CMOS RF模型設(shè)計(jì)指南

最近幾年，我們已經(jīng)開(kāi)始看到一些有關(guān)射頻(RF)CMOS工藝的參考文獻(xiàn)和針對(duì)這些工藝的RF模型參考文獻(xiàn)。本文將探討這類(lèi)RF所指代的真正含義，并闡述它們對(duì)RF電路設(shè)計(jì)人員的重要性。

我們可以從三個(gè)角度對(duì)RF CMOS設(shè)計(jì)進(jìn)行探討：首先，低頻模擬設(shè)計(jì)人員正在將其設(shè)計(jì)提升到更高頻率；其次，分立RF/微波設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)而借助集成手段；最后，設(shè)計(jì)人員將串行器/解串器(SERDES)這樣的數(shù)字電路提升到工藝能夠支持的最高頻率。在上述三種情況下，RF CMOS設(shè)計(jì)都大有幫助，我們也將從這些視角出發(fā)，來(lái)解釋RF CMOS本身與為其建模有何不同。

襯底

面向傳統(tǒng)數(shù)字應(yīng)用的CMOS使用已經(jīng)發(fā)展到采用低電阻率的大塊襯底(圖1)，并將器件做到一個(gè)薄的高電阻率外延層上，這樣的做法往往能夠同時(shí)優(yōu)化閂鎖(latchup)性能和良品率。

為了保持復(fù)雜數(shù)字電路布線(xiàn)的靈活性，多個(gè)金屬互連層在厚度上趨于一致，這使得所有金屬層都具有幾乎相同的布線(xiàn)能力。

對(duì)低頻模擬/數(shù)字設(shè)計(jì)人員而言，這是一個(gè)相對(duì)理想的襯底：從(接地)襯底返回的寄生電容與我們所關(guān)注頻段內(nèi)的容性阻抗相比，阻抗相當(dāng)小。所以，簡(jiǎn)單地提取寄生電容就能非常有效地預(yù)測(cè)實(shí)際性能。但是RF設(shè)計(jì)人員將會(huì)發(fā)現(xiàn)4個(gè)不盡如人意之處：a)襯底上的低阻抗實(shí)際上將寄生電容最大化了，而附著在襯底上氧化物內(nèi)的金屬互連所形成的導(dǎo)線(xiàn)，則最終導(dǎo)致相對(duì)低的特征阻抗；b)構(gòu)建在襯底上的線(xiàn)圈與一個(gè)短路線(xiàn)圈(即襯底本身)緊密耦合，從而略微降低了電感值及Q值；c)到達(dá)襯底的電流，無(wú)論是容抗電流還是線(xiàn)圈的感應(yīng)電流，都會(huì)在低阻的襯底上自由地流經(jīng)很長(zhǎng)的距離；d)試圖通過(guò)并聯(lián)金屬層提升線(xiàn)圈Q值的努力收效甚微，因?yàn)槿绻紫仁褂米罾硐氲捻攲?，那么其它附加層就?huì)更加靠近襯底的短路線(xiàn)圈，所以并聯(lián)幾乎沒(méi)有實(shí)質(zhì)改善。

那么，與剛才描述的普遍的數(shù)字變異相比，RF CMOS工藝到底是什么呢？在許多情況下，它可以簡(jiǎn)單地被認(rèn)為是使整個(gè)襯底在典型的“數(shù)字”工藝中擁有高電阻率外延層的工藝(圖2)。



圖1：基本數(shù)字CMOS模型構(gòu)建在作為底基的低電阻系數(shù)大襯底上。

現(xiàn)在，RF設(shè)計(jì)人員卻發(fā)現(xiàn)了一些完全不同的狀況：高度絕緣的襯底實(shí)際上生成了一個(gè)與每個(gè)寄生電容串連的第二電容(因?yàn)榻^緣體很厚，所以容值不大)，從功能上看被相對(duì)較高的襯底阻抗分流了。

寄生電容獲得了一系列額外且重要的電阻分量，具有如下一些積極效應(yīng)：諸如結(jié)合區(qū)底端電容這樣的大型寄生電容，在較高頻率下具有近似恒定的阻抗，因?yàn)橐r底阻抗反過(guò)來(lái)支配著上述容性寄生電容；線(xiàn)圈Q值的提高明顯歸功于襯底短路被削弱時(shí)產(chǎn)生的高阻抗，襯底電流傾向于被顯著的襯底旁路阻抗約束和限制，從而使絕緣性得以提高。

