发明内容
本发明解决的问题就是现有应用于噪声的MOS管模型没有考虑到噪声特性差异而不够精确。
本发明还解决的问题就是在进行设计时无法确定用于噪声仿真的模型够不够精确。
为解决上述问题,本发明按以下步骤建立应用于噪声的MOS管模型,
测量不同晶粒上的MOS管的噪声;
根据所得到的MOS管的噪声数据,建立噪声分布图;
至少添加一个噪声模型文件中的噪声参数的变化量到MOS管库文件中来对MOS管进行噪声仿真;
如果仿真结果不能够覆盖噪声分布图中的数据,则继续改变噪声参数的变化量的值进行仿真直到仿真结果能够覆盖噪声分布图中的噪声数据;
如果仿真结果能够覆盖噪声分布图中的数据,则将相应的噪声参数的变化量的值代入到MOS管库文件中作为应用于噪声的MOS管模型。
为解决上述问题,本发明还提供了一种检测应用于噪声的MOS管模型的方法,包括下列步骤,
测量不同晶粒上的MOS管的噪声;
根据所得到的MOS管的噪声数据,建立噪声分布图;
应用包含噪声模型文件的MOS管库文件作为MOS管噪声仿真模型对于MOS管进行噪声仿真;
如果仿真结果未覆盖噪声分布图中的噪声数据,则该MOS管模型不能很精确地进行噪声仿真;
如果仿真结果覆盖噪声分布图中的噪声数据,则该MOS管模型能够很精确地进行噪声仿真。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1.本发明建立应用于噪声的MOS管模型的方法以测量的不同晶粒上的MOS管的噪声值为原始数据,并建立分布图来反映噪声统计分布,考虑到了噪声特性的差异。再以调试的噪声模型仿真值覆盖噪声分布图中的数据为目标,因此建立的模型更接近真实情况,更为精确。
2.本发明检测应用于噪声的MOS管模型的方法以测量的不同晶粒上的MOS管的噪声值为原始数据,并建立分布图来反映噪声统计分布,考虑到了噪声特性的差异,并以此作为衡量噪声模型精确度的标准,使得检测方法更客观准确。
具体实施方式
本发明建立应用于噪声的MOS管模型的方法在于以测量的噪声值为原始数据,并建立分布图来反映噪声统计分布,再以调试的噪声模型仿真值覆盖噪声分布图中的数据为目标,并在此基础上建立模型。
本发明检测应用于噪声的MOS管模型的方法以测量的不同晶粒上的MOS管的噪声值为原始数据,并建立分布图来反映噪声统计分布,考虑到了噪声特性的差异,并以此作为衡量噪声模型精确度的标准。
正如之前所说的,MOS管的噪声可以分为很多种类,下面通过对于一种噪声的建模步骤来使得本发明建立噪声模型的方法更加清楚。
参照图1所示,本发明建立应用于噪声的MOS管模型的方法包括如下步骤,
步骤1,测量不同晶粒上的MOS管的噪声。通常来说,从噪声的表现形式上大致可分为两类,电压噪声和电流噪声。因此,测量噪声也往往是从这两方面入手的。或者通过测量噪声电压来获得噪声的影响大小,或者通过测量噪声电流来获得噪声的影响大小。
本实施例是通过建立应用于1/f噪声的MOS管模型的步骤来详细说明的,因此测量点是从MOS管的电极入手,并且是从测量噪声电流来得到噪声的影响大小。本实施例为了达到体现噪声分布的目的,因此在选取测量点上也与以往有所不同。本实施例挑选不同晶圆的不同晶粒上的MOS管作为测量的对象,原因是因为生产工艺的偏差,即使是同一片晶圆上的不同晶粒上的MOS管,它们之间的性能也会有所差异,更不用说是不同晶圆上的了,因此这样选取MOS管的好处就是能够比较充分地覆盖到了工艺偏差的情况,使得测量的数据更能代表MOS管性能差异的离散情况。
本实施例测量MOS管的1/f噪声的步骤如下,首先挑选不同晶圆的20个晶粒上,沟道宽度为10um,沟道长度为0.13um的NMOS管为测量用MOS管,所述的20个晶粒可以是从5个晶圆上各挑4个晶粒,也可以是从10个晶圆上各挑2个,如之前所说的是为了比较充分地覆盖到工艺偏差的情况。
