。

本发明还提供一种变容器的电容-电压模型形成装置，包括：测试单元，用于在一电压范围内测试变容器的电容值，获得该电压范围内变容器的单位电容，所述电压具有中点值以及相邻取值之间的间隔值，所述变容器的栅极层的栅极条具有长度L以及宽度W；转换单元，用于计算测试单元的在该电压范围内、栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的变容器的单位电容，所述单位电容具有最小值最大值；曲线方程单元，提供方程 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2,$ 其中，x值为电压，y值为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值；确定参数单元，用于确定曲线方程单元提供的方程中的参数A1和A2，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的变容器的单位电容的最小值作为所述方程中的A1，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的变容器的单位电容的最大值作为所述方程中的A2。

变容器的单位电容的最小值为变容器位于深层耗尽区时电容，变容器的单位电容的最大值为变容器位于积累区时电容。

所述电压范围为±5V、±3.3V、±2.5V、±1.8V、±1.5V、±1.2V或者±1.0V之间。

所述间隔值范围为0.02至0.5V。

所述构成变容器的栅极层的栅极条的数量为小于或等于20。

所述变容器的栅极条长度L取值范围为0.5至10μm，所述变容器的栅极条宽度W取值范围为1至10μm。

所述变容器包括位于半导体衬底中的具有第一导电类型的阱、堆叠于半导体衬底上的栅介质层以及由栅极条构成的栅极层、位于堆叠的栅介质层以及栅极层两侧的具有第一导电类型的阱内的具有第一导电类型的源/漏极。

所述第一导电类型为n型。

本发明还提供一种变容器的电容-电压模型，采用 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 作为变容器的电容-电压模型，其中，x值为电压；y值为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容；x₀为电压的中点值；dx为电压相邻取值之间的间隔值；A1为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最小值；A2为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最大值。

变容器的单位电容的最小值为变容器位于深层耗尽区时电容，变容器的单位电容的最大值为变容器位于积累区时电容。

所述电压范围为±5V、±3.3V、±2.5V、±1.8V、±1.5V、±1.2V或者±1.0V之间。

所述间隔值范围为0.02至0.5V。

本发明还提供一种变容器的电容-电压模型的使用方法，包括以下步骤：

a.根据工艺选取变容器的模块库，其中变容器的模块库含有次模块库，所述次模块库含有不同变容器，所述变容器具有与栅极条的长度L和宽度W对应的电容-电压模型；

b.根据变容器的工作电压范围，选取变容器的栅极条的长度范围和宽度范围，且在栅极条长度范围和宽度范围内，选取不同栅极条的长度L和宽度W的组合；

c.选取栅极条的长度L和宽度W的组合中之一，确定次模块库中的变容器的电容-电压模型，为 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2,$ 其中x值为电压，y值为变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值，A1为最小电容值，A2为最大电容值；

d.根据变容器的电容-电压模型以及电路中电容变化量，确定变容器的栅极条数目N；

e.把确定的栅极条长度L、宽度W以及栅极条数目N的变容器构成的模块放入电路中对电路进行模拟，若模拟结果符合电路需求，完成模拟过程；若模拟结果不符合电路需求，改变栅极条的数目N继续模拟或者改变栅极条的长度L和宽度W的组合以及栅极条的数目N获取新模块放入电路进行模拟直至符合电路需求。

所述电路需求为设计电路的输出输入阻抗、电路损耗、功率增益、品质因子、功耗以及相位噪声要求。

变容器的最小电容值为变容器位于深层耗尽区时电容，变容器的最大电容值为变容器位于积累区时电容。

所述电压范围为±5V、±3.3V、±2.5V、±1.8V、±1.5V、±1.2V或者±1.0V之间。

所述间隔值范围为0.02至0.5V。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：通过采用方程 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 作为变容器的电容-电压模型，根据将取最小电容值作为A1，将最大电容值作为A2，确定方程中的未知常数A1和A2，降低了电容-电压实验数据与模型曲线之间的误差；降低了变容器的实验数据的S参数与根据模型曲线计算获得的S参数之间的误差；降低了变容器的品质因子Q的实验数据与模型曲线之间的误差。

