基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法技术

一种基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法，包括：1)确定电路系统特性在可靠性方面的要求，将一段时间后一定应力条件下系统特性退化量描述为器件特性函数；2)调整元器件参数，对电路系统进行优化设计，利用SPICE的灵敏度分析工具和SPICE的smoke分析工具找到既对电路系统特性影响大又受应力影响大的关键元器件，优化所述的该关键元器件参数，从而延长电路系统寿命周期；3)应用SPICE的Monte Carlo仿真对系统进行不同工艺参数模型仿真，不符合可靠性要求，返回2)对关键电路重新进行设计，直到满足系统要求。本发明专利技术很好的解决了设计阶段功能仿真与可靠性仿真的同步性，工艺变化时只需调整影响寿命周期的参数即可。

Design of analog / radio frequency integrated circuit based on SPICE software

A SPICE software based analog / RF integrated circuit design method, including: 1) to determine the requirements in terms of reliability of the circuit system will, after a period of time should be certain system characteristics under degradation is described as the device characteristics function; 2) to adjust the parameters of the components, to optimize the design of the circuit system, using SPICE the sensitivity analysis tools and SPICE smoke analysis tool to find both the circuit system characteristics affect large and key components would be affected by the influence of the parameter optimization of the key components of the circuit system so as to prolong the life cycle; 3) Carlo Monte simulation by the SPICE simulation model of different process parameters on the system, do not meet the reliability 2) return requirements, re design of the key circuit, until the meet the requirements of the system. The invention solves the synchronization of the function simulation and the reliability simulation in the design phase, and the parameters that influence the life cycle can be adjusted only when the process changes.