針對(duì)更高線(xiàn)圈Q值的并聯(lián)金屬層帶來(lái)了更好的結(jié)果，一般來(lái)說(shuō)，增加較厚頂層金屬層(有時(shí)采用傳導(dǎo)性能更高的銅代替鋁)的目的就是大幅提升線(xiàn)圈Q值。注意：用這種RF襯底構(gòu)建的器件與數(shù)字工藝本質(zhì)上擁有相同基本特征，在兩種情況下，形成器件的最上層幾個(gè)微米厚度具有相同的電阻系數(shù)。

BSIM3模型

BSIM3模型無(wú)所不在，多數(shù)CMOS設(shè)計(jì)人員都曾接觸過(guò)不同版本的BSIM3模型，例如BSIM3v2或其它。將CMOS商用對(duì)其成功而言十分重要，因?yàn)樵撃Ｐ蛯⒒谖锢砗徒?jīng)驗(yàn)的參數(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，并且很容易就可以適用于新工藝。物理分析能夠預(yù)測(cè)出當(dāng)物理尺度減小時(shí)會(huì)發(fā)生什么，而經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)則允許對(duì)被制造器件的非一致單元進(jìn)行有用的近似。重要的是，RF設(shè)計(jì)人員要了解在較高頻率下這種重要的建模技術(shù)意味著什么，所以我們接下來(lái)會(huì)描述典型的代工廠是如何生成這樣一種模型的。

模型參數(shù)的填充通常是這樣完成的：即制造各種不同溝道寬度和長(zhǎng)度的器件，然后對(duì)器件進(jìn)行直流曲線(xiàn)記錄以生成描述跨導(dǎo)和阻抗的參數(shù)。之后，再進(jìn)行低頻電容測(cè)量以填入容性參數(shù)。典型情況下，將采用類(lèi)似Hspice Optimizer的優(yōu)化器對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以便在實(shí)際數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)之間得到最佳匹配。當(dāng)在器件整個(gè)可能的尺度范圍內(nèi)，最終得到的數(shù)據(jù)沒(méi)能與預(yù)期值吻合得恰到好處，那么建模者可能會(huì)對(duì)模型進(jìn)行臨時(shí)性存儲(chǔ)(bin)，例如，使模型按照器件的各種尺度進(jìn)行分支以形成多模參數(shù)集，每個(gè)參數(shù)集在其對(duì)應(yīng)的較小器件尺度范圍進(jìn)行優(yōu)化。這就使BSIM3成為一種“緊湊模型”，能夠很好地適應(yīng)執(zhí)行速度很快的模擬器，還可以在版圖中與P核(可調(diào)整尺寸參數(shù)的物理版圖單元)一起使用，從而賦予設(shè)計(jì)師極大的靈活性。

值得重點(diǎn)指出的是它的欠缺之處：器件的某些屬性沒(méi)能夠進(jìn)行測(cè)量或輸入到模型(一個(gè)重要的例子是與柵多晶硅相關(guān)的阻抗)；此外，它沒(méi)有進(jìn)行任何高頻測(cè)量。所以，該模型在高頻條件下的有效性?xún)H僅取決于其生成的等效電路的頻率函數(shù)的準(zhǔn)確性。幸運(yùn)的是，對(duì)多數(shù)應(yīng)用而言，這樣的準(zhǔn)確性已經(jīng)足夠，而商用CMOS設(shè)計(jì)所獲得的大量應(yīng)用就是很好的證明。但是現(xiàn)在讓我們仔細(xì)檢查一下RF設(shè)計(jì)人員將會(huì)發(fā)現(xiàn)哪些不足。

如果你對(duì)一款由掃頻源驅(qū)動(dòng)的BSIM3器件進(jìn)行仿真，并觀察輸入到柵極的AC電流相對(duì)于電壓的相位角，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它保持在90°。在高頻時(shí)，器件輸入未能呈現(xiàn)明顯阻抗，但是由于多晶硅柵的串聯(lián)電阻影響，這種情況在實(shí)際中確實(shí)存在。

這種現(xiàn)象是如何變成一個(gè)設(shè)計(jì)難題的呢？RF器件的最小噪聲系數(shù)通常發(fā)生在電源阻抗逼近總串聯(lián)噪聲源(例如與1/Gm相關(guān)的有效阻抗加上柵有效串聯(lián)阻抗)與并聯(lián)等效輸入阻抗的幾何平均數(shù)時(shí)，此時(shí)器件的信/噪比為最優(yōu)。但是BSIM3并沒(méi)有將柵阻抗作為一個(gè)噪聲源，也就是說(shuō)沒(méi)有將其串入輸入電容，所以柵阻抗在給定頻率下并沒(méi)有成為一個(gè)并聯(lián)輸入阻抗。