然后,给所要测量的NMOS管加上一定的偏置电压。根据本领域技术人员的公知常识,MOS管处于不同的偏置电压下,会有不同的电学表现,因而噪声也会随着偏置电压的不同而不同。对于MOS管来说,根据偏置电压的不同,可分为三个工作模式:截止区、线性区和饱和区。以NMOS管为例,当NMOS管的栅-源电压小于NMOS管的阈值电压时,NMOS管源极和漏极之间的受控区被耗尽,沟道中没有载流子流动,NMOS管截止。当NMOS管的栅-源电压大于NMOS管的阈值电压时,NMOS管表面的中间带隙能量低于费米能级,导致表面电势变为正值并引起表面反型。一旦表面建立了反型层,源极和漏极之间就形成了能传导漏极电流的n型沟道。此时,当漏-源电压为零时,反型沟道区存在热平衡,并且漏极电流为零,而当漏-源电压大于零时,在源极和漏极之间的传导区就传导正比于漏-源电压的漏极电流。沟道形成了源极和漏极之间连续的电流通路,NMOS管工作于线性区。但随着漏极电压的增大,在漏极终端反型层的电荷和沟道深度开始下降。最终,当漏-源电压等于漏-源饱和电压的时候,漏极反型层电荷减为零,称作夹断点。此时,邻近漏极形成耗尽的表面区,并且随着漏极电压的增大,此耗尽区开始向源极延伸,NMOS管工作于饱和区。在实际测量噪声时,为了测量数据的全面性,应在线性区和饱和区分别设定不同的偏置电压环境进行测量。本实施例为了使叙述更加简洁,就选取一种使得MOS管工作在饱和区的偏置电压为例。偏置电压设定如下:使得栅-源电压为1.5V,漏-源电压为1.5V,基-源电压为0V,并且在4Hz的频率下,采用之前提到的利用漏极电流的二次方来作为MOS管沟道中1/f噪声的主要相关因素的方法,通过测量NMOS管的漏极电流波动得到该NMOS管的漏极电流噪声功率谱密度(drain currentnoise power spectral density,Sid)来表示1/f噪声。
随后,保持相同的NMOS管的偏置电压,通过改变频率来得到不同频率下该NMOS管的1/f噪声,频率范围从4Hz~100kHz。接下来,调换所测量的NMOS管,选取其他晶粒上的NMOS管作为测量对象,保持与上述NMOS管相同的偏置电压,同样在4Hz~100kHz的频率范围内,得到对应的1/f噪声。并且以频率为横坐标,以所测得的20个不同晶粒上NMOS管的漏极电流噪声功率谱密度为横坐标,得到NMOS管的1/f噪声随频率变化的关系图。图2就是所述的关系图。
更进一步来说,上述测量1/f噪声过程中挑选的晶粒的数量和挑选的MOS管的沟道宽度和沟道长度都可以根据实际的需要选用合适的值,例如,挑选更多数量的晶粒也将会使得所测量的数据范围更大,相对来说建立的模型也会更精确。当然,也可以设定其他偏置电压环境来测量NMOS管的1/f噪声,例如,使得栅-源电压为0.8V,漏-源电压为0.3V,基-源电压为0V,来测量NMOS管工作在线性区的1/f噪声;使得栅-源电压为1.2V,漏-源电压为1.2V,基-源电压为0V,来测量NMOS管工作在饱和区的1/f噪声。
接着,参照上述测量NMOS管1/f噪声的方法,挑选不同晶圆上的20个晶粒上的PMOS管为测量对象,选取沟道宽度为10um,沟道长度为0.13um的PMOS管,给该PMOS管加上偏置电压,使得栅-源电压为-1.5V,漏-源电压为-1.5V,基-源电压为0V,PMOS管工作在饱和区,并且在4Hz的频率下,通过测量PMOS管的漏极电流波动得到该PMOS管的漏极电流噪声功率谱密度Sid来表示1/f噪声。
