CN101996263B - 一种拟合积累型mos变容管的电学特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法，采用公式

计算积累型MOS变容管的电容值Cap；其中，Vgs是积累型MOS变容管栅极与源极之间所加的电压值，并且栅极作为可变电压端，源极和漏极短接作为参考电压端；tanh()是双曲正切函数；c1＝a+b×Wg+c×Lg+d×Wg×Lg，c2＝e×Wg×Lg，a、b、c、d和e均为常数，取值范围在0到10之间；Wg和Lg分别为积累型MOS变容管的沟道宽度和沟道长度；c3和c4为常数，取值范围在-2到2之间。该方法对各种不同沟道长度、沟道宽度的积累型MOS变容管具有良好的拟合能力。

Description

一种拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的拟合方法，特别是涉及一种MOS变容管的拟合方法。

背景技术

MOS变容管(MOS varactor)是半导体射频集成电路中常采用的射频器件之一，常用的MOS变容管包括反型(Inversion Mode)和积累型(Accumulation Mode)两种。

请参阅图1，这是一个积累型MOS变容管示意图。其中G、S和D分别表示MOS变容管的栅极、源极和漏极，n+、n-和p+分别表示n型重掺杂区、n型轻掺杂区和p型重掺杂区。积累型MOS变容管是nnp型MOS管，即在PMOS的基础上将源、漏的p型重掺杂区换为n型重掺杂区。

在实际工作时，积累型MOS变容管的栅极G作为器件可变电压端，源极S和漏极D短接作为器件参考电压端，其电容随着栅极G与源极S之间的电压(扫描电压)值的变化而变化。一个典型的积累型MOS变容管的调制特性曲线如图2所示，积累型MOS变容管只工作在耗尽区和积累区。

积累型MOS变容管的电学模型及模型参数提取方法是射频集成电路领域中一个重要的研发领域。目前的积累型MOS变容管的电学模型往往过于简单，缺乏对不同尺寸器件调制特性的拟合能力，在模拟精度还达不到射频集成电路设计精度的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法，其对不同尺寸的积累型MOS变容管都具有良好的拟合能力。

为解决上述技术问题，本发明拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法包括如下步骤：

首先，选定与积累型MOS变容管的调制特性曲线相似的双曲正切函数 $y=\tanh \left(x\right)=\frac{e^x-e^{-x}}{e^x+e^{-x}}$ 作为基本函数；

然后将基本函数修饰、变形为拟合函数其中Cap是积累型MOS变容管的电容值；Vgs是积累型MOS变容管栅极与源极之间所加的电压值，并且栅极作为可变电压端，源极和漏极短接作为参考电压端；tanh()是双曲正切函数；

c1用于拟合积累型MOS变容管的栅边缘耦合电容，对应积累型MOS变容管的调制特性曲线的左侧耗尽区的最低值；

c1＝a+b×Wg+c×Lg+d×Wg×Lg

c2用于拟合积累型MOS变容管的栅氧化层电容，对应积累型MOS变容管的调制特性曲线的右侧积累区的最高值；

c2＝e×Wg×Lg

a、b、c、d和e均为常数，取值范围在0到10之间；

Wg和Lg分别为积累型MOS变容管的沟道宽度和沟道长度；

c3和c4共同拟合积累型MOS变容管的调制特性曲线从耗尽区的最低值变为积累区的最高值的曲线变化段；

c3和c4为常数，取值范围在-2到2之间；

最后，调节c1使拟合函数曲线与积累型MOS变容管的调制特性曲线的左侧耗尽区保持一致；调节c2使拟合函数曲线与积累型MOS变容管的调制特性曲线的右侧积累区保持一致；调节c3和c4使拟合函数曲线与积累型MOS变容管的调制特性曲线从耗尽区的最低值到积累区的最高值的曲线变化段保持一致。

本发明在反复试验的基础上给出了一种拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法，该方法将MOS管的沟道宽度和沟道长度作为模型参数的一部分，从而对各种不同沟道宽度、沟道宽度的积累型MOS变容管具有了良好的拟合能力，较大地提高模型对测试图形设计的效率性和实用性。