附图说明

图1是变容器的结构示意图；

图2是变容器的栅极层俯视图的放大示意图；

图3是本发明的变容器的电容-电压模型的形成方法实施例的流程图；

图4是本发明的变容器的电容-电压模型的形成装置示意图；

图5是本发明的变容器的电容-电压模型的使用方法流程图；

图6实验数据、现有技术的模型曲线以及本发明的变容器电压-电容模型的曲线图；

图7是当栅极条个数为1、2、4条件下的变容器的电容-电压测试结果、采用本发明的模型模拟曲线以及采用现有技术的模型的模拟曲线图；

图8是当栅极条个数为12、20条件下的变容器的电容-电压测试结果、采用本发明的模型模拟曲线以及采用现有技术的模型的模拟曲线图；

图9、图10分别采用现有技术模拟数据与实验数据获得的S参数的实部曲线图；

图11、图12是分别采用本发明技术模拟数据与实验数据获得的S参数的实部曲线图；

图13、图14是分别采用现有技术模拟数据与实验数据获得的S参数的虚部曲线图；

图15、图16是分别采用本发明技术模拟数据与实验数据获得的S参数的虚部曲线图；

图17是在5GHz时候栅极条宽长比W/L为10μm/1μm的变容器的品质因子的实验数据、根据现有技术获得的品质因子曲线以及根据本发明的模型获得的品质因子曲线图；

图18是在6GHz时候栅极条宽长比W/L为10μm/1μm的变容器的品质因子的实验数据、根据现有技术获得的品质因子曲线以及根据本发明的模型获得的品质因子曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种变容器的电容-电压模型、其形成方法、形成装置、以及使用方法，采用方程 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 作为变容器的电容-电压模型，其中，x值为电压，y值为变容器的电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值，将最小电容值作为A1，将最大电容值作为A2，从而确定方程中的所有参数。采用本发明的变容器的电容-电压模型，提高了电容-电压实验数据与电容-电压模型曲线之间的误差；提高了变容器的品质因子Q的实验数据与模型曲线之间的误差；提高了变容器的实验数据的S参数与根据模型曲线计算获得的S参数之间的误差。

本发明首先提供一种变容器的电容-电压模型的形成方法实施例，包括：提供一种变容器的电容-电压模型的形成方法，包括：在一电压范围内测试变容器的电容值，所述电压具有中点值以及相邻取值之间的间隔值，所述变容器的栅极层的栅极条具有长度L以及宽度W；计算该电压范围内、栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，所述单位电容具有最小值和最大值；采用 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 作为变容器的电容-电压模型，其中，x值为电压，y值为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值；将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最小值作为所述方程中的A1，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最大值作为所述方程中的A2。

首先，采用现有工艺形成变容器，确定变容器的栅极条的长度L及宽度W。

所述变容器结构请继续参照附图1所示，包括：半导体衬底11以及形成于半导体衬底11中的具有第一导电类型的阱12、堆叠于半导体衬底11上的栅介质层13以及栅极层14、位于堆叠的栅介质层13以及栅极层14两侧的具有第一导电类型的阱12内的具有第一导电类型的源/漏极15。所述第一导电类型为n型。所述变容器的栅极层14由至少一个栅极条组成，所述栅极条的数量为小于或等于20。其具体结构示意图如图2所示。栅极层14的形状还具有其它形式，比如叉指形、条形栅及梯形栅等等，在此不应过多限制本发明的保护范围。

由图2可以看出，具有相同尺寸的栅极条14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h、14i、14j共同组成栅极层14。所述变容器的任一栅极条14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h、14i、14j的长度L取值范围为0.5至10μm，所述变容器的任一栅极条14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h、14i、14j的宽度W取值范围为1至10μm。

然后，采用美国安捷伦(Agilent)公司的4284A型号的LCR测试仪在一电压(Vg)范围内测试出变容器的电容值(Cg)，所述电压(Vg)具有中点值以及取值间隔值。所述电压范围为±5V、±3.3V、±2.5V、±1.8V、±1.5V、±1.2V或者±1.0V之间。测试时，将源/漏极15相互连接并且与漏极电压Vd相连，一般情况下，漏极与半导体衬底相连接Vd电压，一般Vd接地，栅极14接信号(signal)源，施加电压为Vg，根据电压的取值间隔值，所述间隔值范围为0.02至0.5V，逐步增加或者减少测试电压，获得不同电压(Vg)下的电容值(Cg)。

