（测试计量技术及仪器专业论文）混合信号集成电路衬底噪声的模型化理论及其测试技术研究.pdf

电子科技大学博士论文 = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 摘要 f 近年来，随着无线通讯的迅速发展，r f 应用中的混合信号系统的规模 及复杂性不断增加，而现代集成电路发展中超深亚微米技术的出现，使集成 电路的特征尺寸进一步减小，从而可将复杂的混合信号系统以单片集成电路 的形式实现集成。在单片混合信号集成系统中，高速模拟电路和数字电路制 作于同一硅衬底上，这一技术使系统可靠性提高，系统成本、功耗和芯片面 积下降。但单片系统的数字部分与模拟部分共用一个衬底，由于公用衬底绝 缘的非理想性，多种寄生耦合机制使系统数字电路的瞬态量对低电平模拟信 号造成损伤，从而严重危害系统所要达到的性能。 衬底中的寄生电流在电路的不同部分间产生电耦合的过程就是衬底耦合 或称衬底噪声耦合，衬底中的假信号称为衬底噪声。由于衬底耦合将严重降 低混合信号集成电路的性能，如衬底功率损耗、电路带宽变化和电路增益变 化等，因此，在电路设计中必须对衬底准确进行模型化。通过含有准确衬底 模型的电路模拟，可在电路设计阶段对衬底耦合引起的系统性能下降进行定 量研究，据此优化设计。) 衬底噪声及耦合的研究属当前集成电路基础研究的前沿课题。本文对混 合信号集成电路衬底噪声的模型化理论及其测试技术进行研究，提出了新的 建模方法和新的测试技术，取得了较为显著的成果。 首先，对不同衬底类型中的衬底( 噪声) 耦合特性进行了全面的分析。分 析表明，多种寄生耦合机制形成了衬底噪声的注入、传输和接收，从而使混 合信号集成电路的数字部分和模拟部分间相互作用，使模拟信号受损。 其次，提出了一种有效的衬底( 噪声) 耦合的模型化方法。眩方法是将经 典的格林函数法与快速付立叶变换相结合，与传统的纯数值方法相比，其计 算速度快、占用计算机内存少，适于进行最小化衬底( 噪声) 耦合影响的电路 版图的优化。本文还对该方法提取衬底模型参数进行了模拟实验，验证了其 有效性和准确性。本文对复杂电路及结构进行了器件模拟和电路模拟，得出 了重掺杂型衬底的模型。矿1 然后，在指出衬底( 噪声) 耦合对电路性能的一些影响的同时，对弥补措 摘要 施作出了建议，论证了不同衬底类型中诸如防护环等隔离方案的有效性。建 立了典型的混合信号集成电路一单片数字p l l 电路的衬底模型，利用电路 模拟软件p s p i c e 和自编程序实现了其衬底( 噪声) 耦合对p l l 压控振荡器增 益、相位检波器增益及锁定时间等性能影响的电路模拟及分析，得出了一些 重要的结论。) “ 最后，研究了衬底噪声的测试技术。建立了衬底噪声影响有限带宽模拟 电路的通用模型，提出了一种连续时间直接测试技术，该技术能提供高达 1 g h z 的衬底噪声测试带宽，为确定衬底噪声的频谱成分以及检验衬底模型 的有效性提供了必备条件。 关键词：混合信号集成电路，衬底噪声， 7 l 村底聃黔书耦爿j 建模厂测试f 7 d o c t o r a ld i s s e r t a t i o n a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t h t h er a p i d d e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n c i r c u i t s ，m i x e d s i g n a ls y s t e m s i n c r e a s e di ns i z ea n d c o m p l e x i t y f o rr f a p p l i c a t i o n s a n di nt h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n t e g r a t e dc i r c u i t s ，t h ef e a t u r e s i z er e d u c t i o na n dt h ea d v e n to fu l t r ad e e ps u b m i c r o nt e c h n o l o g yh a sm a d ei t p o s s i b l et oi n t e g r a t ec o m p l e xm i x e d - s i g n a ls y s t e m si ns i n g l em o n o l i t h i ci c s i n m i x e d - s i g n a li c s ，b o t hh i g h s p e e da n a l o ga n dd i g i t a lc i r c u i t sa r ef a b r i c a t e do n t h es a m es i l i c o ns u b s t r a t e t h i si sd e s i r a b l ea si td r a m a t i c a l l