【技术实现步骤摘要】
基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法
本专利技术涉及一种集成电路设计方法。特别是涉及一种基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法。
技术介绍
随着集成电路制造技术的发展，采用按比例缩小的原则(即在恒定电压下，器件尺寸缩小k倍，掺杂浓度增加k倍，电场强度增加k倍，则电流密度增加k3倍)，使IC的规模不断增加性能和功能不断扩大和完善。但因工作电压并不能相应降低，电路中的电流密度和电场强度大大增加，加上一些新技术的采用，如采用多层布线技术，互连线要经过多个复杂的台阶，台阶的覆盖性能变差，这就造成互连线中的电迁移问题严重起来；电场的增强使MOS器件中栅介质的漏电和击穿成了问题；在短沟器件中(有效沟道长度小于3μm)热载流子效应(HCI)显著，成为当前MOSFET中的主要可靠性问题；另外随着器件尺寸向超深亚微米的不断发展，负偏置温度不稳定效应(NBTI)使PMOS管的退化问题越来越严重。而集成电路应用领域的不断扩大，特别是近年来向军用及航空航天领域的发展，推动着集成电路可靠性水平的不断发展与提高。在集成电路的设计阶段利用EDA工具及时评估CMOS集成电路在外界stress(信号摆幅、温度、偏置)条件下长期工作的可靠性水平，确定影响电路可靠性水平的主要失效机理，预计某种失效机理引起的早期失效，根据电路及版图设计找出可靠性方面的薄弱环节，及时改进电路或版图，使电路在投产前就具有长期的可靠性水平。近期以来，国外开发的可靠性仿真工具主要有HOTRON、RELY、BERT和ARET等，这些仿真工具以集成电路的失效物理为基础，能够提取反映失效机理的模型参数。但是这些仿真工具更侧重于失效模型的准确性和适用性，而不是管理费用和整合的最优化设计。另一方面，由于人们更多的是在集成电路制造阶段通过改良工艺步骤或者方法来提高可靠性，所以目前可用的既能优化设计又能进行可靠性仿真的仿真器非常少。在人们越来越意识到在设计阶段进行可靠性仿真的重要性这一时代背景下，如何利用主流仿真工具进行可靠性设计变得至关重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够很好的解决了设计阶段功能仿真与可靠性仿真同步性的基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法，包括如下步骤：1)确定电路系统特性在可靠性方面的要求，即确定在一定时间内一定应力条件下电路系统特性的退化量，并将所述的退化量描述为元器件特性函数；2)调整元器件参数，对电路系统进行优化设计，利用SPICE的灵敏度分析工具和SPICE的smoke分析工具找到既对电路系统特性影响大又受应力影响大的关键元器件，优化所述的该关键元器件参数，从而延长电路系统寿命周期；3)判断优化后电路系统性能指标退化量的变化是否小于满足最小生命周期对应的退化量最大值，是进入步骤4)，否则返回步骤2)；4)应用SPICE的蒙特卡罗分析仿真工具对电路系统进行不同工艺工艺角仿真，分析集成电路制造过程的元器件参数分散性对电路系统性能指标退化量的影响；5)判断由元器件参数分散性导致的电路系统性能指标退化量的变化是否小于满足最小生命周期对应的退化量最大值，若满足电路系统要求，则完成设计，否则，返回到步骤2)。步骤1)中所述电路系统特性包括：面积、功耗、频率、带宽、噪声特性、增益、线性度，所述的应力条件包括：温度、信号摆幅和偏置。步骤1)所述的一定应力条件下电路系统特性退化是由可靠性因素和元器件参数分散性因素导致。所述的可靠性的因素包括：热载流子效应和负偏置温度不稳定性。所述的元器件参数分散性因素包括有：元器件参数相对标称值正向或负向偏离的大小和描述元器件参数分散性服从的分布规律。步骤1)所述的将退化量描述为元器件特性函数，是确定系统特性退化量的绝对值ΔΨ或者相对值ΔΨ/Ψ，其中Ψ为电路性能指标。步骤2)中所优化的关键元器件的参数包括有：漏源电流、衬底电流、宽长比和栅源电压。步骤2)中所述对系统进行优化设计包括有增益和带宽的取舍、功耗和频率特性的取舍以及功耗和噪声特性的取舍。步骤4)中所述不同工艺工艺角包括TT、FF、SS、FS、SF。本专利技术的基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法，将系统可靠性要求作为设计指标，把一段时间后一定应力条件下，系统性能指标Ψ看做是元器件特性的函数。将系统性能指标退化绝对值ΔΨ或者相对值ΔΨ/Ψ，作为SPICE软件Optimizor工具的约束条件，确定灵敏度元器件。通过反复迭代，得到系统特性和可靠性的最佳值。最后通过SPICE的MonteCarlo工具分析集成电路制造过程的元器件参数分散性对系统性能指标退化绝对值ΔΨ或者相对值ΔΨ/Ψ的影响，从而进一步预测生产良品率。因此应用本专利技术中的设计方法，可以把可靠性和工艺分散性对系统性能指标的影响，都看作元器件参数变化影响系统性能指标的函数问题。本专利技术能够很好的解决了设计阶段功能仿真与可靠性仿真的同步性，并且工艺变化时只需调整影响寿命周期的参数即可。