CN112736076A - 自加热效应参数的提取装置以及提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自加热效应参数的提取装置以及提取方法。所述装置包括一环形振荡器，所述环形振荡器包括；多个反相器，通过电阻彼此串接，所述反相器背栅或体区引出作为偏置端口；每个反相器的输出端与地之间连接一电容，用以增加时间延时。本发明利用环形振荡器进行自加热效应提取，测试误差小，且便于进行数值提取。

Description

自加热效应参数的提取装置以及提取方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种自加热效应参数的提取装置以及提取方法。
背景技术
随着集成电路的工艺迭代，片上工艺晶体管集成度越来越高，但集成电路功耗却不能满足对应比例的缩减，因此导致集成电路比较严重的功率耗散问题，即所谓的“功耗墙”。
随着集成电路走向深亚微米工艺，传统的体硅制造工艺由于日益增长的栅极隧穿漏电、短沟道效应、静态功耗增长等问题，已不适用于28nm之后的产业要求。因此目前主流而被广泛接受的实用制作工艺为鳍型场效应管(FinFET)和全耗尽绝缘体上硅(FDSOI)。虽然两种工艺都通过体区耗尽技术达到提升栅极控制能力和载流子迁移率的目的，但大量的绝缘介质使用造成热耗散问题愈加严重，因此器件自身工作带来的温度变化在当前先进工艺中必须得到建模表征，以防止出现设计者对设计的预估错误导致最终的设计失败。
实际上，工业界对自加热效应已经有了较为一致的认识并运用在了实用模型中，但对自加热效应参数的提取方法却没能有行之有效的方法。目前业界的提取方法主要分为三类，一类为直接脉冲IV测量法，这种方法通过使用短脉冲测试降低器件在测量过程中的温度变化以获得器件本征数据，此类方法受制于脉冲源和测量器件的性能，要获得理想数据往往需要极高的测量成本；第二类为栅极电阻间接法，这种方法通过对栅极电阻进行温度建模，在测量过程中监测栅极电阻的温度，利用模型的反函数获得器件温度，实践中这种方法的误差较大，它通过两次建模和栅极电阻温度等同于沟道的假设；第三种为交流小信号导纳法，这种方法使用低频网分或阻抗分析仪检测低频小型号下的交流阻抗变化反应自加热效应，这种方法需要进行精确的系统校准和一个近似的理论公式获得自加热参数，实践中经常出现噪声过大影响数值提取的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种自加热效应参数的提取装置以及提取方法，能够提高自加热效应的建模质量并优化模型参数提取流程。
为了解决上述问题，本发明提供了一种自加热效应参数的提取装置，包括一环形振荡器，所述环形振荡器包括；多个反相器，通过电阻彼此串接，所述反相器背栅或体区引出作为偏置端口；每个反相器的输出端与地之间连接一电容，用以增加时间延时。
为了解决上述问题，本发明提供了一种自加热效应参数的提取方法，包括如下步骤：提供上述的自加热效应参数的提取装置；执行多次不同振荡频率下的测量；对振荡频率最低的环形振荡器的等效电阻数据进行参数提取，作为自加热效应参数中的电阻值参数；对振荡频率最高的环形振荡器的等效电容数据进行参数提取，作为自加热效应参数中的电容值参数；改变所述自加热效应参数的提取装置中环形振荡器中晶体管的沟道宽度，通过对不同沟道宽度的器件进行参数提取，获取自加热效应参数中的热阻与沟道宽度关系参数。
本发明利用环形振荡器进行自加热效应提取，测试误差小，且便于进行数值提取。
附图说明
附图1所示是本发明一具体实施方式所述自加热效应参数的提取装置的电路图。
附图2所示是本发明一具体实施方式所述自加热效应参数的提取方法的实施步骤示意图。
附图3所示是本发明一具体实施方式所述自加热效应参数的提取方法的基本物理参数模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的自加热效应参数的提取装置以及提取方法的具体实施方式做详细说明。
附图1所示是本发明一具体实施方式所述自加热效应参数的提取装置的电路图，包括一环形振荡器，所述环形振荡器包括：多个反相器(D1、D2、D3、D4、……Cn)，多个电阻(R1、R2、R3、R4、……Rn)、多个电容(C1、C2、C3、C4、……Cn)、以及一分频器。反相器通过电阻彼此串接，所述反相器的背栅或体区引出作为偏置端口，可以选择是NMOS以及PMOS中的一个引出(Vnbias或Vpbias)，或两者都引出。所述电容选自于可调电容、集成电容、以及外部电容中的任意一种。输出端通过一可选的分频器引出，用以降低测试用的核心信号频率，便于测量。