yr e d u c e st h eo v e r a l l s y s t e mc o s t ，p o w e rd i s s i p a t i o n a n d c h i p a r e aw h i l ee n h a n c i n gp e r f o r m a n c e s o w i n gt oa n a l o ga n dd i g i t a lp a r t ss h a r i n gt h es a m es u b s t r a t eo ft h ei c ，t h en o n i d e a li s o l a t i o no ft h es u b s t r a t ea n dv a r i o u sp a r a s i t i cc o u p l i n gm e c h a n i s m s ，t h e r e i sad i s t i n c tp o s s i b i l i t yt h a tt h et r a n s i e n t si nt h ed i g i t a lc i r c u i t r yo fs u c hs y s t e m s w i l l c o r r u p tl o w - l e v e la n a l o gs i g n a l sa n ds e r i o u s l yc o m p r o m i s et h ea c h i e v a b l e p e r f o r m a n c e s u b s t r a t e ( n o i s e ) c o u p l i n g i n i n t e g r a t e d c i r c u i t si st h e p r o c e s sw h e r e b y p a r a s i t i cc u r r e n tf l o w i n gi nt h es u b s t r a t ee l e c t r i c a l l yc o u p l e sd e v i c e si nd i f f e r e n t p a r t s o ft h ec i r c u i t t h e s p u r i o u ss i g n a l s i nt h es u b s t r a t ea r er e f e r r e dt oa s s u b s t r a t en o i s e t h ed e g r a d a t i o no fs y s t e mp e r f o r m a n c ed u et o s u b s l r a t e ( n o i s e ) c o u p l i n g c a nm a n i f e s ti t s e l fi ns e v e r a l w a y ss u c h a st h ep o w e rl o s si nt h e s u b s t r a t e ，t h ec h a n g ei nc i r c u i tb a n d w i d t h ，t h ec h a n g ei nc i r c u i tg a i n ，e t c s o ，i ti s v e r yi m p o r t a n tt om o d e l i n gt h es u b s t r a t ec o u p l i n ga tt h ec i r c u i t d e s i g ns t a g e i t c a l lb ea d d r e s s e db yi n c l u d i n ga c c u r a t es u b s t r a t em o d e l si nc i r c u i t s i m u l a t i o n s ， t h r o u g hw h i c h t h ed e s i g nc a r tb e o p t i m i z e d t h e s t u d yo f s u b s t r a t en o i s ec o u p l i n gb e l o n g st ot h ef o r w a r dt a s k sf o rs t u d y o fm o d e r ni c sb a s i s t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t san o v e lm o d e l i n gm e t h o da n da n o v e lm e a s u r e m e n tt e c h n i q u eo ft h es u b s t r a t en o i s ei n m i x e d s i g n a li n t e g r a t e d c i r c u i t s s o m ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e