计算该压范围内、栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，所述单位电容具有最小值和最大值。具体步骤为：将不同电压(Vg)下变容器的电容值(Cg)除以变容器的栅极层的栅极条的数目N，获得栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，所述单位电容是指栅极条的数目N为1时候的变容器的电容。

采用 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 作为变容器的电容-电压模型，其中，x值为电压，y值为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值；其中x₀和dx为测试过程中已知。

方程 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 中还存在未知常数A1和A2，通过下述步骤确定：将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最小值作为所述方程中的A1，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最大值作为所述方程中的A2。从而确定栅极条长度为L以及宽度为W的变容器单位大小的电容-电压模型。所述变容器的单位电容的最小值为变容器位于深层耗尽区时电容，变容器的单位电容的最大值为变容器位于积累区时电容。当变容器位于深层耗尽区或者积累区时，理想状况下，变容器的电容保持不变。但是实际变容器由于受到制造工艺、测试条件等因素的影响，变容器的电容依然有所波动，但是范围很小。因此在实际操作中，通常取给定测试范围内(及给定的变容器的工作电压范围内)的最小电容确定A1，取给定测试范围内(及给定的变容器的工作电压范围内)的最大电容确定A2。

由于变容器的栅极条尺寸即栅极条的长度L及宽度W影响变容器的阈值电压，从而影响变容器的电容(Cg)-电压(Vg)曲线形状，意即方程 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 中的参数A₁和A₂的值与变容器的栅极条的长度L以及宽度W相关。

作为本发明的一个实施方式，当变容器的栅极条的长度L与宽度W分别为1μm和10μm时，确定一组参数A₁和A₂，与变容器的栅极条数目N无关。

作为本发明的另一个实施方式，当变容器的栅极条的长度L与宽度W分别为0.2μm和5μm时，确定一组参数A₁和A₂，与变容器的栅极条数目N无关。

从方程 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 可以看出，变容器的电容大小与电压相邻取值间隔值有关。本实施例中的电压相邻取值间隔值范围为0.02至0.5V之间，比如当变容器测试电压范围即工作电压范围比较大时，比如为±5V之间时，间隔值为0.1V；当变容器测试电压范围即工作电压范围为±2.5V之间时，间隔值为0.05V；当变容器测试电压范围即工作电压范围为±1.0V之间时，间隔值为0.02V。但是一般情况下，在电压范围内，取值至少为50个点以上。同时根据实验结果，当取值至少为50个以上时，间隔值对变容器的电容值的影响比较小，所以对参数A1和A2的值的影响比较小。

本实施例还提供本变容器的电容-电压模型的形成方法流程图，如图3所示，首先，执行步骤S101，在一电压范围内测试变容器的电容值，所述电压具有中点值以及相邻取值之间的间隔值，所述变容器的栅极层的栅极条具有长度L以及宽度W；执行步骤S102，计算该电压范围内、栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，所述单位电容具有最小值和最大值；执行步骤S103，采用 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 作为变容器的电容-电压模型，其中，x值为电压，y值为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值；执行步骤S104，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最小值作为所述方程中的A1，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最大值作为所述方程中的A2。

相应地，本发明还提供一种变容器的电容-电压模型装置的实施例，包括：包括：测试单元，用于在一电压范围内测试变容器的电容值，获得该电压范围内变容器的单位电容，所述电压具有中点值以及相邻取值之间的间隔值，所述变容器的栅极层的栅极条具有长度L以及宽度W；转换单元，用于计算测试单元的在该电压范围内、栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的变容器的单位电容，所述单位电容具有最小值最大值；曲线方程单元，提供方程 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2,$ 其中，x值为电压，y值为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值；确定参数单元，用于确定曲线方程单元提供的方程中的参数A1和A2，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最小值作为所述方程中的A1，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最大值作为所述方程中的A2。