附图说明图1是本专利技术方法的图；图2a是考虑HCI效应时NMOS晶体管寿命模型示意图；图2b是考虑HCI效应时PMOS晶体管寿命模型示意图；图3是考虑NBTI效应时On-the-flyPMOS管阈值电压的变化量；图3中：a：退化；b：恢复；d：永久恢复。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法做出详细说明。本专利技术的基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法，是采用工业级电路仿真工具SPICE软件(现属于Orcad公司)。工业级电路仿真工具SPICE软件共有6大功能模块，其中核心模块是PSPICEA/D，其余功能模块分别是:电路原理图设计模块(Capture)、激励信号编辑模块(StimulusEditor)、模型参数提取模块(ModelEditor)、模拟显示和分析模块(PSPICE/Probe)和优化模块(Optimizer)。在进行集成电路设计时，采用工业级电路仿真工具SPICE用以对电子电路的稳态、瞬态及频域的仿真和分析可以精确的仿真、分析、优化从直流到高于100GHz频率的微波电路。工业级电路仿真工具SPICE软件在对模拟电路进行直流、交流、瞬态等基本电路特性分析的基础上，还实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；不但能够对模拟电路进行仿真，而且能够对数字电路、数模混合电路进行仿真；集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时观察与分析仿真结果。工业级电路仿真工具SPICE软件提供的无源器件结构及模型、二极管电流方程及SPICE模型、双极性晶体管电流方程及SPICE模型、结型场效应管JFET模型、MESFET模型及MOS管电流方程及SPICE模型。如图1所示，本专利技术的基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法，包括如下步骤：1)确定电路系统特性在可靠性方面的要求，即确定在一定时间内一定应力条件下电路系统特性的退化量，并将所述的退化量描述为元器件特性函数；所述电路系统特性包括：面积、功耗、频率、带宽、噪声特性、增益、线性度等，所述的应力条件包括：温度、信号摆幅和偏置；所述的一定应力条件下电路系统特性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1)确定电路系统特性在可靠性方面的要求，即确定在一定时间内一定应力条件下电路系统特性的退化量，并将所述的退化量描述为元器件特性函数，所述的一定应力条件下电路系统特性退化是由可靠性因素和元器件参数分散性因素导致，所述的可靠性的因素包括：热载流子效应和负偏置温度不稳定性，所述的将退化量描述为元器件特性函数，是确定系统特性退化量的绝对值ΔΨ或者相对值ΔΨ/Ψ，其中Ψ为电路性能指标；2)调整元器件参数，对电路系统进行优化设计，利用SPICE的灵敏度分析工具和SPICE的smoke分析工具找到既对电路系统特性影响大又受应力影响大的关键元器件，优化所述的该关键元器件参数，从而延长电路系统寿命周期；3)判断优化后电路系统性能指标退化量的变化是否小于满足最小生命周期对应的退化量最大值，是进入步骤4)，否则返回步骤2)；4)应用SPICE的蒙特卡罗分析仿真工具对电路系统进行不同工艺工艺角仿真，分析集成电路制造过程的元器件参数分散性对电路系统性能指标退化量的影响；5)判断由元器件参数分散性导致的电路系统性能指标退化量的变化是否小于满足最小生命周期对应的退化量最大值，若满足电路系统要求，则完成设计，否则，返回到步骤2)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于SPICE软件的模拟/射频集成电路设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1)确定电路系统特性在可靠性方面的要求，即确定在一定时间内一定应力条件下电路系统特性的退化量，并将所述的退化量描述为元器件特性函数，所述的一定应力条件下电路系统特性退化是由可靠性因素和元器件参数分散性因素导致，所述的可靠性的因素包括：热载流子效应和负偏置温度不稳定性，所述的将退化量描述为元器件特性函数，是确定系统特性退化量的绝对值ΔΨ或者相对值ΔΨ/Ψ，其中Ψ为电路性能指标；2)调整元器件参数，对电路系统进行优化设计，利用SPICE的灵敏度分析工具和SPICE的smoke分析工具找到既对电路系统特性影响大又受应力影响大的关键元器件，优化所述的该关键元器件参数，从而延长电路系统寿命周期；3)判断优化后电路系统性能指标退化量的变化是否小于满足最小生命周期对应的退化量最大值，是进入步骤4)，否则返回步骤2)；4)应用SPICE的蒙特卡罗分析仿真工具对电路系统进行不同工艺工艺角仿真，分析集成电路制造过程的元器件参数分散性对电路系统性能指标退化量的影响；5)判断由元器件参数分散性导致的电路系统性能指标退化量的变...

【专利技术属性】
技术研发人员：田颖，
申请(专利权)人：天津大学仁爱学院，
类型：发明
国别省市：天津,12