nm a d e a b s t r a c t i n i t i a l l v t h en a t u r eo fs u b s t r a t ec o u p l i n gi n d i f f e r e n tt y p e so fs u b s t r a t e si s a n a l y z e di nd e t a i l t h ee x i s t i n go f v a r i o u sp a r a s i t i cc o u p l i n gm e c h a n i s m si m p l i e s i n t e r a c t i o nb e t w e e nd i g i t a lp a r t sa n da n a l o gp a r t so fm i x e d s i g n a li c s ，r e s u l t i n g i l lt h ea n a l o gs i g n a ld e g r a d a t i o n n e x t ，a ne f f i c i e n tt e c h n i q u et om o d e ls u b s t r a t ec o u p l i n gi sp r e s e n t e d i nt h e t h e s i s t h et e c h n i q u eu s e sac o m b i n a t i o no f t h ec l a s s i c a lg r e e nf u n c t i o nm e t h o d a n dt h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp u r e l yn u m e r i c a l t e c l m i q u e ，t h i st e c h n i q u e h a sa d v a n t a g e si n s p e e d a n dm e m o r yr e q u i r e m e n t ， w h i c hm a k ei ts u i t a b l ef o ro p t i m i z a t i o no fc i r c u i tl a y o u tf o rm i n i m i z a t i o no f s u b s t r a t ec o u p l i n gr e l a t e de f f e c t s e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no ft h et e c h n i q u eh a s a l s ob e e np e r f o r m e d am o d e lo fh e a v i l yd o p e ds u b s t r a t ei sd e r i v e dt h r o u g ht h e d e v i c ea n dc i r c u i ts i m u l a t i o n sf o rc o m p l e xc i r c u i ta n ds t r u c t u r e f u r t h e r m o r e ，s e v e r a le f f e c t so fs u b s t r a t ec o u p l i n go nc i r c u i tp e r f o r m a n c e s h a v eb e e np r e s e n t e d a tt h es a m et i m e ，t h er e m e d i e sf o rt h a th a v eb e e ns u g g e s t e d t h ee f f e c t i v e n e s so fi s o l a t i o ns c h e m e s ，s u c ha sg u a r dr i n g s ，i nd i f f e r e n tt y p e so f s u b s t r a t eh a sa l s ob e e nd i s c u s s e d t h es u b s t r a t em o d e lo ft y p i c a lm i x e d s i g n a l i n t e g r a t e dc i r c u i t - - m o n o l i t h i cd i g i t a lp h a s el o c k e dl o o p ( p l l ) h a sb e e nb u i l t ， f o rw h i c ht h ec i r c u i ts i m u l a t i o na n d a n a l y s i s h a sb e e n d o n e u s i n g c i r c u i t s i m u l a t