CN101957883A - 建立场效晶体管噪声模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种建立场效晶体管噪声模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：在多个不同晶粒上选取待测量的场效晶体管；分别测量所述场效晶体管在不同频率范围内的噪声，并计算各噪声的西格玛值；建立所述西格玛值随所述测量频率的分布图；利用所述分布图提取场效晶体管噪声SPICE模型参数，并进行蒙特卡罗仿真。采用本发明的方法建立的场效晶体管噪声SPICE模型更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种建立场效晶体管噪声模型的方法。
背景技术
场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor，MOS)是半导体集成电路中一种重要的半导体器件，在集成电路工艺领域中被广泛的应用。为了预测场效晶体管器件在所处的环境中的性能和可靠性，需要对场效晶体管进行仿真。
SPICE(Simulation Program with Intergraded Circuit Emphasis)是器件设计行业应用最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本SPICE软件，这些软件的仿真核心大同小异，都采用了美国加利福尼亚大学伯克莱分校开发的SPICE模拟算法。
通常，电路中的元件都可能会产生各种各样的噪声。场效晶体管可以被认为是一个微型的电路结构，包括各种各样的电阻、电容和有源器件。对于场效晶体管来说，可能包括栅极、源极及漏极上的热噪声、沟道中的热噪声和1/f噪声，衬底上的热噪声和栅极上的感应噪声等。其中，1//f噪声一般来说是一种低噪声，由于它的增幅与频率成反比，故此得名。1/f噪声主要影响运行于低频率环境下的电子器件，但是在一些射频电路中，如混频器、放大器和分频器中，1/f噪声在高频区域对于电路的影响也越来越大，可能会导致信噪比恶化等后果。对于电路设计和电路分析来说，拥有一个能够精确模拟噪声的模型是必须的。
现今建立模型的方法简单地说是通过分析测量所得的数据，找到这些数据的规律，例如受电压或电流影响的变化，再用数学方法找到能够描述这种规律的方程。例如，国际标准号为0-471-49869-6的一篇名为《Device Modeling for Analog and RF CMOS Circuit Design》的文献中提及了一种场效晶体管的噪声模型的电路，用一些电流参数来作为噪声的主要相关因素，例如，用漏极电流的二次方来作为场效晶体管沟道中1/f噪声的主要相关因素，并通过结合其他一些例如频率、单位面积的栅极氧化层电容和沟道长度等来构成方程描述1/f噪声的变化规律。
在电路设计和电路分析中，一般是在一些例如直流、交流、小信号和瞬态分析的模拟环境下，使用一些模拟软件例如HSPICE来模拟场效晶体管的噪声，这些模拟软件所包含的应用于噪声的场效晶体管是包含噪声模型文件的场效晶体管库文件。而对于噪声参数的变化量通常决定了噪声模拟的精确性。因而在噪声模拟中，一些噪声参数是能够根据所要模拟的场效晶体管确定的。例如前面提到的沟道长度，而另外一些库文件中设定的噪声参数的变化量通常都是一些根据实际测量值调试得到的经验值。目前，这些经验值大都是建立在少数几个测量数据的基础上的，并没有考虑得到工艺生产中由于各种复杂因素，例如栅氧生长情况，而造成的噪声特性在晶圆之间，晶粒(Dies)之间。以及不同批次之间的差异。当电路设计人员需要利用场效晶体管噪声参数模型进行噪声仿真来辅助设计的时候，并不能确定用于噪声仿真的模型够不够精确，而如果应用了不够精确的模型就会影响设计质量。
申请号为200910053012.x的中国专利公开了一种通过测量不同的晶粒来获得噪声平均功率密度(noise mean power density)，进而提取场效晶体管噪声模型参数。采用这种方法的缺陷是使用噪声平均功率密度来提取场效晶体管噪声模型参数，并没有考虑噪声分布(noise distribution)。
公开号为US20080319721的美国专利提供了一种建立噪声统计模型的方法，所述方法测量不同晶粒的噪声分布，通过调整噪声SPICE模型参数建立N/P噪声转角(noise corner)来满足一个特定频率下的噪声功率密度(noise power density)。这种方法存在如下两个方面的缺陷：一方面是仅仅考虑了一种特定频率下的噪声功率密度，并没有覆盖整个频率范围；另一方面是仅用数学方法并不能反映真实的噪声分布情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决上述问题的建立场效晶体管噪声模型的方法。
一种建立场效晶体管噪声模型的方法，包括如下步骤：在多个不同晶粒上选取待测量的场效晶体管；分别测量所述场效晶体管在不同频率范围内的噪声，并计算各噪声的西格玛值；建立所述西格玛值随所述测量频率的分布图；利用所述分布图提取场效晶体管噪声SPICE模型参数，并进行蒙特卡罗仿真。
本发明优选的一种技术方案，所述晶粒选自不同的晶圆。