這樣，就不太可能確定適宜的RF噪聲匹配，也無(wú)法利用BSIM3模型準(zhǔn)確仿真RF噪聲性能。在輸入阻抗建模時(shí)未能加入并聯(lián)電阻分量，對(duì)類(lèi)似SERDES這樣的高速數(shù)字應(yīng)用將產(chǎn)生影響：未能建模的部分，削弱了連同頻率在內(nèi)的并聯(lián)電阻輸入分量，從而導(dǎo)致GHz范圍內(nèi)的頻率域和延時(shí)行為都發(fā)生明顯錯(cuò)誤。

多年以來(lái)，這種現(xiàn)象一直存在，而原因就在于主要的CMOS代工廠的建模部門(mén)不但對(duì)該問(wèn)題缺乏了解，而且沒(méi)有在較高頻率下對(duì)其工藝進(jìn)行評(píng)估的設(shè)備。最終，這種在仿真和實(shí)際中RF應(yīng)用所表現(xiàn)出來(lái)的性能差異不能再被忽略，而設(shè)計(jì)人員也正在試圖改善上述結(jié)果。但是既然BSIM3模型對(duì)大批CMOS設(shè)計(jì)人員而言仍然十分有效，那么最初就改善性能所作的嘗試可能會(huì)在BSIM模型之外另起爐灶，而不是對(duì)BSIM進(jìn)行重大改動(dòng)。

“BSIM3+支電路”模型

對(duì)RF應(yīng)用而言，BSIM3模型的根本問(wèn)題并不是其本身有什么錯(cuò)誤，而是它忽略了對(duì)高頻操作產(chǎn)生影響的某些物理因素。我們可以通過(guò)下面的情況來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題：某些代工廠已經(jīng)將用于數(shù)字版工藝完全一模一樣的BSIM3模型用于RF支電路中。但是有關(guān)BSIM3模型是如何提取，從而導(dǎo)致在具有相同器件級(jí)電阻系數(shù)的外延層與非一致襯底中實(shí)施了不同填充的情況我們不得而知。

但是在較高頻率下，襯底二極管的漏級(jí)和源極的可感知阻抗回流，以及背柵(back-gate)回流，可能都不會(huì)無(wú)關(guān)緊要。通常情況下，用于不同RF器件的物理布局是不同的，常常采用重量級(jí)柵凸(gate-head)連接(甚至可能是雙凸柵)來(lái)最小化柵電阻，但是這種作法由于改變了尺寸從而也改變了交叉和寄生電容。



圖3：簡(jiǎn)單改善BSIM3模型，提高其準(zhǔn)確性。

所以，通過(guò)將BSIM3模型納入一個(gè)支電路中很容易就可以獲得某些改進(jìn)(圖3)，上述支電路中增加了無(wú)源電阻和電容；另外，有的時(shí)候還會(huì)用替換BSIM3中二極管源漏級(jí)建模的方式來(lái)反映襯底變化。

每器件單位寬度(device width per finger)一般固定為1或更小值，在該條件下，在公共操作點(diǎn)就可以提取支電路參數(shù)值。

但是為了優(yōu)化RF建模，上述方法只是漫長(zhǎng)道路中的一個(gè)步驟，因?yàn)楝F(xiàn)在還有一些很重要的問(wèn)題尚待解決：

1：模擬速度下降。隨著支電路的引入增加了元件數(shù)量，其對(duì)速度的影響超過(guò)了對(duì)緊湊模型復(fù)雜度的影響。

2：支電路通常使用固定的無(wú)源器件來(lái)取代實(shí)際由電壓決定的一些效應(yīng)，這樣做會(huì)使失真和電源效率預(yù)測(cè)結(jié)果比預(yù)期要差；另外，模型在操作節(jié)點(diǎn)處的精度較特殊操作節(jié)點(diǎn)(進(jìn)行提取工作)有所下降。

3：對(duì)支電路元件值高度依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提取的作法，抑止了P核在物理布局中的使用以及在設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單改變器件尺寸的行為，因?yàn)橛沙叨葲Q定的支電路元件值存在于緊湊模型之外，而且其對(duì)物理的高度依賴(lài)性能夠充分預(yù)測(cè)提取點(diǎn)間的行為。尺度界定通常受限于僅能選擇固定寬度的單位值。