o rp s p i c ea n dt h ep r o g r a m sw r i t t e ni ncb yt h ea u t h o r i td e a l sw i t ht h e e f f e c t so fp l l ss u b s t r a t e ( n o i s e ) c o u p l i n go ni t sv c o g a i n ，p h a s ed e t e c t o rg a i n ， l o c kt i m ee t c s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa r ed e r i v e d f i n a l l y , t h em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s o fs u b s t r a t en o i s ea r ea d d r e s s e d a g e n e r a lm o d e lo f t h ee f f e c to fs u b s t r a t en o i s eo nb a n d l i m i t e da n a l o gc i r c u i t si s d e d u c e d an o v e lc o n t i n u o u s t i m ed i r e c tm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei s p r e s e n t e d ， w h i c hp r o v i d e saf r e q u e n c yb a n du pt o1g h za n dt h u sp r o v i d e st h en e c e s s a r y c o n d i t i o n sf o r d e t e c t i n g t h e f r e q u e n c yc o m p o n e n t s o fs u b s t r a t en o i s ea n d v e r i f y i n gt h ea c c u r a c yo fs u b s t r a t em o d e l s k e y w o r d s ：m i x e d s i g n a li n t e g r a t e dc i r c u i t ，s u b s t r a t en o i s e ， s u b s t r a t e ( n o i s e ) c o u p l i n g ，m o d e l i n g ，m e a s u r e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，i , j 仑3 c 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：监导师签名：毖 电子科技大学博士论文 第一章引言 近年来，由于无线通讯的迅速发展以及多种媒体应用的需要，混合信号 集成系统的规模及复杂性不断增加。系统中，高速模拟电路和大规模数字电 路制作于同一硅衬底上“1 1 。如，在一个典型的用于便携通讯系统的r f 电 路芯片上，天线、射频元器件、模拟和数字子系统必须以统一的方式进行设 计，以提供所需的性能、功耗及尺寸。这些特性导致同一集成电路中不同电 路间有寄生干扰。衬底中的寄生电流在电路的不同部分间产生电耦合的过程 就是衬底耦合或称衬底噪声耦合，衬底中的假信号( 寄生电流) 称为衬底噪 声。 与数字电路不同，芯片中的模拟电路部分对于电源电压及衬底地电压的 变化非常敏感。数字电路中高低电平的快速切换在衬底中注入大量瞬态噪 声，从而在模拟电路中引入不容许的噪声信号。衬底噪声将严重降低混合信 号集成电路的性能，在电路设计中必须认真加以考虑。 1 1 课题研究的发展与现状 电子电路有两种主要的形式，即模拟电路和数字电路。数字电路主要由 各种不同类型的门组成，由数字信号驱动，并以非常高的速率在高、低电平 间切换；模拟电路由模拟信号驱动。基于这两种类型的电路，有两种基本的 集成电路一数字集成电路和模拟集成电路。如今，在性能优良的无线通讯系 统及其它一些系统中，将模拟电路和数字电路设计在同一芯片中、共用一个 衬底已较普遍。在这些集成电路芯片中既有模拟电路部分又有数字电路部 分，同时由模拟和数字两种信号驱动，这种集成电路就是混合信号集成电路。 混合信号集成电路在无线通讯特别是个人通讯设备中有着大量的应用。 由于大多数通讯电路中既有模拟电路又有数字电路，为了减小电路间的寄生 作用，传统的方法是将不同类型的电路如低噪声放大器与分频器等开关电路 制作在不同的衬底上。而近年来随着个人通讯市场的发展，基于便携和小型 化要求，迫切需要高集成度的低功耗射频电路，因此将分频器等开关电路即 所谓“噪声产生电路”与低噪声电路集成在同一衬底上就是电路设计者所面 第一章绪论 临的一个主要的挑战。 