图4给出本发明的变容器的电容-电压模型形成装置图，包括：

测试单元201，用于在一定电压范围内测试变容器的电容值，获得一定电压范围内变容器的单位电容，所述电压具有中点值以及相邻取值之间的间隔值，所述变容器的栅极层的栅极条具有长度L以及宽度W。所述电压范围为±5V、±3.3V、±2.5V、±1.8V、±1.5V、±1.2V或者±1.0V之间。所述间隔值范围为0.02至0.5V。

所述变容器的栅极条的数量为小于或等于20。

所述变容器的栅极条长度L取值范围为0.5至10μm，所述变容器的栅极条宽度W取值范围为1至10μm。

所述变容器包括位于半导体衬底中的具有第一导电类型的阱、堆叠于半导体衬底上的栅介质条以及栅极条、位于堆叠的栅介质条以及栅极条两侧的具有第一导电类型的阱内的具有第一导电类型的源极和漏极。所述第一导电类型为n型。

转换单元202，用于计算测试单元201的一定电压范围内、栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的变容器的单位电容，所述单位电容具有最小值最大值。具体步骤参照变容器的电容-电压模型的形成方法实施例中相关内容。

曲线方程单元203，提供方程 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2,$ 其中，x值为电压，y值为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值。

确定参数单元204，用于确定曲线方程单元203提供的方程中的参数A1和A2，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最小值作为所述方程中的A1，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的变容器的单位电容的最大值作为所述方程中的A2。从而确定栅极条长度为L以及宽度为W的变容器单位大小的电容-电压模型。所述变容器的单位电容的最小值为变容器位于深层耗尽区时电容，变容器的单位电容的最大值为变容器位于积累区时电容。

基于上述变容器的电容-电压模型形成方法实施例以及变容器的电容-电压模型形成装置，形成本实施例的变容器的电容-电压模型，包括：采用 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 作为变容器的电容-电压模型，其中，x值为电压；y值为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容；x₀为电压的中点值；dx为电压相邻取值之间的间隔值；A1为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最小值；A2为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最大值。

值得注意的是，x₀、dx、A1、A2这里均为已知。

变容器的单位电容的最小值为变容器位于深层耗尽区时电容，变容器的单位电容的最大值为变容器位于积累区时电容。

所述电压范围为±5V、±3.3V、±2.5V、±1.8V、±1.5V、±1.2V或者±1.0V之间。

所述间隔值范围为0.02至0.5V。

所述电压范围为±3.3V、±2.5V、±1.8V或者±1.0V之间。

所述间隔值范围为0.02至0.5V。

本发明还提供一种变容器的电容-电压模型的使用方法实施例，包括如下步骤：a.根据工艺选取变容器的模块库，其中变容器的模块库含有次模块库，所述次模块库含有不同变容器，所述变容器具有与栅极条的长度L和宽度W对应的电容-电压模型；b.根据变容器的工作电压范围，选取变容器的栅极条的长度范围和宽度范围，且在栅极条长度范围和宽度范围内，选取不同栅极条的长度L和宽度W的组合；c.选取栅极条的长度L和宽度W的组合中之一，确定次模块库中的变容器的电容-电压模型，为 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2,$ 其中x值为电压，y值为变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值，A1为最小电容值，A2为最大电容值；d.根据变容器的电容-电压模型以及电路中电容变化量，确定变容器的栅极条数目N；e.把确定的栅极条长度L、宽度W以及栅极条数目N的变容器构成的模块放入电路中进行模拟，若模拟结果符合电路需求，完成模拟过程；若模拟结果不符合电路需求，改变栅极条的数目N继续模拟或者改变栅极条的长度L和宽度W的组合以及栅极条的数目N获取新模块放入电路进行模拟直至符合电路需求。

参照附图5给出变容器的电容-电压模型的使用方法实施例的流程图，首先执行步骤S301，根据工艺选取变容器的模块库，其中变容器的模块库含有次模块库，所述次模块库含有不同变容器，所述变容器具有与栅极条的长度L和宽度W对应的电容-电压模型。不同工艺影响变容器的栅介质极层的厚度、栅极条的长度以及宽度等，因此影响变容器的电容。因此变容器的模模块库根据不同工艺比如0.35μm、0.25μm、0.13μm、0.09μm、0.065μm形成不同次模块库，同时，同一工艺下，变容器的模型受到变容器的栅极条的长度L和宽度W影响，因此每个次模块库根据栅极条的长度L和宽度W对应的电容-电压模型的变容器构成模块。

