專利名稱：建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法。
背景技術(shù)：
場(chǎng)效晶體管(Metal Oxide Semiconductor，MOS)是半導(dǎo)體集成電路中一種重要的 半導(dǎo)體器件，在集成電路工藝領(lǐng)域中被廣泛的應(yīng)用。為了預(yù)測(cè)場(chǎng)效晶體管器件在所處的環(huán) 境中的性能和可靠性，需要對(duì)場(chǎng)效晶體管進(jìn)行仿真。SPICE (Simulation Program with Intergraded Circuit Emphasis)是器件設(shè)計(jì) 行業(yè)應(yīng)用最為普遍的電路級(jí)模擬程序，各軟件廠家提供了 Vspice、Hspice、Pspice等不同 版本SPICE軟件，這些軟件的仿真核心大同小異，都采用了美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克萊分 校開發(fā)的SPICE模擬算法。通常，電路中的元件都可能會(huì)產(chǎn)生各種各樣的噪聲。場(chǎng)效晶體管可以被認(rèn)為是一 個(gè)微型的電路結(jié)構(gòu)，包括各種各樣的電阻、電容和有源器件。對(duì)于場(chǎng)效晶體管來(lái)說(shuō)，可能包 括柵極、源極及漏極上的熱噪聲、溝道中的熱噪聲和1/f噪聲，襯底上的熱噪聲和柵極上的 感應(yīng)噪聲等。其中，i//f噪聲一般來(lái)說(shuō)是一種低噪聲，由于它的增幅與頻率成反比，故此得 名。Ι/f噪聲主要影響運(yùn)行于低頻率環(huán)境下的電子器件，但是在一些射頻電路中，如混頻器、 放大器和分頻器中，ι/f噪聲在高頻區(qū)域?qū)τ陔娐返挠绊懸苍絹?lái)越大，可能會(huì)導(dǎo)致信噪比惡 化等后果。對(duì)于電路設(shè)計(jì)和電路分析來(lái)說(shuō)，擁有一個(gè)能夠精確模擬噪聲的模型是必須的?，F(xiàn)今建立模型的方法簡(jiǎn)單地說(shuō)是通過(guò)分析測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，找到這些數(shù)據(jù)的規(guī) 律，例如受電壓或電流影響的變化，再用數(shù)學(xué)方法找到能夠描述這種規(guī)律的方程。例如， 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為 0-471-49869-6 的一篇名為《Device Modeling for Analog and RF CMOS Circuit Design》的文獻(xiàn)中提及了一種場(chǎng)效晶體管的噪聲模型的電路，用一些電流參數(shù)來(lái) 作為噪聲的主要相關(guān)因素，例如，用漏極電流的二次方來(lái)作為場(chǎng)效晶體管溝道中Ι/f噪聲 的主要相關(guān)因素，并通過(guò)結(jié)合其他一些例如頻率、單位面積的柵極氧化層電容和溝道長(zhǎng)度 等來(lái)構(gòu)成方程描述Ι/f噪聲的變化規(guī)律。在電路設(shè)計(jì)和電路分析中，一般是在一些例如直流、交流、小信號(hào)和瞬態(tài)分析的模 擬環(huán)境下，使用一些模擬軟件例如HSPICE來(lái)模擬場(chǎng)效晶體管的噪聲，這些模擬軟件所包含 的應(yīng)用于噪聲的場(chǎng)效晶體管是包含噪聲模型文件的場(chǎng)效晶體管庫(kù)文件。而對(duì)于噪聲參數(shù)的 變化量通常決定了噪聲模擬的精確性。因而在噪聲模擬中，一些噪聲參數(shù)是能夠根據(jù)所要 模擬的場(chǎng)效晶體管確定的。例如前面提到的溝道長(zhǎng)度，而另外一些庫(kù)文件中設(shè)定的噪聲參 數(shù)的變化量通常都是一些根據(jù)實(shí)際測(cè)量值調(diào)試得到的經(jīng)驗(yàn)值。目前，這些經(jīng)驗(yàn)值大都是建 立在少數(shù)幾個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的，并沒(méi)有考慮得到工藝生產(chǎn)中由于各種復(fù)雜因素，例如 柵氧生長(zhǎng)情況，而造成的噪聲特性在晶圓之間，晶粒(Dies)之間。以及不同批次之間的差 異。當(dāng)電路設(shè)計(jì)人員需要利用場(chǎng)效晶體管噪聲參數(shù)模型進(jìn)行噪聲仿真來(lái)輔助設(shè)計(jì)的時(shí)候， 并不能確定用于噪聲仿真的模型夠不夠精確，而如果應(yīng)用了不夠精確的模型就會(huì)影響設(shè)計(jì) 質(zhì)量。