相对于模拟部分与数字部分相分离的集成电路而言，采用混合信号集成 电路可降低功耗、节省空间和硅材料以及设计时间，且相应系统非常可靠， 成本效率高( c o s te f f e c t i v e ) 。但同时，也出现了新的问题。在数字信号电 平转换期间，作为数字电路的门电路中会产生很大的瞬态电流，这些电流会 以假信号耦合到衬底，成为噪声。这种噪声会以一种假信号的形式影响电路 中比较灵敏的模拟电路部分，从而影响整个电路的性能。这种假信号就是衬 底噪声，图1 1 示出了混合信号集成电路中的这种影响。 图1 1 混合信号集成电路中通过衬底的噪声耦合 混合信号集成电路衬底噪声的研究始于二十世纪九十年代初期。超大规 模集成电路v l s j 集成度的进一步增加以及电路工作速率的不断提高，使衬 底对电路性能的影响增加【3 _ ”。为了考虑这种影响，在电路设计阶段必须对 衬底进行模型化，实现电路模拟，并籍此优化设计。 近年来，电子设计师们一直致力于衬底的模型化研究、应用s p i c e 对 电路的模拟技术研究以及最小化电路中衬底噪声影响的方法研究，关于衬底 噪声已有不少研究成果。a l l s o r td j ，c a r l e ylr ，r u t e n b a rra 等【9 _ ”1 和m e y e r 电子科技大学博士论文 rg 等i t “s 1 指出了由于数字门电路的电平切换在衬底中所产生的不同形式的 电流注入。许多的研究工作源于寻找计算衬底宏模型的有效方法，在这些方 法中，较为流行的有：有限差分法【】“，a w e ( a s y m p t o t i cw a v e f o r me v a l u a t i o n ) 算法 2 1 - 2 5 1 等。 同时，大量的对衬底噪声的研究工作也源于寻找抑制混合信号集成电 路中的衬底噪声的有效措施1 2 0 3 7 4 8 - 4 9 ”9 2 “。抑制衬底噪声的主要趋向在于 如何抑制由于混合信号集成电路中数字电路部分的快速切换所形成的衬底电 流对电路中变化相对较慢的模拟电路部分的影响。采用防护环2 0 儿”7 6 儿9 7 1 是 较为常用的方法之一，其原理比较简单，就是利用重掺杂环形结构以抑制载 流子的任意流动。这种载流子的抑制作用有助于保护集成电路中的模拟电路 部分。基于相似的原理，采用沟槽隔离( t r e n c hi s o l a t i o n ) 法【6 8 1 和 s o i ”儿3 7 ( s i l i c o n o ni n s u l a t o r ) t 艺也能抑制衬底噪声。上述三种方法中，采 用s o i 工艺抑制衬底噪声最为有效和可靠。据文献【1 6 报道，混合信号集成 电路采用s o 衬底类型时，衬底噪声的耦合摄小，但s o i 由于工序较多而 致制造成本较高。目前，人们仍在研究混合信号集成电路中抑制衬底噪声的 更好的工艺方法。 混合信号集成电路s p i c e 模拟技术的研究，侧重于通过电路的s p i c e 模拟来实际验证设计的准确性f 7 8 8 。为此，在模拟中必须以一定的形式嵌 入准确的衬底模型，以便使模拟结果中含有描述准确的衬底噪声的影响，从 而使研究、分析的最终结果准确。从设计的观点讲，应用准确的模拟技术非 常重要，否则设计不能得到正确验证。 为了进行上述三个方面的研究以及有效抑制混合信号集成电路中的衬底 噪声，必须对实际芯片中的衬底噪声进行测试 2 0 1 5 9 - 6 1 1 1 7 0 - 7 1 i i 0 ”。文献 2 0 7 0 7 1 采用了单个晶体管放大器测试混合信号集成电路中的切换噪声， 文献 5 9 6 1 中提出了一种对衬底噪声作统计观测的基于电压比较器的测试 方法。这两种测试方法均是非直接的测试技术，其测试的不是衬底电压，其 测试的分别是衬底电压对m o s f e f ( 金属氧化物半导体场效应管) 的电流和对 比较器状态的影响。 1 2 本文工作与结构安排 第一章绪论 现代集成电路特征尺寸的减小和工艺质量的改进使得复杂的混合信号系 统可以以单片集成电路的形式实现集成，这一技术可使系统成本下降、可靠 性提高。但由于系统的数字部分与模拟部分共用一个衬底、公用衬底绝缘的 非理想性，多种寄生耦合机制使系统数字电路的瞬态量对低电平模拟信号造 成损伤，从而严重危害所要达到的性能。衬底中的假信号( 图1 1 中所示) 称 之为衬底噪声，衬底噪声的研究属当前集成电路基础研究的前沿课题。 本文的研究得到国家留学基金管理委员会基金资助，重点就混合信号集 成电路衬底噪声的模型化理论及其测试技术进行研究。 研究混合信号集成电路衬底噪声的模型化理论，是在全面分析不同衬底 类型中的衬底噪声耦合特性的基础上，实现衬底噪声的建模，并进行验证： 为了在混合信号集成电路的实现中抑制村底噪声的影响，对噪声源、噪声耦 合路径和受影响电路的特性作准确的研究，对衬底模型作精确的验证，重要 的一环是必须对衬底噪声进行测试，因此，需研究混合信号集成电路衬底噪 声的测试技术。本文的工作即是围绕上述这些方面展开的，具体工作如下： 当电流注入衬底时便会产生衬底噪声，衬底噪声耦合是指注入的电流噪 声通过衬底在不同电路间的传输、接收。