执行步骤S302，根据变容器的工作电压范围，选取变容器的栅极条的长度范围，且在栅极条长度范围内，选取不同栅极条的长度L和宽度W的组合。由于变容器的栅极条的长度L影响变容器的阈值电压，从而影响变容器的电容-电容曲线的形状，也影响变容器的工作电压范围。所述电压范围为±5V、±3.3V、±2.5V、±1.8V、±1.5V、±1.2V或者±1.0V之间。

执行步骤S303，选取栅极条的长度L和宽度W的组合中之一，确定次模块库中的变容器的电容-电压模型，为 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2,$ 其中x值为电压，y值为变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值，A1为最小电容值，A2为最大电容值。所述间隔值范围为0.02至0.5V。

执行步骤S304，根据变容器的电容-电压模型以及电路中电容变化量，确定变容器的栅极条数目N。变容器的电容-电压模型中y值为栅极条的长度L和宽度W的变容器的单位电容，将y值的最大电容值减去最小电容值然后乘以栅极条数目，获得变容器的电容变化量。

执行步骤S305，把具有确定的栅极条长度L、宽度W以及栅极条数目N的变容器构成的模块放入电路中对电路进行模拟，若模拟结果符合电路需求，完成模拟过程；若模拟结果不符合电路需求，改变栅极条的数目N继续模拟或者改变栅极条的长度L和宽度W的组合以及栅极条的数目N获取新模块放入电路进行模拟直至符合电路需求。在实际模拟过程中，把变容器构成的模块放入电路中之后，模拟出电路的S参数，通过S参数计算获得电路的输出输入阻抗、电路损耗、功率增益、品质因子等参数，衡量这些参数是否符合要求，如果不符合要求，改变模块的栅极条的数目N继续模拟，不改变模型；或者改变栅极条的长度L和宽度W的组合以及栅极条的数目N获取新模块放八电路进行模拟直至符合电路需求。所述判断符合需求和不符合需求过程为将计算获得的上述输出输入阻抗、电路损耗、功率增益、品质因子等参数与设计电路的所需要这些参数的范围进行比较，若落入设计电路的所需要这些参数的范围内，则为符合需求，若在设计电路的所需要这些参数的范围之外，则不符合需求。

所述符合电路需求为电路的输出输入阻抗、电路损耗、功率增益、品质因子等参数在一定电压范围内能够在实际使用中被接受。

这一步最为关键，可能要进行反复多次计算，当一种栅极条长度L和宽度W比较小，计算出来的变容器的电容值比较小，需要的栅极条数目N比较大，大于20时候，这时，可以改变栅极条长度L和宽度W组合，挑选比较大的栅极条长度L和宽度W。

图6是实验数据、现有技术的模型曲线以及本发明的变容器电压-电容模型的曲线。图6为当栅极条的长度L为1μm，宽度W为10μm，栅极条的个数N＝20情况下制备的变容器的测试出的电容(Cg)-电压(Vg)实验数据、现有技术的模型拟合曲线以及本发明的变容器电压-电容模型的拟合曲线，测试的电压为-3.3至3.3V。图6中的实验数据为分立的散点，现有技术的模型拟合曲线为浅灰色曲线，本发明的变容器电压-电容模型的拟合曲线为黑色曲线。由图6可以看出，本发明的变容器电压-电容模型的拟合曲线在-3.3V至3.3V范围与实验数据吻合都较好，而现有技术的模型拟合曲线在-3.3至0V范围内与实验数据吻合度较差，表明本发明的变容器电压-电容模型具有更高的精确度。