随后,保持相同的PMOS管的偏置电压,通过改变频率来得到不同频率下该PMOS管的1/f噪声,频率范围从4Hz~100kHz。接下来,调换所测量的PMOS管,选取其他晶粒上的PMOS管作为测量对象,保持与上述PMOS管相同的偏置电压,同样在4Hz~100kHz的频率范围内,得到对应的1/f噪声。并且以频率为横坐标,以所测得的20个不同晶粒上PMOS管的漏极电流噪声功率谱密度为横坐标,得到PMOS管的1/f噪声随频率变化的关系图。图5是所述的关系图。
当然,在测量PMOS管的1/f噪声的时候,也可以设定其他偏置电压环境来测量PMOS管的1/f噪声,例如,使得栅-源电压为-0.8V,漏-源电压为-0.3V,基-源电压为0V,来测量PMOS管工作在线性区的1/f噪声;使得栅-源电压为-1.2V,漏-源电压为-1.2V,基-源电压为0V,来测量PMOS管工作在饱和区的1/f噪声。
步骤2,根据所得到的MOS管的噪声值,建立噪声分布图。本实施例中,根据步骤1的测量步骤,分别得到了20条NMOS管的1/f噪声随频率变化的关系曲线和20条PMOS管的1/f噪声随频率变化的关系曲线。为了使图2和图5所反映的情况更加清晰,分别从图2和图5中随机选取4根曲线,得到如图3和图6所示的曲线图,并对这两张图中的曲线提取趋势线,得到图4和图7。而结合图2、图3、图4可以看到各个NMOS管的关系曲线的斜率几乎相同,结合图5、图6、图7可以看到,各个PMOS管的关系曲线的斜率也几乎相同,而斜率则代表着NMOS管或PMOS管的1/f噪声对频率的敏感度,这说明了各个不同晶粒上的NMOS管或PMOS管的1/f噪声对频率的敏感度大致相同。然而图2、图3、图4中各个NMOS管关系曲线上的数据点相对于的x轴的距离却有不同,图5、图6、图7中各个PMOS管关系曲线上的数据点相对于的x轴的距离也有不同,而相对于x轴的距离则代表了1/f噪声的在某一个频率上的大小,从而也反映了前面所说的由于工艺偏差,各个NMOS管或PMOS管在某一个频率上的1/f噪声的大小不尽相同。因此,现在就需要把这些噪声随各个NMOS管或PMOS管的不同而变化的情况反映在一张图上,其中最清楚的方法就是选定一个频率,然后将这一频率上对应的NMOS管和PMOS管的1/f噪声择取出来,建立一张分布图。因为如之前所说的,图2、图3、图4中各个NMOS管的1/f噪声对频率的敏感度几乎相同,图5、图6、图7中各个PMOS管的1/f噪声对频率的敏感度几乎相同,因此也可以认为各个NMOS管或PMOS管的1/f噪声在不同频率上的相对变化情况几乎相同。
本实施例中,选取频率为10kHz频率下对应的NMOS管和PMOS管的1/f噪声,并且以NMOS管在10kHz频率下的1/f噪声为横坐标,以PMOS管在10kHz频率下的1/f噪声为纵坐标建立10kHz频率下MOS管的1/f噪声分布图,根据该方法建立的1/f噪声分布图如图8所示。当然,也可以PMOS管的1/f噪声为横坐标,以NMOS管的1/f噪声为纵坐标,这都不影响1/f噪声的分布情况。然后,以现有模型进行仿真,例如BSIM3模型,得到四个MOS管的极限情况下的1/f噪声,这四个MOS管的极限情况分别是FF-快NMOS快PMOS、SS-慢NMOS慢PMOS、FNSP-快NMOS慢PMOS、SNFP-慢NMOS快PMOS,并根据这四个MOS管的极限情况下的1/f噪声划出一个1/f噪声的变化范围,如图4所示。但是从图8中可以看到,在10kHz频率下测量得到的NMOS管和PMOS管的1/f噪声倒有大部分是在现有BSIM3模型的四个MOS管的极限情况划定的变化范围之外的,因此,现有BSIM3模型并不能覆盖噪声分布图的数据,所以不够精确。