附图说明

图1是积累型MOS变容管的结构示意图；

图2是积累型MOS变容管的调制特性曲线示意图；

图3是双曲正切函数曲线的示意图；

图4(a)、图4(b)是两种MOS管沟道区的版图设计基本单元的示意图；

图5是采用本发明所述模型进行模拟仿真的结果示意图。

具体实施方式

本发明对积累型MOS变容管的电学特性的拟合方法分为两步。

第一步是选定基本函数。将积累型MOS变容管的调制特性曲线与数学领域常用函数的曲线对比后发现，双曲正切函数的曲线与之较为相似。

请参阅图3，这是双曲正切函数的基本曲线，

曲线在水平直线y＝1及y＝-1之间，在任意x范围内单调增。

第二步是对基本函数进行修饰、变形。在双曲正切函数的基础上，考虑积累型MOS变容管的物理意义，确定一个或多个模型参数。

经过反复试验、比较，最终确定的拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法是：

采用公式

计算积累型MOS变容管的电容值Cap。

其中，Vgs是积累型MOS变容管栅极与源极之间所加的电压值，并且栅极作为可变电压端，源极和漏极短接作为参考电压端。tanh()是双曲正切函数。c1、c2、c3、c4都是模型参数。

本发明中的各个模型参数都具有较强的物理意义。其中c1主要用于拟合积累型MOS变容管的栅边缘耦合电容，对应的数据区域在图2中调制特性曲线的左侧耗尽区的最低值。c2主要用于拟合积累型MOS变容管的栅氧化层电容，对应的数据区域在图2中调制特性曲线的右侧积累区的最高值。c3和c4共同拟合Vgs＝0V附近的数据曲线，即图2中从耗尽区的最低值变为积累区的最高值的曲线变化段。由于上述各模型参数较强的物理意义，在具体模型参数的提取时，整个流程变得简洁明了。调节c1的数值直到特性曲线的左侧耗尽区的模拟曲线和数值曲线保持一致；调节c2的数值直到特性曲线的右侧积累区的模拟曲线和数值曲线保持一致；调节c3和c4的数值直到特性曲线Vgs＝0V附近的模拟曲线和数值曲线保持一致。

半导体业界在使用积累型MOS变容管时，会经历版图设计、电路设计、实际制造等多个阶段。本申请所提供的拟合方法主要用于电路设计阶段。

请参阅图4(a)，传统地对积累型MOS变容管进行版图设计时，对MOS管的沟道区采用的是面积型的图形结构，即整个沟道区是一块Lg×Wg的矩形，Lg是MOS管的沟道长度，也称为栅长；Wg是MOS管的沟道宽度，也称为栅宽。Lg≤Wg≤10Lg，Lg和Wg都在10^-6m～10^-4m的数量级范围内即1×10^-6m≤Lg，Wg＜1×10^-3m。这种版图设计所对应的后续电路设计，就认为积累型MOS变容管的电容值与其沟道长度、沟道宽度无关，因此目前的拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法不将MOS管的沟道长度、沟道宽度作为模型参数的一部分。

请参阅图4(b)，为了提高器件的品质因数，目前在对积累型MOS变容管进行版图设计时，采用了长条形的图形结构，即整个沟道区是多块Lg×Wg的矩形MOS管单元拼接而成。这种版图设计中由于多块矩形MOS管单元拼接相当于并联，因此在电学意义上整个MOS管的沟道长度相当于单个MOS管单元的沟道长度仍然是Lg，整个MOS管的沟道宽度即单个MOS管单元的沟道宽度是Wg。Wg＞10Lg，Lg和Wg都在10^-6m～10^-4m的数量级范围内即1×10^-6m≤Lg，Wg＜1×10^-3m。试验证明，采用长条形的图形结构进行版图设计后，所对应的后续电路设计中，积累型MOS变容管的电容值与其沟道长度、沟道宽度具有很强的关联，特别是栅边缘耦合电容。因此，有必要在拟合方法中引入和器件尺寸(Lg和Wg)相关的模型参数。

本发明所提供的拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法就特别适合应用于长条形图形结构的版图设计之后的电路设计中，当然也可用于传统的面积型图形结构的版图设计之后的电路设计中。

