设计噪声(DfN)

由Riko Radojcic和延锋
文摘:本白皮书描述电噪音的典型特征,并总结了当前半导体器件的噪声管理标准实践。技术趋势的影响——尤其是CMOS扩展噪声振幅和电路对噪声敏感,应对新出现的问题和要求——“噪音设计”——确定。总结的特点可用的解决方案直接噪声特性兼容卷过程的统计建模和控制噪声,是概述。

我简介:Design-for-Noise (DfN)
Design-for-Noise,很像的制造能力和其他Dfx实践,在许多方面是一个老问题的新名字。然而,所有技术趋势是把曾经是一个二阶变量只对专业应用程序很重要,成为一个主要关心的,将影响主流产品。因此需要开发和部署一个新的方法来管理噪音影响——“噪音”设计。多都是这样的例子多的DFM的解决方案,最终与OPC和RET实践部署的制造商,这里提出了DfN方法集中在制造业和描述的解决方案,而不是开发全新的设计实践。它,它提出了一个实用的方法来管理IC设计中噪声是提高SPICE-based方法发展在过去的几十年里,有更好的特性,更好的模型和更好的过程控制实践。

二世。物理-什么是噪音
已经写了很多关于电子设备的各种类型的噪声,和各自的来源和后果。表1总结了通常引用的类噪声:

这些噪音现象并不新鲜,已经研究了几十年,是一组很好建立数学模型来描述每一个机制。噪声特性,建模和管理技术已经开发出来,和典型的敏感性不同的设备类型(是机器,JFET MOSFET . .)是已知的。缓解电路设计实践很好建立,,尤其是大模拟电路设计,比如adc和dac电压需要解决一个小步骤,或过滤器和放大器,需要解决小信号从背景和/或承运人。

对于主流半导体器件类型,最重要的是热和闪烁噪声的来源。此外,射击和爆炸噪声是重要的电路,包括匹配和/或小的指控。一般来说,噪声分类和行为建模为“白噪音”(热+照片),没有频率依赖性和“1 / f噪声”(闪烁+破裂),并有很强的光谱依赖性(有时也称为粉红噪声)。

三世。目前的实践——通常是做什么噪音
当前的标准实践管理噪音的影响基本上是一个“测量和模型”的方法。即代表设备的噪声特征是在选定的样本,然后模仿标准的设备模型,如BSim或PSP模型场效电晶体或HiCUM MEXTRAM模型是机器的。这允许设计师执行合适的香料模拟电路来保证足够的利润对噪声的影响。

通常情况下,噪声表征数据提出了作为噪声电压(或电流)密度函数与频率,如下图所示。注意,测量噪声要求专业设备和自定义测试设置,为了减少的影响,内部(如测试设备本身的噪声)以及外部噪声(如耦合在夹具和电缆等…)。因此,噪声特性往往是很复杂的,缓慢而艰苦的,通常仅作为最初的一部分执行深入工程设备描述。

“转角频率”,在图中定义,通常是作为一个整体品质因数对于噪声与给定的设备类型或过程的技术。转角频率为双相设备的1到10 kHz的顺序(这意味着1 / f噪声分量较低相对于热噪声分量),vs 100千赫至1 MHz mosfet(这意味着1 / f噪声组件比热噪声更重要)。目前设备建立在III-V过程,如场效应晶体管和铟- gallium-phosphorous heterojunction-bipolar晶体管可以have1 / f角落在100 MHz的地区——这意味着1 / f噪声主宰所有其他来源虽然可以很低的噪声级。

注意,实际的噪声模型用于香料模拟是非常复杂的。基本上,噪声模型必须理解频率指数(1 / f的斜坡地区),偏见的依赖(拦截在轴的1 / f地区)和热的依赖(拦截轴flatband地区)。这是阈下设备的集成模型,线性和饱和第四区域的设备的特点。此外,噪声,特别是1 / f(闪烁和破裂)噪声,是由于带隙缺陷和界面状态——是一个直接的函数过程技术和特定的处理配方。噪音因此随生产过程,并可能有类似的“快”和“慢”过程的依赖。这种可变性的噪音,以及温度和电压依赖性,需要相关的所有其他过程温度-电压(PVT)敏感的设备模型。因此,提取和合适的设备模型噪声参数包括非常可怕的方程,是一个复杂的艺术通常最好留给设备建模专家。