步骤3,至少添加一个噪声模型文件中的噪声参数的变化量到MOS管库文件中来对MOS管进行噪声仿真。分析本实施例中所用的BSIM3模型不能覆盖噪声分布图的数据的原因是模型文件中噪声参数设定的值不够准确,因此为了使得四个MOS管的极限情况划定的变化范围能够覆盖噪声分布图的数据,就需要对于MOS管库文件中的噪声参数的变化量进行设定。由于1/f噪声通常与氧化层的制造工艺有一定的关系,因此可以通过调整描述氧化层的相关参数来达到覆盖的目的。例如,对于BSIM3模型,通过分析噪声模型文件中的噪声关系式可以得到,与1/f噪声相关的参数有noia、noib、noic、em和ef。从中选取noib和em,在库文件中添加noib和em的变化量,对于noib和em的变化量赋初值,然后进行噪声仿真,同样是如步骤2中的那样,目的是仿真得到四个MOS管的极限情况FF、SS、FNSP和SNFP下的1/f噪声。因为现在所得的1/f噪声的分布图是在10kHz的频率下的,因此进行噪声仿真的频率也设定在10kHz。
步骤4,判断仿真结果能否覆盖噪声分布图中的噪声数据。将步骤3中所得到的10kHz的频率下四个MOS管的极限情况FF、SS、FNSP和SNFP下的1/f噪声作为四个顶点,划出10kHz的频率下1/f噪声的变化范围,并将之与测量所得的10kHz频率下MOS管的1/f噪声分布图作比较,看仿真结果的变化范围能否覆盖测量所得的噪声分布图中的数据。
步骤5,如果仿真结果未覆盖噪声分布图中的数据,则继续改变噪声参数的变化量的值进行仿真直到仿真结果能够覆盖噪声分布图中的数据。对于本实施例来说,如果之前在10kHz的频率下仿真得到的四个MOS管的极限情况FF、SS、FNSP和SNFP下的1/f噪声所划分的范围不能够覆盖测量所得的10kHz频率下MOS管的1/f噪声分布图的数据,则重新设定库文件中noib和em的变化量的值,继续进行仿真。例如,多设定几个noib和em的值得到FF下的仿真值来观察FF下的仿真值根据noib和em的值的不同在噪声分布图上的移动趋势,从而找到能使得FF向着有利于覆盖测量数据方向移动的noib和em的值。同样地,对于SS、FNSP和SNFP也是采用类似的方法得到相应的noib和em的值。
步骤6,如果仿真结果能够覆盖噪声分布图中的数据,则将相应的噪声变化量的值代入到MOS管库文件中作为应用于噪声的MOS管模型。如图9所示的情况就是仿真结果能够覆盖噪声分布图中的数据的情况,从图9中可以看到,10kHz下的PMOS管和NMOS管的1/f噪声分布数据完全在模型仿真的四个MOS管的极限情况FF、SS、FNSP和SNFP下的1/f噪声为顶点组成的四边形内。因此,可以将此时的噪声参数noib和em的变化量的值代入到BSIM3模型中。而此时BSIM3模型的库文件如图10所示,库文件中DNOIB_N12和DEM_N12就是在库文件中添加的noib和em的变化量。FF、SS、FNSP、SNFP就是所述的四个MOS管的极限情况。
由于前面所说的图2和图3中各个MOS管的1/f噪声对频率的敏感度几乎相同,因此也可以认为各个MOS管的1/f噪声在不同频率上的相对变化情况几乎相同。所以,也可以将这个模型推广到适用于各个频率的情况。
通过上述的实施例可以看到,通过添加BSIM3模型的两个噪声参数noib和em的变化量来使得MOS管噪声仿真结果构成的变化范围能够覆盖噪声分布图中的数据。当然,达到这种目的的方法并不只有一种,如之前所说的,在测量的时候就可以设置不同的偏置电压对于噪声进行测量,在建立分布图的时候也可以选取更多不同频率下的数据,而在仿真时可以进行改变的噪声参数的变化量也不局限于noib和em两个。而本实施例所采用的方法也不仅仅适用于BSIM3模型,因为正如之前所说的,对于噪声模型来说,都是一些包含参数的描述噪声特性的方程。因此,本实施例的方法同样适合SPICE2和BSIM4等其他噪声模型。基于以上的分析,本实施例采用的方法还可以扩展到对于其他类型的噪声,例如热噪声的建模上。