本发明中的各个模型参数中，c3和c4为常数，取值范围在-2到2之间。

c1＝a+b×Wg+c×Lg+d×Wg×Lg

c2＝e×Wg×Lg

a、b、c、d和e均为常数，取值范围在0到10之间；

Wg和Lg分别为积累型MOS变容管的沟道宽度和沟道长度。对于面积型图形结构的版图设计，Lg是MOS管的沟道长度。对于长条形图形结构的版图设计，Lg是单个MOS管单元的沟道长度，即其中一块矩形MOS管单元在沟道长度方向上的边长。

在一个具体的实施例中，本发明测量一个0.13μm工艺的积累型MOS变容管的电容Cap与扫描电压Vgs的曲线，同时采用本发明所述拟合方法进行模拟计算，其中各参数取值为a＝0.6，b＝0.5，c＝0.2，d＝1.3，e＝8.0，c3＝-0.21，c4＝0.27，则 $\mathrm{Cap}=0.6+0.5\mathrm{Wg}+0.2\mathrm{Lg}+1.3\×\mathrm{Wg}\×\mathrm{Lg}+8.0\×\mathrm{Wg}\×\mathrm{Lg}\×[1+\tanh \left(\frac{\mathrm{Vgs}-0.21}{0.27}\right)].$ 请参阅图5，根据SPICE软件模拟仿真，基于本发明的模型得到的电容值(图中的空心方块)与真实测量得到的电容值(曲线)可以良好地拟合。

综上所述，本发明提供了一种新的拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法，该方法考虑了不同器件尺寸(MOS管的沟道长度和沟道宽度)对积累型MOS变容管的氧化层电容和栅边缘耦合电容的影响，采用了与器件尺寸相关的模型参数，使拟合的仿真结果能完整、准确地反映不同尺寸积累型MOS变容管的器件特性。

Claims (3)

1.一种拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法，其特征是，包括如下步骤：

首先，选定与积累型MOS变容管的调制特性曲线相似的双曲正切函数 

作为基本函数；

然后将基本函数修饰、变形为拟合函数 

其中Cap是积累型MOS变容管的电容值；Vgs是积累型MOS变容管栅极与源极之间所加的电压值，并且栅极作为可变电压端，源极和漏极短接作为参考电压端；tanh()是双曲正切函数；

c1用于拟合积累型MOS变容管的栅边缘耦合电容，对应积累型MOS变容管的调制特性曲线的左侧耗尽区的最低值；

c1＝a+b×Wg+c×Lg+d×Wg×Lg

c2用于拟合积累型MOS变容管的栅氧化层电容，对应积累型MOS变容管的调制特性曲线的右侧积累区的最高值；

c2＝e×Wg×Lg

a、b、c、d和e均为常数，取值范围在0到10之间；

Wg和Lg分别为积累型MOS变容管的沟道宽度和沟道长度；

c3和c4共同拟合积累型MOS变容管的调制特性曲线从耗尽区的最低值变为积累区的最高值的曲线变化段；

c3和c4为常数，取值范围在-2到2之间；

最后，调节c1使拟合函数曲线与积累型MOS变容管的调制特性曲线的左侧耗尽区保持一致；调节c2使拟合函数曲线与积累型MOS变容管的调制 特性曲线的右侧积累区保持一致；调节c3和c4使拟合函数曲线与积累型MOS变容管的调制特性曲线从耗尽区的最低值到积累区的最高值的曲线变化段保持一致。

2.根据权利要求1所述的拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法，其特征是，所述积累型MOS变容管在版图设计中采用面积型图形结构的沟道区，即整个沟道区为一块Lg×Wg的矩形；其中Lg和Wg分别是MOS管的沟道长度和沟道宽度，Lg≤Wg≤10Lg，1×10^-6m≤Lg，Wg＜1×10^-3m。

3.根据权利要求1所述的拟合积累型MOS变容管的电学特性的方法，其特征是，所述积累型MOS变容管在版图设计中采用长条形图形结构的沟道区，即整个沟道区为多块Lg×Wg的矩形MOS管单元；Lg为单个MOS管单元的沟道长度，Wg为MOS管的沟道宽度，Wg＞10Lg，1×10^-6m≤Lg，Wg＜1×10^-3m。 

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