图7是当栅极条个数N为1、2、4条件下的变容器的电容-电压测试结果、采用本发明的模型模拟曲线以及采用现有技术的模型的模拟曲线；图8是当栅极条个数为12、20条件下的变容器的电容-电压测试结果、采用本发明的模型模拟曲线以及采用现有技术的模型的模拟曲线。图7和图8中的变容器的栅极条长度L为1μm，宽度W为10μm，温度为T＝25℃。图7和图8中分立散点为实验数据，浅灰色曲线为采用现有技术的模型的模拟曲线，黑色曲线为采用本发明的模型的模拟曲线。可以看出，本发明的模型在整个测试电压范围内均比较吻合，而现有技术的模型的模拟曲线在负电压下与实验数据吻合较差。

S参数是反应器件的高频特性，其中，S参数中的S11和S22反应器件的高频反射特性，S12和S21反应器件的高频传输特性，变容器的S参数通过以下步骤模拟获得：首先确定变容器的等效电路，给定电压值及频率范围，根据实验结果或者模拟结果计算出相应电压值下的变容器的电容值；利用等效电路所模拟的S参数即为变容器的S参数。所述确定变容器的等效电路为本技术领域人员公知技术。图9、图10是分别采用现有技术模拟数据与实验数据获得的S参数的实部，条件为Vg＝0.9V。其中图9是有关S11与S12参数，图10是有关S21与S22参数。可以看出采用现有技术模拟获得的S参数的实部与实验数据在100MHz至10GHz频域内不太吻合。

图11、图12是分别采用本发明技术模拟数据与实验数据获得的S参数的实部，条件为Vg＝0.9V。其中图11是有关S11与S12参数，图12是有关S21与S22参数。可以看出采用本发明技术模拟获得的S参数的实部与实验数据在100MHz至10GHz频域内较为吻合。

图13、图14是分别采用现有技术模拟数据与实验数据获得的S参数的虚部，条件为Vg＝0.9V。其中图13是有关S11与S12参数，图14是有关S21与S22参数。可以看出采用现有技术模拟获得的S12与S21的虚部与实验数据在100MHz至10GHz频域内不太吻合。

图15、图16是分别采用本发明技术模拟数据与实验数据获得的S参数的虚部，条件为Vg＝0.9V。其中图15是有关S11与S12参数，图16是有关S21与S22参数。可以看出采用现有技术模拟获得的S参数的虚部与实验数据在100MHz至10GHz频域内较为吻合。

变容器的品质因子Q是衡量器件存储能力的至关重要的参数，Q值的对于变容器所应用的压控振荡器(VCO)的相噪声因子具有很大影响。Q值的定义是元件之储存电能与消耗电能的比值。在实际计算中，将变容器的S参数转换成Y参数，提取出Y11，Q值通常通过以下公式获得： $Q=\frac{{Y11}_{\mathrm{Im}}}{{Y11}_{\mathrm{Re}}},$ 其中Y11_Im、Y11_Re分别为变容器的Y11的虚部和实部。所述将S参数转换成Y参数为本技术领域人员公知技术。

本发明也探讨了变容器的电容(Cg)-电压(Vg)模型对变容器Q值的影响。图17是在5GHz时候栅极条长L和宽W分别为1μm和10μm，栅极条的个数N＝20的变容器的品质因子Q的实验数据、根据现有技术获得的品质因子Q曲线以及根据本发明的模型获得的品质因子Q曲线。可以看出，与现有技术的模型的拟合曲线相比，采用本发明的模型获得的品质因子Q曲线在-3.3至3.3V范围内与实验数据吻合更好。

图18是在6GHz时候栅极条长L和宽W分别为1μm和10μm，栅极条的个数N＝20的变容器的品质因子的实验数据、根据现有技术获得的品质因子曲线以及根据本发明的模型获得的品质因子曲线。同样，与现有技术的模型的拟合曲线相比，采用本发明的模型获得的品质因子Q曲线在-3.3至3.3V范围内与实验数据吻合更好。

本发明通过采用方程 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 作为变容器的电容-电压模型，根据电压取最小值时的电容值作为A1，将电压取最大值时的电容值作为A2，确定方程中的未知常数A1和A2，降低了电容-电压实验数据与模型曲线之间的误差；降低了变容器的实验数据的S参数与根据模型曲线计算获得的S参数之间的误差；降低了变容器的品质因子Q的实验数据与模型曲线之间的误差。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种变容器的电容一电压模型的形成方法，其特征在于，包括：