本文对典型的有源器件b j t 、m o s 晶体管和二极管以及典型的无源元件电阻、电容、电感、互连线、局部阱和 扩散等的衬底噪声的注入、接收及传输机理作了较全面、深入的研究。研究 表明：衬底噪声电流主要是通过元器件与衬底间的寄生电容如p n 结电容或 互连电容注入衬底的；大多数表面器件的噪声接收也是通过电容感应实现 的；衬底噪声的传输机理复杂，且与工作频率有关。 在电路的设计阶段，需对衬底耦合程度作出预估，并进行基于最小化衬 底噪声耦合的电路版图的优化，其基础是对衬底噪声耦合建模。本文首先通 过研究两种典型衬底的电流注入机制以及电流在衬底中的分布，得出了衬底 的简化结构模型。其次，在衬底电路模型参数的提取中，将格林函数法与快 速付立叶变换( f f t ) 结合，推导出了提取衬底电阻参数、电容参数的计算公 式。实验结果表明：格林函数法与快速付立叶变换( f f t ) 结合提取衬底模型 参数的方法，与纯数值方法相比，其计算速度快、占用计算机内存少，且便 于混合信号集成电路版图的优化。提取衬底电路模型参数的格林函数法是有 效而可靠的。 电子科技大学博士论文 本文对集成电路中衬底噪声耦合的影响的研究表明，器件间距离越近( 带 外延层的重掺杂衬底例外) 、电路切换速率越快，则衬底噪声耦合越强。衬 底噪声耦合还与工艺有关。在c m o s 电路n 阱工艺中，n m o s 管间的噪声 电平比p m o s 管间的噪声电平高，且切换器件为n 型时的相互作用强。衬 底噪声耦合对电路的影响是电路带宽变窄、噪声指标下降、衬底功率损耗等。 在研究集成电路中抑制衬底噪声耦合的技术措施方面，本文论述了在高电阻 率衬底中，窄防护环能提供好的衬底隔离。 本文还基于混合信号集成电路一单片数字锁相环制作于不同类型的衬底 上时的衬底噪声建模和模型参数提取，就衬底噪声对单片数字锁相环性能的 影响进行了模拟研究和分析，实现了对衬底噪声的模型化理论以及有关衬底 噪声对电路性能产生影响的进一步的模拟实验验证。 为了研究衬底噪声的测试技术，本文首先从频域观点建立了衬底噪声对 有限带宽模拟电路的影响的通用模型，并由此推知，衬底噪声的频率分布在 很大程度上决定了衬底噪声对有限带宽模拟电路的影响程度。然后，提出了 一种连续时间测试技术，电路模拟表明，该测试技术中所采用的噪声探测器 能提供高达1 g h z 的衬底噪声测试带宽，这为确定衬底噪声的频谱成分以及 检验衬底模型的有效性提供了必备条件。 本文展望了未来进一步的工作。 本文的结构如下： 第一章，综述了混合信号集成电路衬底噪声研究的发展及现状，介绍了 本文的研究工作内容：第二章，是对不同器件中衬底噪声的注入与接收机理 以及噪声在衬底中的传输机理进行的研究；第三章，研究混合信号集成电路 衬底( 噪声) 耦合的模型化理论，并进行实验验证；第四章，研究混合信号集 成电路器件间距离、电路工作速度和衬底掺杂浓度等与衬底( 噪声) 耦合的关 系，研究衬底( 噪声) 耦合对电路性能的影响，分析不同衬底类型中的降噪技 术；第五章，对第三章所论述的衬底噪声的模型化理论以及第四章有关衬底 耦合对电路性能产生影响作了进一步的模拟实验验证；第六章，研究混合信 号集成电路中衬底噪声的测试技术；第七章，总结了本文研究的工作成果和 贡献，对未来工作进行了展望。 电子科技大学博士论文 第二章衬底噪声注入、接收与传输机理的研究7 9 1 2 2 1 现代集成电路制造中有两种典型的通用衬底，即均匀掺杂衬底和带外延 层的重掺杂衬底，其截面图如图2 1 所示。图2 1 ( a ) 所示为均匀掺杂衬底， 主要由轻掺杂的体区构成，体区厚度约为2 0 0 4 0 0 9 m 。带外延层的重掺杂 衬底是在重掺杂的p 型或n 型衬底体上生长一轻掺杂的p 型或n 型外延层形 成的，衬底体厚度典型值为1 0 0 4 0 0 u m ，外延层厚度变化范围为5 1 5 p m ， 典型的衬底体和外延层掺杂浓度示于图2 1 ( b ) 中。均匀掺杂衬底的制造成本 较低，多数芯片采用这种衬底。但在现代c m o s 工艺中，为了防止闩锁 ( l a t c h u p ) 现象，也常采用重掺杂衬底。 本章全面研究不同器件中衬底噪声的注入与接收机理以及噪声在衬底中 的传输机理。 2 1 衬底噪声的注入机理 6 第二章衬底噪声注入、接收与传输机理的研究 用于硅集成电路中的不同类型的有源器件典型的有双极型结型晶体管 ( b j t ) 、m o s 晶体管和二极管。典型的无源器件包括电阻、电容、电感和 互连线。局部阱及扩散也表征为无源结构。 2 1 1b j t 和二极管中衬底噪声的注入 双极型n p n 晶体管的截面图如图2 2 所示，这类器件通过集电极到衬 底体的p n 结电容( c 9 与衬底相互作用。在电路模拟软件如s p i c e 中， 此结电容包含于模型元件中，其值取决于衬底和集电极的掺杂级以及集电极 相对于衬底的偏置电平，计算公式如下 i b 坚i + v c , ) f l n 生c + 型n ! , ) 1 ( 2 1 ) 式( 2 一1 ) 中，和m 分别为集电极和衬底的掺杂级( c m 。