申請(qǐng)?zhí)枮?00910053012. χ的中國(guó)專利公開了一種通過(guò)測(cè)量不同的晶粒來(lái)獲得噪 聲平均功率密度(noise mean power density)，進(jìn)而提取場(chǎng)效晶體管噪聲模型參數(shù)。采用 這種方法的缺陷是使用噪聲平均功率密度來(lái)提取場(chǎng)效晶體管噪聲模型參數(shù)，并沒(méi)有考慮噪 聲分布(noise distribution)。公開號(hào)為US20080319721的美國(guó)專利提供了一種建立噪聲統(tǒng)計(jì)模型的方法，所述 方法測(cè)量不同晶粒的噪聲分布，通過(guò)調(diào)整噪聲SPICE模型參數(shù)建立N/P噪聲轉(zhuǎn)角(noise corner)來(lái)滿足一個(gè)特定頻率下的噪聲功率密度(noise power density)。這種方法存在 如下兩個(gè)方面的缺陷一方面是僅僅考慮了一種特定頻率下的噪聲功率密度，并沒(méi)有覆蓋 整個(gè)頻率范圍；另一方面是僅用數(shù)學(xué)方法并不能反映真實(shí)的噪聲分布情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決上述問(wèn)題的建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方 法。一種建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法，包括如下步驟在多個(gè)不同晶粒上選取待 測(cè)量的場(chǎng)效晶體管；分別測(cè)量所述場(chǎng)效晶體管在不同頻率范圍內(nèi)的噪聲，并計(jì)算各噪聲的 西格瑪值；建立所述西格瑪值隨所述測(cè)量頻率的分布圖；利用所述分布圖提取場(chǎng)效晶體管 噪聲SPICE模型參數(shù)，并進(jìn)行蒙特卡羅仿真。 本發(fā)明優(yōu)選的一種技術(shù)方案，所述晶粒選自不同的晶圓。本發(fā)明優(yōu)選的一種技術(shù)方案，所述噪聲為Ι/f噪聲。本發(fā)明優(yōu)選的一種技術(shù)方案，所述噪聲的頻率范圍為4Hz到100kHz。本發(fā)明優(yōu)選的一種技術(shù)方案，所述蒙特卡羅仿真設(shè)置了噪聲模型的參數(shù)變化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法在多個(gè)不同晶粒上測(cè) 量場(chǎng)效晶體管的噪聲，并計(jì)算西格瑪值，通過(guò)建立西格瑪值隨所述測(cè)量頻率的分布圖，提取 場(chǎng)效晶體管噪聲SPICE模型參數(shù)。本發(fā)明的方法充分考了了噪聲分布的情況，且覆蓋了整 個(gè)測(cè)量頻率的范圍，利用本發(fā)明的方法建立的場(chǎng)效晶體管噪聲SPICE模型更加準(zhǔn)確。


圖1是本發(fā)明的建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法的流程圖。圖2是本發(fā)明測(cè)量得到的場(chǎng)效晶體管噪聲與頻率的關(guān)系曲線圖。圖3是測(cè)量得到的場(chǎng)效晶體管噪聲的西格瑪值隨測(cè)量頻率的分布圖。圖4是對(duì)圖2中的曲線提取后建立的宏模型。圖5是根據(jù)圖4所示的宏模型進(jìn)行仿真后的噪聲分布圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步 的詳細(xì)描述。請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明的建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法的流程圖。首先，在 多個(gè)不同晶粒上選取待測(cè)量的場(chǎng)效晶體管。優(yōu)選的，選取不同晶圓的不同晶粒上的場(chǎng)效晶 體管作為測(cè)量的對(duì)象，原因是因?yàn)樯a(chǎn)工藝的偏差即使是同一片晶圓上的不同晶粒上的場(chǎng)效晶體管，它們之間的性能也會(huì)有所差異，更不用說(shuō)是不同晶圓上的了，因此，這樣選取的 好處就是能夠較充分地覆蓋到了工藝偏差的情況，使得測(cè)量的數(shù)據(jù)更能代表場(chǎng)效晶體管性 能差異的離散情況。接著，分別測(cè)量所述場(chǎng)效晶體管在不同頻率范圍內(nèi)的噪聲，并計(jì)算各噪聲的西格 瑪值。為了描述的方便，下面采用Ι/f噪聲來(lái)介紹本發(fā)明的建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方 法。選取其中一個(gè)場(chǎng)效晶體管，給該場(chǎng)效晶體管加上一定的偏壓，并且在一定的頻率 下，采用漏極電流的二次方來(lái)作為場(chǎng)效晶體管溝道中Ι/f噪聲的主要相關(guān)因素的方法， 通過(guò)測(cè)量場(chǎng)效晶體管的漏極電流波動(dòng)得到所述場(chǎng)效晶體管的漏極電流噪聲功率譜密度 (Drain Current Noise Power Spectral Density, SID)來(lái)表述 1/f 噪聲，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方差公 式計(jì)算測(cè)量得到的噪聲的西格瑪(sigma)值。優(yōu)選的，所述特定頻率是4Hz。