另外,在应用噪声仿真来进行辅助设计时,选用一个能够精确仿真噪声的模型对于设计质量的好坏也是比较重要的,因此如果有一个能够检测噪声模型的方法对于噪声模型进行检测将有助于设计。本发明检测应用于噪声的MOS管模型的方法如图11,包括,
步骤21,测量不同晶粒上的MOS管的噪声。如前所述,因为生产工艺的偏差,即使是同一片晶圆上的不同晶粒上的MOS管,它们之间的性能也会有所差异,更不用说是不同晶圆上的了,因此这样选取MOS管的好处就是能够比较充分地覆盖到了工艺偏差的情况,使得测量的数据更能代表MOS管性能差异的离散情况。因此,本步骤其实是测量不同晶粒上的NMOS管和PMOS管的噪声。因为噪声的种类很多,而对于每一种噪声都有其自己的测量方法,这些都是本领域技术人员公知的,例如NMOS管的1/f噪声就可以通过在NMOS管工作在线性区或饱和区的时候,在4Hz~100kHz的频率范围内,测量NMOS管的漏极电流波动得到该NMOS管的漏极电流噪声功率谱密度(drain current noise power spectral density,Sid)来表示1/f噪声。
步骤22,根据所得到的MOS管的噪声数据,建立噪声分布图。本步骤建立噪声分布图的方法如之前所述的,以所测得的PMOS管的噪声数据为纵坐标,以所测得的NMOS管的噪声数据为横坐标,建立MOS管的噪声分布图。当然,也可以PMOS管的噪声数据为横坐标,以NMOS管的噪声数据为纵坐标,这都不影响噪声的分布情况。
步骤23,用包含噪声模型文件的MOS管库文件作为MOS管噪声仿真模型对于MOS管进行噪声仿真。本步骤采用本领域技术人员的公知常识,以现有的包含噪声模型文件的MOS管库文件在步骤21测量噪声的条件下,对于MOS进行仿真,得到该MOS管的噪声仿真数据。其中为了使得仿真的效率更高,一般是仿真FF-快NMOS快PMOS、SS-慢NMOS慢PMOS、FNSP-快NMOS慢PMOS、SNFP-慢NMOS快PMOS这四种极限情况下的MOS管噪声。
步骤24,判断仿真结果能否覆盖噪声分布图中的噪声数据。将步骤23中所得到的四个MOS管的极限情况FF、SS、FNSP和SNFP下的噪声数据作为四个顶点,划出噪声的变化范围,并将之与测量所得的噪声分布图作比较,看仿真结果的变化范围能否覆盖测量所得的噪声分布图中的数据。
步骤25,如果仿真结果未覆盖噪声分布图中的噪声数据,则该MOS管模型不能很精确地进行噪声仿真。以步骤23所得到的四种极限情况下的噪声仿真数据为顶点得到一个四边形,看能否覆盖噪声分布图中的噪声数据。如果未覆盖噪声分布图中的噪声数据,说明噪声模型的仿真值不能将所测量的噪声数据包括在内,所以噪声模型不精确。
步骤26,如果仿真结果覆盖噪声分布图中的噪声数据,则该MOS管模型能够很精确地进行噪声仿真。如果仿真结果覆盖噪声分布图中的噪声数据,说明噪声模型的仿真值能够将所测量的噪声数据包括在内,也就是能够涵盖噪声特性的变化,因此噪声模型够精确。
综上所述,本发明建立应用于噪声的MOS管模型的方法以测量的噪声值为原始数据,并建立分布图来反映噪声统计分布,考虑到了噪声特性的差异,再以调试的模型仿真值覆盖噪声分布图中的噪声数据为目标,因此建立的模型更接近真实情况,更为精确。本发明检测应用于噪声的MOS管模型的方法以测量的不同晶粒上的MOS管的噪声值为原始数据,并建立分布图来反映噪声统计分布,考虑到了噪声特性的差异,并以此作为衡量噪声模型精确度的标准,使得检测方法更客观准确。