3 ) ，是p n 结 的内建电位差，吃为集电极到衬底的偏置电压，q 为电子电荷，s 为半导体 介电常数。此公式适用于突变结，更为复杂的掺杂分布的电容表达式见文献 1 6 。 当器件进入工作饱和区时，可观测到双极型晶体管另一种噪声注入衬底 的机理。即当晶体管基极相对于发射极为正偏置时，图2 2 中所示的寄生p n p 管进入作用区，n p n 器件的基极成为寄生p n p 管的发射极，集电极成为寄 生p n p 管的基极，而p 衬底成为寄生p n p 管的集电极。可以预见该寄生器 件的正向增益小，因为寄生基极( n p n 集电极) 的厚度很厚。 横向p n p 晶体管通过基极到衬底的电容向衬底注入噪声，如图2 3 所 示。纵向晶体管中，衬底就是集电极，如图2 4 所示，因此这类器件有着“衬 底噪声注入器”的作用。 电子科技大学博士论文 二极管的典型制造是将双极型n p n 晶体管的基极与发射极相连，其衬 底电流注入通过集电极到衬底的结电容实现。 2 1 2m o s 器件产生的电流注入 m o s 器件如图2 5 所示。该图表征了n 阱工艺，在此种工艺中，n m o s 器件通过源极漏极到衬底的电容与衬底直接相互作用，这种作用在s p i c e 中模型化为c j o 和c j s w 。此外，热电子效应也导致多数载流子注入衬底。 热电子引入的衬底电流l 。与器件工作电流有关，其分析表达式为 k 。“肌一) i de x p 【一志j ( 2 屯) 式( 2 - 2 ) 中，厶为漏极电流，为漏极到源极的电压，而。；为漏源饱和电 压；丘和屹是经验常数，忆取决于 。( 氧化层厚度) 及j ，( 漏极结深) ，即 k 2o c f 。， ( 2 - 3 ) 由电容耦合产生的电流注入的本质与雪崩诱导电流的本质是不同的，因 为热电子引入的电流总是注入到衬底中。在切换的c m o s 倒相器中，当电平 由0 一l 和由1 一o 时，热电子引入的电流将注入到衬底中，电流的容性分量 第二章衬底噪声注入、接收与传输机理的研究 在两个边缘处反转方向。因此，热电子引入的电流中含有大量的切换频率的 偶次谐波成分和一个直流( d c ) 成分，而电容电流中含有大量的切换频率的奇 次谐波成分。衬底电流中d c 分量的存在对电路的工作极为有害，除导致门 限电压飘移外，还可能因器件与衬底的p n 结部分正偏而引起注入衬底的少 数载流子的增加。 对于小信号而言，热电子引入的电流作用可模型化为漏极到衬底体的 跨导 ” ，由下式给出 s m = 等2 而k 2 1 s u b ( 2 圳 小信号电路分析时，该参数的主要作用是使晶体管的输出阻抗降低，因其与 器件的只( 输出电阻) 并联。 由于空穴的电离系数较低，p m o s 器件中热电子引入的衬底电流比n m o s 器件要小得多。此外，这里所示工艺的p m o s 器件制作于局部接地的阱中。 因此可以预见，只要n 阱具有很好的与地接触，则p m o s 器件引起的衬底电 压、电流摆动比n m o s 器件小。但如果阱电位相对于衬底电位有变化，则由 于阱具有大的反向偏置的阱到衬底的电容，将引起大量的衬底噪声注入，阱 成为个大的注入器。 除上述及2 1 1 节所述有源器件中表征的具体形式的衬底注入外，这些 器件与衬底间形成的反偏p n 结还呈现有稳定的d c 泄漏电流，此电流由沿电 场方向越过耗尽层的载流子组成。在电场的作用下，电子注入到n 区，空穴 注入到p 区，因此这种注入机理引入的电流是一种多子飘移电流。 2 1 3 片上( o n - o h ip ) 无源元件中的电流注入 典型工艺的无源元件示于图2 6 ( a ) 一( e ) ，包括电阻、电容、电感及局部 电子科技大学博士论文 扩散。 现代工艺制作的电阻或为多晶硅型或为扩散型，多晶硅电阻到衬底的寄 生电容相对较小。因此，同样尺寸的扩散电阻较之多晶硅电阻会注入更多的 噪声到衬底。如果电阻的一端连接到交流地，则在低频时当加至电阻另一端 的电压为f 。，通过将电阻模型化为损耗传输线可得出注入衬底的电流为 ，：厍蛐f 孕 s ， 式( 2 5 1 中，c 是电阻每单位长度的电容，r 是每单位长度电阻，三是电阻的 长度。在高频时，该方程预示注入衬底电流有f o5 之依存关系。 电容可为多晶硅一多晶硅型，也可为金属多晶硅型或多晶硅一衬底型。 对于给定的电容量，金属金属型电容器具有最大比率的至衬底的寄生电容。 因此，如果这类器件用于制作大的片上电容时，它们将起着显著的衬底噪声 注入器的作用。 第二章衬底噪声注入、接收与传输机理的研究 ：一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! 一 衬底中的局部扩散可为p 型或n 型，n 型扩散通过反偏电容注入噪声。 p 型扩散常用作衬底引线或防护环，用于将衬底连接到所希望的电位上。如 果设计不当，这些扩散向衬底注入的噪声电平将非常高，因为它们是作为衬 底上的广阔的地平面，其上的任何电压摆动都将通过非常低的阻抗路径在芯 片上所有的扩散范围内传递。 片上电感和互连线通过氧化层对衬底所形成的寄生电容向衬底注入噪 声。村底寄生量会导致电感的品质因数下降，因此必须模型化衬底损耗以获 得电感性能的准确预测。 