然而,考虑到合适的表征和提取,现在好设备模型通常包含噪声,从而使香料模拟给定电路噪声的影响。然而,由于测量噪声和把它在标准设备模型是缓慢的和具有挑战性的,设备模型和电路的设计通常都是付保证金,以确保良好的产量和性能在整个PVT可变性范围。依靠合适的多余的保证金,以确保产量和可靠性,特别是对于参数间接控制,如噪音,是备受推崇的传统服务行业很好,噪音,因此目前无所不在地实践与管理和缓解。

四、噪声的影响和为什么噪声问题
从根本上说,噪音是一种内在的限制,规定任何电子系统的最小信号分辨率,因此影响大多数电路——尤其是那些工作在低电压/电流水平。因此噪声是一种类似于代表内在限制的操作温度高电压/电流。噪声的影响取决于电路的性质和类型的噪声。具体的典型的例子包括:

• 解决一个放大器,如用于射频前端电路在高频率范围是有限的白噪声——热,散粒噪声。明确信号的大小和光谱范围与噪音无法解决。
• 低端分辨率匹配电路依赖微分对- DAC和ADC转换器等是由不匹配,从而最终是有限的随机噪声的性质。最低有效位(LSB)必须大于噪声水平,并在MOSFET实现由闪烁噪声。
• 最低收费在内存中存储和解决一些细胞——例如在Flash中细胞——或最小阻力的差异——比如在婴儿车或MRAM单元——最终是有限的噪音。从存储电荷,明显感觉信号或电阻率差异,必须大于随机噪声地板,为了管理误比特率(BER)。
• 同样,记忆细胞依赖匹配晶体管特性——比如Vth sram -可以被噪音干扰,特别是破裂(随机电报噪声:研制噪声,影响产量和误码率。随之而来的影响设计窗口如下图所示:

研制影响设计窗口SRAM细胞。

• 时钟的抖动数字系统是受噪声影响,因为时钟锁相环电路是由压控振荡器(VCO)。闪烁噪声的主要原因是晶体管VCO振荡器的相位噪声锁相环路在CMOS中实现。

1 / f噪声可以up-converted和有助于VCO相位噪声

• 同样,许多传感器应用于现代系统的性能,如CMOS图像传感器,或各种MEMS设备——也同样受到各种类型的噪声。

,噪声的基本限制大多数设备之一,同时,它是一个电子设计的关键约束。它不一定是一个新的问题,特别是对模拟电路处理低电平信号,但它正在成为主流设计和正在成为一个主要约束数字电子系统,处理和存储部分。

正常的设计技术管理噪音影响归结为“过滤和放大”方法。基本上,噪音最小化的光谱范围相关的对于一个给定的电路通过使用合适的过滤技术,和/或预期的信号放大,没有相应的噪声信号的放大。这些方法显然是有限度的,因为任何附加电路,可以用来过滤噪音也介绍了增量噪声源和Si的成本区域和/或性能,所以,这个问题不能完全消除。最终目标信号的振幅必须高于预期的噪音水平。因此,很明显,噪声必须完全特征和控制以使先进的芯片和系统的稳健设计。

诉技术趋势——我们去
描述和管理噪音是一个日益严重的问题,因为技术趋势都是共同加剧了振幅和噪声的影响,在大多数设备类型和电路设计。因此,为了跟上技术的发展趋势,传统的建模、管理和降低噪声的影响目前使用的行业需要修订和更新。

直接影响噪声的技术趋势,本质上,直接与常规CMOS扩展有关,包括:

• 互补金属氧化物半导体设备的扩展自然使噪声的影响,尤其是1 / f噪声——更糟。从根本上讲,闪烁噪声经验建模为一个逆函数的设备区域,并且可以证明:V²= K / [(f) * (L * W * C ^牛)],K是阐释常数,f是频率,C ^牛是MOSFET的氧化物电容装置,W和L分别通道宽度和长度。即设备比例减少了总设备电流,因此使闪烁噪声更重要。
• 降低操作电压,与比例有关,自然使噪声的影响——特别是破裂(研制噪声更糟。很明显,减少Vdd的爆裂噪声的影响,例如,Vth的可变性,SRAM和稳定的细胞,变得更加重要。
• 减少营业利润率,自然与扩展有关,使得所有的可变性来源更重要的影响。因此,就像生产过程的内在变化,甚至包括非常微妙的现象,比如随机掺杂剂波动(RDF)和线边缘粗糙度(l)等。主要影响参数屈服,所有类型的噪音。此外,整个过程的噪声幅值谱分布变得更为重要,与巨大的最坏的情况下和最好的噪声,如下图所示:

注意,最糟糕/最好的情况并不一定与正常慢/快设备角落,因为噪音-特别是1 / f噪声是由接口状态和/或陷阱的带隙,而不是通常的主要L, W, Vth, u,等等…。参数。因此,噪声及其变异性的影响是双重的。,制造过程变异性导致噪音变化相对敏感,来自主要设备特征的变化(Idd, vg, Vth等. .),以及在实际变化的绝对振幅噪音,来自二次设备特征的变化,如陷阱密度和表面状态。注意,这些不一定是相关的。

此外,二阶现象间接相关的扩展也会加剧噪声和噪声管理挑战。考虑为例:

• 增加功率和功率密度在扩展设备自然会导致更高的操作温度和更大的温度梯度在死——对噪声有明显负面影响,特别是热和散粒噪声。此外,一个更大的温度梯度在死亡必然导致增加across-chip噪音变化——通常不理解的一个因素在当前香料模拟实践。
• 增加机械应力对设备性能的影响,通过故意应变工程(例如锗硅频道),或通过意外现象,比如各种Chip-Package -交互(CPI)可能会直接影响噪音,和噪声的变化。由于应力-应变现象直接影响硅晶体对称性,压力驱动的增长表明载流子迁移率的变化(所描述的压电系数),很可能这些现象也会影响陷阱密度和陷阱能级的分布——因此将直接对1 / f噪声和潜在的重大影响。

最后,它也完全可以想见,各种流程和设计趋势技术最终会对噪声和噪声敏感性产生意想不到的影响——其中没有一个是直接测量在批量生产和/或控制。考虑为例:

• 背后的准备过程——通常,次要影响任何一步IC关心——众所周知,直接驱动背后表面陷阱类型和密度。可以预期,减少模具厚度——如今低至10几嗯的移动和嵌入式应用程序和远低于名义载体扩散长度,带来噪音产生表面接近积极面对死亡。因此,可想而知,背面加工和模具厚度可以产生意想不到的影响的有效活动设备噪声。
• 新的所谓“超过摩尔”技术,使用2.5 d(并排)或3 d(死一样堆在一起其他)的集成(同质)或不同(异构)死,如果引入新特性——例如通过如果通过(TSV)或背面金属化和uBumps。这些特性也新的噪声来源——通过传统方法(e。g TSV实际上是一个很大的MOS电容器可以寄生信号注入衬底和几个活跃设备)或通过意想不到的方式(如表面状态TSV-Si界面可能是噪音)的一个重要来源。
• 造成的on-die热热点,高功率密度与高性能处理器用于现代SoC的,是由通过一个标准的动态调节性能dvf(动态电压和/或频率缩放)技术。这需要使用片上的温度传感器,与相关的DAC和信号处理电路。这些电路是直接受到噪声的影响,当地噪声变化很可能影响他们的利润,最终影响产品产量、性能和/或可靠性。