本发明优选的一种技术方案，所述噪声为1/f噪声。
本发明优选的一种技术方案，所述噪声的频率范围为4Hz到100kHz。
本发明优选的一种技术方案，所述蒙特卡罗仿真设置了噪声模型的参数变化。
与现有技术相比，本发明的建立场效晶体管噪声模型的方法在多个不同晶粒上测量场效晶体管的噪声，并计算西格玛值，通过建立西格玛值随所述测量频率的分布图，提取场效晶体管噪声SPICE模型参数。本发明的方法充分考了了噪声分布的情况，且覆盖了整个测量频率的范围，利用本发明的方法建立的场效晶体管噪声SPICE模型更加准确。
附图说明
图1是本发明的建立场效晶体管噪声模型的方法的流程图。
图2是本发明测量得到的场效晶体管噪声与频率的关系曲线图。
图3是测量得到的场效晶体管噪声的西格玛值随测量频率的分布图。
图4是对图2中的曲线提取后建立的宏模型。
图5是根据图4所示的宏模型进行仿真后的噪声分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
请参阅图1，图1是本发明的建立场效晶体管噪声模型的方法的流程图。首先，在多个不同晶粒上选取待测量的场效晶体管。优选的，选取不同晶圆的不同晶粒上的场效晶体管作为测量的对象，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场效晶体管，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，这样选取的好处就是能够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场效晶体管性能差异的离散情况。
接着，分别测量所述场效晶体管在不同频率范围内的噪声，并计算各噪声的西格玛值。为了描述的方便，下面采用1/f噪声来介绍本发明的建立场效晶体管噪声模型的方法。
选取其中一个场效晶体管，给该场效晶体管加上一定的偏压，并且在一定的频率下，采用漏极电流的二次方来作为场效晶体管沟道中1/f噪声的主要相关因素的方法，通过测量场效晶体管的漏极电流波动得到所述场效晶体管的漏极电流噪声功率谱密度(Drain Current Noise Power Spectral Density，SID)来表述1/f噪声，根据标准方差公式计算测量得到的噪声的西格玛(sigma)值。优选的，所述特定频率是4Hz。优选的，场效晶体管的偏置电压的设置如下：栅源电压为1.5V，漏源电压为1.5V，基源电压为0V。然后，保持相同的场效晶体管的偏置电压的设置，通过改变频率来获得不同频率下所述场效晶体管的1/f噪声，进而获得不同频率下的噪声的西格玛值。本步骤中，测量得到的场效晶体管的噪声与频率关系如图2所示。优选的，所述场效晶体管的频率测量范围是4Hz到100kHz。
依据上述相同原理，分别测量全部所述待测量的场效晶体管在所述频率范围下的噪声并计算对应的西格玛值。测量得到的全部场效晶体管噪声的西格玛值随所述测量频率的分布图如图3所示。
利用所述分布图提取场效晶体管噪声SPICE模型参数。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。在场效晶体管的库文件中添加Noia，Noib，Noic，em和ef的变化量，对于Noia，Noib，Noic，em和ef的变化量赋初值，然后进行蒙特卡罗仿真(Monte-carlo simulation)。请参阅图4，图4是对图2中的曲线提取后利用蒙特卡罗仿真的宏模型，图5是根据图4所示的宏模型进行仿真后的噪声分布图。通过这种方法，可以将最终获得的Noia，Noib，Noic，em和ef的变化量代入到BSIM3模型中，从而提取出场效晶体管噪声SPICE模型参数。
与现有技术相比，本发明的建立场效晶体管噪声模型的方法在多个不同晶粒上测量场效晶体管的噪声，并计算西格玛值，通过建立西格玛值随所述测量频率的分布图，提取场效晶体管噪声SPICE模型参数。本发明的方法充分考了了噪声分布的情况，且覆盖了整个测量频率的范围，利用本发明的方法建立的场效晶体管噪声SPICE模型更加准确。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
Claims (5)
1.一种建立场效晶体管噪声模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在多个不同晶粒上选取待测量的场效晶体管；
分别测量所述场效晶体管在不同频率范围内的噪声，并计算各噪声的西格玛值；
建立所述西格玛值随所述测量频率的分布图；
利用所述分布图提取场效晶体管噪声SPICE模型参数，并进行蒙特卡罗仿真。
2.如权利要求1所述的建立场效晶体管噪声模型的方法，其特征在于，所述晶粒选自不同的晶圆。
3.如权利要求1所述的建立场效晶体管噪声模型的方法，其特征在于，所述噪声为1/f噪声。
4.如权利要求1所述的建立场效晶体管噪声模型的方法，其特征在于，所述噪声的频率范围为4Hz到100kHz。
5.如权利要求1到4中任意一项所述的建立场效晶体管噪声模型的方法，其特征在于，所述蒙特卡罗仿真设置了噪声模型的参数变化。
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