在一电压范围内测试变容器的电容值，所述电压具有中点值以及相邻取值之间的间隔值，所述变容器的栅极层的栅极条具有长度L以及宽度W；

计算该电压范围内、栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，所述单位电容具有最小值和最大值，具体计算步骤为：将不同电压(Vg)下变容器的电容值(Cg)除以变容器的栅极层的栅极条的数目N，获得栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，所述单位电容是指栅极条的数目N为1时候的变容器的电容；

所述变容器的栅极条长度L取值范围为0.5至10μm，所述变容器的栅极条宽度W取值范围为1至10μm，构成变容器的栅极层的栅极条的数量为小于或等于20；

采用方程 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$ 作为变容器的电容-电压模型，其中，x值为电压，y值为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值；

将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最小值作为所述方程中的A1，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最大值作为所述方程中的A2。

2.根据权利要求1所述的变容器的电容-电压模型的形成方法，其特征在于，所述变容器的单位电容的最小值为变容器位于深层耗尽区时电容，变容器的单位电容的最大值为变容器位于积累区时电容。

3.根据权利要求1所述的变容器的电容-电压模型的形成方法，其特征在于，所述电压范围为±5V、±3.3V、±2.5V、±1.8V、±1.5V、±1.2V或者±1.0V之间。

4.根据权利要求1所述的变容器的电容-电压模型的形成方法，其特征在于，所述间隔值范围为0.02至0.5V。

5.根据权利要求1所述的变容器的电容-电压模型的形成方法，其特征在于，所述变容器包括位于半导体衬底中的具有第一导电类型的阱、堆叠于半导体衬底上的栅介质层以及由栅极条组成的栅极层、位于堆叠的栅介质层以及栅极层两侧的具有第一导电类型的阱内的具有第一导电类型的源/漏极。

6.根据权利要求5所述的变容器的电容-电压模型的形成方法，其特征在于，所述第一导电类型为n型。

7.一种变容器的电容-电压模型形成装置，其特征在于，包括：

测试单元，用于在一电压范围内测试变容器的电容值，获得该电压范围内变容器的单位电容，所述电压具有中点值以及相邻取值之间的间隔值，所述变容器的栅极层的栅极条具有长度L以及宽度W；

转换单元，用于计算测试单元的在该电压范围内、栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，所述单位电容具有最小值最大值，具体计算步骤为：将不同电压(Vg)下变容器的电容值(Cg)除以变容器的栅极层的栅极条的数目N，获得栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，所述单位电容是指栅极条的数目N为1时候的变容器的电容；

所述变容器的栅极条长度L取值范围为0.5至10μm，所述变容器的栅极条宽度W取值范围为1至10μm，构成变容器的栅极层的栅极条的数量为小于或等于20；

曲线方程单元，提供方程 $y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2,$ 其中，x值为电压，y值为栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容，x₀为电压的中点值，dx为电压相邻取值之间的间隔值；

确定参数单元，用于确定曲线方程单元提供的方程中的参数A1和A2，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最小值作为所述方程中的A1，将栅极条长度为L以及宽度为W的变容器的单位电容的最大值作为所述方程中的A2。

8.根据权利要求7所述的变容器的电容-电压模型形成装置，其特征在于，变容器的单位电容的最小值为变容器位于深层耗尽区时电容，变容器的单位电容的最大值为变容器位于积累区时电容。

9.根据权利要求7所述的变容器的电容-电压模型形成装置，其特征在于，所述电压范围为±5V、±3.3V、±2.5V、±1.8V、±1.5V、±1.2V或者±1.0V之间。

10.根据权利要求7所述的变容器的电容-电压模型形成装置，其特征在于，所述间隔值范围为0.02至0.5V。

11.根据权利要求7所述的变容器的电容-电压模型形成装置，其特征在于，所述变容器包括位于半导体衬底中的具有第一导电类型的阱、堆叠于半导体衬底上的栅介质层以及由栅极条构成的栅极层、位于堆叠的栅介质层以及栅极层两侧的具有第一导电类型的阱内的具有第一导电类型的源/漏极。

12.根据权利要求11所述的变容器的电容-电压模型形成装置，其特征在于，所述第一导电类型为n型。

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