,很明显,所有的技术趋势不仅侵蚀利润率噪音,但也加剧噪声本身。这就意味着强大的电路设计实践将支持使用更大的利润率减轻噪声带来的影响。然而,所有的技术和经济压力有利于减少过剩的直接和间接成本利润率——无论是在形式的Si死区或权力——性能。因此,有一个矛盾需要保证金,以确保产量过剩,和最小化成本和最大化需要马力。这意味着随着噪声变得更重要,有一个新的权衡,需要优化-设计噪声识别和设计之间的“甜蜜点”的噪声容限和最省钱的Si利用率。然而,识别和选择,“甜蜜点”还需要获得更好的信息噪音,避免使用过量的风险保证金和浪费Si区域和/或性能,或使用保证金和影响产量太少,和潜在的产品质量和可靠性。即当前的典型实践描述噪声和建筑名义噪声模型在工程开发,然后依靠香料模拟,减轻任何产品水平噪声影响,是精疲力竭了。这是尤其如此,因为噪音来源实际上是完全不相关的典型指标用于控制生产过程——例如IDsat, IDlin, Vth,等等…,噪音会随薄片或lot-to-lot统计,并很可能漂移过程期间的生活。因此,噪声——一个新兴主要变量应该测量明确和直接控制;在技术开发、产品特征和调试期间,在卷制造。 Furthermore, noise should be treated as a statistical variable, and as such measured on a statistically significant sample, and described either with corner models or statistical models.

因此,用于噪声特性的传统做法和管理应该升级到支持快速,简单的统计测量噪音的代表和兼容实验室环境的详细的设备描述、产品调试、工程测试环境和测试层体积的过程控制生产环境。

VI.解决方案——噪声表征和测试
因此,考虑到需要一种新的方法——它应该是什么?一些想法:

• 方法直接测量噪声,而不是一个推断——因为噪声是不相关的任何标准的基本技术指标,是必需的。这规定需要仪器的分辨率和精度是足够好的直接噪声测量。
• 噪声测量方法,可以很容易地集成不仅与设备工程实验室环境,但也与产品测试环境,以及制造业窟测试环境,是必需的。这规定需要合适的噪声测量模块,可以即插即用的各种典型的类型与晶片探测器测试设备和兼容。

噪声测量方法不够快,使统计上有效的特征在工程开发阶段和/或兼容产品测试和过程控制体积的制造阶段,是必需的。这就决定了需要更快的采样和数据处理,在不影响精度。

幸运的是,通常情况下在我们的行业,实用和经济的解决方案,满足这些需求。这些解决方案不仅可以部署加强噪声特性在当前工程实验室和深建模领域,还将噪声特性引入环境兼容卷生产测试,包括相关的设置、吞吐量和经济约束。特定属性的证明包括:

• 嗨分辨率和精度:仪表,分辨率高达< 10-29A2 / Hz,现在是可用的。这使得直接测量的噪声地板许多传感器的应用程序,如MEMs、二极管、照片等,和/或测量真实DUT当前pA的,模拟电路的噪声特性所需的阈值和亚阈值范围。此外,一个非常广泛的光谱范围通过合适的SMU架构,不使用负载电阻已经证明。下图演示了这些分辨率和光谱响应特征:
  
• 独立的模块化设计:噪声测量平台,包括超级低噪声SMU,多个恢复,一个动态信号分析仪和PC控制器为基础,结合噪声数据分析和建模软件,因此允许方便地集成与现有的实验室和测试地板,已经证明了。此外,该系统包括创新“主见”降噪机理和自动LNA选择算法确保硬件准备塞&在任何环境中玩。此外,系统很容易兼容multi-die /多晶片测试和支持标准直流和G-S-G探针,经常需要管理在高res测量振荡。
• 速度:10-50X提高测量速度,相对于现有的方法,使直接噪声测量秒——在不影响精度和带宽,因此使得统计噪声特性和噪声窟测试在经济上可行,可用。这个加速来源于使用新硬件架构和专有的人工智能(AI)算法管理测量集成,以及先进的数据操作和演示软件。

因此,直接和快速测量各种噪声是可行的,可以部署在工程实验室更好的统计模型,和制造测试设施,为更好的噪声敏感的过程控制。加强实验室噪声特性使提取统计上有效的设备模型,而反过来,使准确的香料电路仿真。加强过程控制过程中噪音确保批量生产不漂移的过程建模的特点。更好的模型+与信心更好的过程控制可以让设计师设计,最小噪声边缘适合一个给定的产品。优化噪声容限的能力与信心然后提出的核心Design-for-Noise (DfN)实践-即使是最激进的产品适用和实用目标节点的最先进技术。