優(yōu)選的，場(chǎng)效 晶體管的偏置電壓的設(shè)置如下柵源電壓為1. 5V，漏源電壓為1. 5V，基源電壓為0V。然后， 保持相同的場(chǎng)效晶體管的偏置電壓的設(shè)置，通過(guò)改變頻率來(lái)獲得不同頻率下所述場(chǎng)效晶體 管的Ι/f噪聲，進(jìn)而獲得不同頻率下的噪聲的西格瑪值。本步驟中，測(cè)量得到的場(chǎng)效晶體管 的噪聲與頻率關(guān)系如圖2所示。優(yōu)選的，所述場(chǎng)效晶體管的頻率測(cè)量范圍是4Hz到100kHz。依據(jù)上述相同原理，分別測(cè)量全部所述待測(cè)量的場(chǎng)效晶體管在所述頻率范圍下的 噪聲并計(jì)算對(duì)應(yīng)的西格瑪值。測(cè)量得到的全部場(chǎng)效晶體管噪聲的西格瑪值隨所述測(cè)量頻率 的分布圖如圖3所示。利用所述分布圖提取場(chǎng)效晶體管噪聲SPICE模型參數(shù)。例如，對(duì)于BSIM3模型， 通過(guò)分析噪聲模型文件中的噪聲關(guān)系式可以得到，與Ι/f噪聲相關(guān)的參數(shù)有Noia，Noib, Noic, em和ef。在場(chǎng)效晶體管的庫(kù)文件中添加Noia，Noib, Noic, em和ef的變化量，對(duì) 于Noia，Noib, Noic, em和ef的變化量賦初值，然后進(jìn)行蒙特卡羅仿真(Monte-carlo simulation)。請(qǐng)參閱圖4，圖4是對(duì)圖2中的曲線提取后利用蒙特卡羅仿真的宏模型， 圖5是根據(jù)圖4所示的宏模型進(jìn)行仿真后的噪聲分布圖。通過(guò)這種方法，可以將最終獲得 的Noia，Noib, Noic, em和ef的變化量代入到BSIM3模型中，從而提取出場(chǎng)效晶體管噪聲 SPICE模型參數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法在多個(gè)不同晶粒上測(cè) 量場(chǎng)效晶體管的噪聲，并計(jì)算西格瑪值，通過(guò)建立西格瑪值隨所述測(cè)量頻率的分布圖，提取 場(chǎng)效晶體管噪聲SPICE模型參數(shù)。本發(fā)明的方法充分考了了噪聲分布的情況，且覆蓋了整 個(gè)測(cè)量頻率的范圍，利用本發(fā)明的方法建立的場(chǎng)效晶體管噪聲SPICE模型更加準(zhǔn)確。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。應(yīng) 當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說(shuō)明書中所述的具體實(shí)施例。
權(quán)利要求
一種建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法，其特征在于，包括如下步驟在多個(gè)不同晶粒上選取待測(cè)量的場(chǎng)效晶體管；分別測(cè)量所述場(chǎng)效晶體管在不同頻率范圍內(nèi)的噪聲，并計(jì)算各噪聲的西格瑪值；建立所述西格瑪值隨所述測(cè)量頻率的分布圖；利用所述分布圖提取場(chǎng)效晶體管噪聲SPICE模型參數(shù)，并進(jìn)行蒙特卡羅仿真。
2.如權(quán)利要求1所述的建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法，其特征在于，所述晶粒選自 不同的晶圓。
3.如權(quán)利要求1所述的建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法，其特征在于，所述噪聲為1/f噪聲。
4.如權(quán)利要求1所述的建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法，其特征在于，所述噪聲的頻 率范圍為4Hz到IOOkHz。
5.如權(quán)利要求1到4中任意一項(xiàng)所述的建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法，其特征在于， 所述蒙特卡羅仿真設(shè)置了噪聲模型的參數(shù)變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種建立場(chǎng)效晶體管噪聲模型的方法，其特征在于，包括如下步驟在多個(gè)不同晶粒上選取待測(cè)量的場(chǎng)效晶體管；分別測(cè)量所述場(chǎng)效晶體管在不同頻率范圍內(nèi)的噪聲，并計(jì)算各噪聲的西格瑪值；建立所述西格瑪值隨所述測(cè)量頻率的分布圖；利用所述分布圖提取場(chǎng)效晶體管噪聲SPICE模型參數(shù)，并進(jìn)行蒙特卡羅仿真。采用本發(fā)明的方法建立的場(chǎng)效晶體管噪聲SPICE模型更加準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101957883SQ201010504688
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者余泳 申請(qǐng)人:上海宏力半導(dǎo)體制造有限公司