因此，如我們?cè)谝粋€(gè)將源接地的CMOS器件中采取雙端口S參數(shù)數(shù)據(jù)，然后在同一個(gè)測(cè)試電路將其作為一個(gè)BSIM3模型利用模擬器進(jìn)行觀察，將不會(huì)產(chǎn)生良好的數(shù)據(jù)匹配。如果將該器件放在支電路中，這個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)找到匹配，但是僅限于局部范圍，因?yàn)樵S多元件值會(huì)根據(jù)不同的操作點(diǎn)發(fā)生變化。但是近幾年來(lái)，這個(gè)方法仍稱(chēng)得上是最好的可行方法，借助該方法成功完成了多項(xiàng)設(shè)計(jì)。

BSIM4是一種替代方案嗎？

幸運(yùn)的是，行業(yè)主流一如既往繼續(xù)前進(jìn)。器件溝道越來(lái)越短與許多設(shè)計(jì)中不斷增加的頻率相結(jié)合，使得BSIM3的缺陷益發(fā)明顯，從而也令BSIM4浮出水面。作為RF設(shè)計(jì)師你需要明白，BSIM4模型可能取得更好的效果，但這也并非放之四海而皆準(zhǔn)。

這是因?yàn)?，傳統(tǒng)的模型參數(shù)填充方法不包含高頻相關(guān)性，而且許多改善高頻精度的參數(shù)或者被置之度外，或者被避而不用，從而使得默認(rèn)的高頻行為在整個(gè)BSIM3中沒(méi)有任何改進(jìn)。與BSIM3不同，如果能夠發(fā)揮BSIM4的全部能力，那么在最高頻率條件下，BSIM4能夠在全部操作狀態(tài)中良好或很好地匹配S參數(shù)數(shù)據(jù)。所以，如果代工廠(或服務(wù)商能夠提供)經(jīng)過(guò)高頻關(guān)聯(lián)修正的BSIM4模型，那么該模型將比“BSIM4+支電路”模型更為優(yōu)秀。

同樣，BSIM4包括背柵阻抗參數(shù)，若對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行正確添加，就能夠改善背柵建模效果。但是目前，幾乎沒(méi)有幾家代工廠擁有為利用該能力而開(kāi)發(fā)的合適的測(cè)試構(gòu)造。

雖然BSIM4可能代表著在RF建模速度和精度方面的重要進(jìn)展，但是它并非完美無(wú)缺，目前發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)問(wèn)題是：

1：BSIM4不包括多晶硅柵損耗效應(yīng)，該效應(yīng)在0.1-10GHz范圍內(nèi)，會(huì)隨著頻率降低改變(增加)串聯(lián)等效輸入阻抗。這些效應(yīng)可作為外加RC支電路添加到BSIM3或BSIM4模型，但是阻抗和容抗是高度非線(xiàn)性的，所以，我們又將回到在一個(gè)工作點(diǎn)對(duì)提取數(shù)據(jù)進(jìn)行單點(diǎn)匹合(spot-fitting)的狀態(tài)中。業(yè)界觀察家最近指出，沒(méi)能將多晶硅損耗效應(yīng)包括在內(nèi)，可能對(duì)面向變化數(shù)據(jù)周期長(zhǎng)度的SERDES建模產(chǎn)生顯著影響，也會(huì)對(duì)相應(yīng)的超寬帶物理層(UWB PHY)等超高帶寬RF應(yīng)用產(chǎn)生影響。

2：BSIM4模型目前還不是完全對(duì)稱(chēng)的，這意味著它不能在接近0V泄漏電壓的情況下準(zhǔn)確工作，在這種情況下，源級(jí)和漏級(jí)會(huì)相互交換，所以將這種電路作為無(wú)源FET混頻器和衰減器進(jìn)行仿真將無(wú)法達(dá)到典型的上拉漏級(jí)(drain-elevated)所得到的精確度。

目前BSIM委員會(huì)正在忙于解決BSIM5的對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，雖然在BSIM5中，多晶硅損耗建模獲得了哪些進(jìn)展尚未對(duì)外公布，但在該領(lǐng)域進(jìn)行的研究可能最終一攬子解決BSIM5的問(wèn)題。

結(jié)論

對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，更多的了解CMOS模型遠(yuǎn)比他們是否被冠以與“RF”沾邊的頭銜要重要。一個(gè)與RF良好關(guān)聯(lián)的BSIM4模型，能夠在從直流到微波頻段的所有操作條件下取得高度準(zhǔn)確的結(jié)果，而一個(gè)精雕細(xì)琢的“RF支電路”模型，則僅適合于一個(gè)很窄的條件范圍。在你的目標(biāo)工藝中，先要尋找模型中進(jìn)行了哪類(lèi)高頻關(guān)聯(lián)，然后考慮若不進(jìn)行這些高頻關(guān)聯(lián)會(huì)對(duì)你的設(shè)計(jì)產(chǎn)生怎樣的影響。