2 2 衬底噪声的接收机理 大多数表面器件的噪声接收是通过电容感应实现的，如b j t 、电容、电 感以及互连线。 横向p n p 器件中与衬底间的p n 结是由n 型基区形成的，如果p n p 器 件用在增益级，则器件的基极必须很好地加以防护或连接至低阻抗节点，否 则衬底噪声将通过电路增益而放大。 m o s 器件除通过源极和漏极耗尽结的电容拾取衬底噪声外，体效应的 作用使其具有更为严重的衬底影响。m o s 晶体管的阈电压是衬底电位的强 函数，对于均匀面杂质浓度虬，阈电压函数关系如下7 1 _ ：”雩塑陬一历) ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中，巧为阈电压，s 为硅介质介电常数，乞是每单位面积的氧化电容 值，2 啡为表面反相电位，为源极一衬底体电位。体效应使漏极电流取决 于衬底电位，在小信号器件模型中这种作用可以用一个线性模型参数晶。表 征，漏极电流与衬底体一源极电位的关系为巩。虼。由图2 7 可知，由于栅极 与源极短接，m o s 晶体管的衬底到漏极节点间有一个增益级存在。通过适当 简化，有 堕：丝坠( 2 7 ) g m 2 c “砷f + y s b 式( 2 7 ) 中，g 。是器件的小信号跨导，表征了漏极电流与栅一源电压的关系。 在典型i c 工艺中，上述比值变化范围为0 1 0 3 ，因此寄生的衬底体一漏极 电子科技大学博士论文 图2 7m o s f e t 中的体效应 增益比栅一漏增益只低1 0 - - - 2 0d b 。 m o s f e t 中的体效应使得这类器件特别易于受衬底噪声接收的影响。 其他多数器件通过电容的衬底噪声接收仅在相对高频( m h z 以上) 时才变得 有效，而体效应在低频时即能产生影响。 2 3 衬底噪声的传输机理 衬底是噪声从一个器件耦合至另一器件的媒体。因此，为了理解衬底耦 合现象，首要的是确定电流在衬底中流动的机理以及它们与衬底材料参数的 相关性。 2 3 1 简单的衬底模型 如果将衬底模型化为一有损耗的电介质，则式( 2 8 ) 所示的欧姆定律的 分布形式适用于衬底。 ，= p + j o e 皿( 2 - 8 ) 式( 2 8 ) 中，是衬底的电流密度( a c m 2 ) ，e 是电场( v c m ) ，o 是电导率， 是硅的介电常数。应用典型材料( 电阻率为1 m r 2 一c m 一2 0 f 2 一c m ) ，对于衬底阻 抗的一阶计算，可将衬底视为一简单的分布电阻。此结论直至2 g h z 频率均 正确，因为在该频率点电纳“o s ”约为7 5 q c m 。电导率。取决于载流予浓 度“p ”和迁移率“儿”，即o = p q t j p ，因而电导率是衬底中掺杂分布的函数。 上述模型所考虑的电流仅有( 场致) 漂移电流，此模型对于低能级多子 导电是有效的。 少子电流比上面所考虑的简单多子情形要复杂得多。过剩载流予( 非平 第二章利底噪声注入、接收与传输机理的研究 衡载流子) 的运动由下面的传输方程决定。 挈：见v2 + v j n l d fr ( 2 9 a ) 塑o r = d p v 2 p l - ve j p - p 旦。( 2 - 9 b ) d 。和d 。是扩散常数，z ，和以为漂移电流( = ，日，t 为载流子复合时间，p ： 和n ，是热平衡过剩载流子浓度值。 少子一旦注入衬底，可存在很长一段时间周期( 载流子寿命) 并导致局部 电导率的很大变化。但少子大量注入衬底通常表明为一失效( 故障) 状态，即 器件与衬底间的p n 结导通时，才会发生。故为了模型化衬底噪声耦合，我 们只考虑如( 2 8 ) 式给出的漂移形成的衬底电流。 衬底中少子流动的计算需对与时间有关的扩散方程( 2 9 a ) j i ( 2 9 b ) 求解， 这即便对单个器件计算代价也很大。在大规模衬底模拟中，由于计算的约束， 式( 2 ，9 a ) $ 1 3 ( 2 - 9 b ) 的求解目前还不可行。 2 3 2 衬底高频特性的表征 在频率高于4 5 g h z 时，上述所作静电假设的误差可能是不容许的。在 这些频率上，衬底的正确模型只有通过解衬底中的麦克斯韦方程获得。经衬 底的耦合不再以寄生耦合为主，这使得问题更加复杂。大量的能流通过氧化 层甚至通过封装发生，因而在这些频率上把衬底看作能流的特殊媒体是不够 的。但可以预见，即使是在模型的某些假设失效的频率上，简单的一阶计算 的结果也可为设计提供好的指示。为了作快速的寄生参数提取，忽略控制方 程的某些过于详尽的特征而牺牲精度常常是必须的。 电子科技大学博士论文 作为相关的问题，我们考虑图2 8 所示s i o ，一s i 系统上的一段互连线的 性能特点。该问题与所考虑的衬底问题不一样，但可阐明衬底的高频性能。 随着信号频率的不同，衬底表现有三种不同的模“8 】。这三种模是准t e m 模( 横电磁模) ，慢波模以及趋肤效应模。当硅层的磁化率远高于其电导率时， 存在准t e m 模，s i o ，- s i 多层媒体显现出象多层电介质的特性。当硅层的垂 直尺寸可以与趋肤深度相比拟时，在高频率也出现