附图2所示是本发明一具体实施方式所述自加热效应参数的提取方法的实施步骤示意图，包括：步骤S20，提供一环形振荡器；步骤S21，执行多次不同振荡频率下的测量；步骤S22，对振荡频率最低的环形振荡器的等效电阻数据进行参数提取，作为自加热效应参数中的电阻值参数；步骤S23，对振荡频率最高的环形振荡器的等效电容数据进行参数提取，作为自加热效应参数中的电容值参数；步骤S24，改变环形振荡器中晶体管的沟道宽度，通过对不同沟道宽度的器件进行参数提取，获取自加热效应参数中的热阻与沟道宽度关系参数。
附图3所示是自加热效应参数的提取方法的基本物理参数模型。i表示电流，Rth表示热阻即器件的加热能力，Cth表示热电容即器件的热耗散能力。
步骤S20，提供一环形振荡器。所述环形振荡器为附图1所示的用于自加热效应参数的提取的环形振荡器。
步骤S21，执行多次不同振荡频率下的测量。以提取NMOS自加热效应为例，选取在PMOS背栅偏置条件固定情况下，NMOS背栅变化且核心振荡频率为低频，来测得数据。
步骤S22，对振荡频率最低的环形振荡器的等效电阻数据进行参数提取，作为自加热效应参数中的电阻值参数。由输出电阻公式：
Figure BDA0002869012040000041
其中Vdd为电源电压，k为工艺系数，W为沟道宽度，L为沟道长度，Vth为阈值电压，a为背栅偏置系数，Vbias为背栅偏压。
在工艺不变的条件下可知振荡频率为：
f＝1/2nRC
n为反相器个数，R＝(Rn+Rp)/2+Rseries,C＝Cinv+Cload。由公式可知频率正比于vod平方(vod＝vdd-vth-avbias),将温度变化纳入考虑可得：
Figure BDA0002869012040000042
其中ΔT正比于vod的四次方，因此频率存在关于vod平方的一次项与三次项。将步骤二中数据与vod平方项进行最小均方误差拟合，获得一次项与三次项系数，三次项与一次项系数比值即为热阻贡献频率变化率，依据模型拟合结果进而获得Rth。
步骤S23，对振荡频率最高的环形振荡器的等效电容数据进行参数提取，作为自加热效应参数中的电容值参数。提取出Rth后，本步骤使用高频范围的测试数据获取Cth，反应器件耗散能力系数。
步骤S24，改变环形振荡器中晶体管的沟道宽度，通过对不同沟道宽度的器件进行参数提取，获取自加热效应参数中的热阻与沟道宽度关系参数Wth。使用不同沟道宽度参数测试数据，循环实施上述步骤S21至S23。如存在相同类型器件组成的多种振荡频率的测试结果，可优选的进行多个特征提取，进行全局误差最小化得出提取数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自加热效应参数的提取装置，其特征在于，包括一环形振荡器，所述环形振荡器包括；
多个反相器，通过电阻彼此串接，所述反相器背栅或体区引出作为偏置端口；
每个反相器的输出端与地之间连接一电容，用以增加时间延时。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环形振荡器的背栅或体区的引出是NMOS以及PMOS中的一个或两者都引出。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电容选自于可调电容、集成电容、以及外部电容中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，输出端通过一分频器引出。
5.一种自加热效应参数的提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供权利要求1所述的自加热效应参数的提取装置；
执行多次不同振荡频率下的测量；
对振荡频率最低的环形振荡器的等效电阻数据进行参数提取，作为自加热效应参数中的电阻值参数；
对振荡频率最高的环形振荡器的等效电容数据进行参数提取，作为自加热效应参数中的电容值参数；
改变所述自加热效应参数的提取装置中环形振荡器中晶体管的沟道宽度，通过对不同沟道宽度的器件进行参数提取，获取自加热效应参数中的热阻与沟道宽度关系参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述环形振荡器的背栅或体区的引出是NMOS以及PMOS中的一个或两者都引出。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电容选自于可调电容、集成电容、以及外部电容中的任意一种。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，输出端通过一分频器引出，用以降低测试用的信号频率，便于测量。
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