一種iii-v族mosfet的小信號模型參數直接提取方法
【專利摘要】本發明公開了一種III-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法，屬于微電子集成電路【技術領域】。該方法是通過焊盤和金屬互聯線去嵌，利用晶體管直流轉移特性和冷態S參數確定提取晶體管寄生電阻時的合適偏置條件，然后在該偏置條件下去除溝道電阻影響，線性擬合提取寄生電阻參數，最后去嵌寄生電阻，利用III-V族MOSFET的小信號模型等效電路和曲線擬合來提取本征參數。本發明提供的小信號參數直接提取過程完全符合器件的物理意義，為集成電路技術應用提供必要的基礎，同時對于新材料和新結構等其他類型器件的小信號模型參數提取具有很好的借鑒作用。
【專利說明】—種I I 1-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微電子集成電路【技術領域】，尤其涉及一種II1-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法，可用于有效提取II1-V族MOSFET類型器件的小信號參數結果，以用于器件工藝優化和電路仿真設計。
【背景技術】
[0002]在11納米技術節點及以后，由于硅材料本身的物理特性限制，硅基CMOS技術將面臨巨大挑戰，高遷移率“非硅”材料將逐步引入到CMOS技術中。II1-V族化合物半導體材料具有電子遷移率高，本征延遲時間短，射頻性能好，柵的漏電小，靜態功耗低等優點，已成為當前國際上MOSFET技術的一個研究熱點。小信號模型參數的準確提取對于指導工藝步驟，檢測工藝準確性，改善器件結構，研究工藝參數對器件高頻性能的影響，集成電路應用等方面具有重要意義，因此研究II1-V族MOSFET小信號模型具有很好地研究價值和實用價值。
[0003]小信號模型能夠反映出器件的物理結構特征和在特定偏置點的高頻特性，對于器件高頻小信號性能的重現和外推都具有重要的指導意義，而模型參數提取的準確性直接關系到小信號模型的準確性。Gilles Dambrine等人在文獻“A new method for determiningthe FET small signal equivalent circuit，， (IEEE Transaction on Microwave Theoryand Techniques, Julyl988)中對GaAs HEMT的小信號模型參數直接提取方法進行詳盡描述，其中寄生電阻參數的提取是器件處于冷態條件，充分考慮柵下溝道電阻和肖特基勢壘等效阻抗，利用3組不同的柵電流條件下的Z參數擬合結果作為額外關系條件，得到寄生電阻參數，然而對于MOSFET結構器件，由于柵下氧化層的絕緣性，這樣的方法不再適用；其中的本征參數通過解析式方法計算得到本征參數關于頻率的函數關系，然后在頻率平坦區得到參數的值，這樣得到的結果在某些頻率區域擬合時會出現一定的偏差。
[0004]另外Sanna Taking 等人在文獻“AlN-GaN MOS-HEMTs with thermally grownA1203 passivation”(IEEE Transaction on Electron Devices,May2011)對于 M0S-HEMT結構器件的寄生參數的提取，源/漏寄生電阻通過TLM測試和器件幾何尺寸計算得到，柵極寄生電阻通過柵金屬的電阻率和尺寸參數計算得到，該方法存在的不足是，提取參數的過程中單獨考慮電阻的理論貢獻，忽略在器件制作流程過程中寄生電阻可能發生的改變；其中提取本征參數后進行整體優化以消除工藝的隨機性，然后優化后的參數結果可能偏離器件本身的物理意義。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]為了準確提取II1-V族MOSFET器件的寄生電阻和本征參數，本發明提供了一種適用于II1-V族MOSFET結構的小信號模型參數直接提取方法。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]為達到上述目的，本發明提供了一種II1-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法，該方法是通過焊盤和金屬互聯線去嵌，利用晶體管直流轉移特性和冷態S參數確定提取晶體管寄生電阻時的合適偏置條件，然后在該偏置條件下去除溝道電阻影響，線性擬合提取寄生電阻參數，最后去嵌寄生電阻，利用II1-V族MOSFET的小信號模型等效電路和曲線擬合來提取本征參數。
[0009]上述方案中，該方法具體包括以下步驟:步驟1:利用在片結構去嵌測試焊盤和金屬互聯線引入的寄生參數；步驟2:根據晶體管的直流轉移特性、冷態晶體管的小信號等效電路和不同柵壓的冷態S參數，確定提取寄生電阻時晶體管的合適偏置條件；步驟3:在上述偏置條件下，去除溝道電阻的影響，提取寄生電阻參數；步驟4:去嵌寄生電阻，得到晶體管本征Y參數；步驟5:根據II1-V族MOSFET的小信號模型等效電路的解析式和曲線擬合來提取本征參數。
[0010]上述方案中，所述的II1-V族MOSFET的小信號模型等效電路包括五個電阻、三個電容和一個壓控電流源，其中:柵電阻(Rg)與柵上氧化層接觸材料有關，由柵金屬的分布損耗效應構成；源/漏電阻(Rs，Rd)由金屬半導體接觸電阻和半導體的體電阻兩部分組成；柵源電容(Cgs)和柵漏電容(Cgd)表針對應區域的放電充電過程，其中包含了柵和源/漏之間的邊緣效應，柵漏電阻(Rgs)表針柵漏電容充放電過程的非準態效應；溝道電阻(Rds)來源于漏源電流并不是真正隨漏壓飽和，Cds表示電靜態下源漏之間電容效應；本征跨導(gm)代表柵壓對溝道電流的調制或者控制能力，參數T指時間延遲因子。
[0011]上述方案中，步驟2中所述的冷態晶體管的小信號等效電路包括四個電阻和三個電容，所述的冷態是指器件處于源漏無壓降的偏置狀態，即Vds = OV ;在冷態條件下，晶體管的溝道電流可忽略，近似認為柵壓沒有對溝道的調制或者控制能力，冷態晶體管的小信號等效電路與非冷態晶體管小信號等效電路的區別在于沒有電壓受控電流源部分，對應Z參數可以寫成如下表達式:
【權利要求】
1.一種II1-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法，其特征在于，該方法是通過焊盤和金屬互聯線去嵌，利用晶體管直流轉移特性和冷態S參數確定提取晶體管寄生電阻時的合適偏置條件，然后在該偏置條件下去除溝道電阻影響，線性擬合提取寄生電阻參數，最后去嵌寄生電阻，利用II1-V族MOSFET的小信號模型等效電路和曲線擬合來提取本征參數。
2.根據權利要求1所述的II1-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟: 步驟1:利用在片結構去嵌測試焊盤和金屬互聯線引入的寄生參數； 步驟2:根據晶體管的直流轉移特性、冷態晶體管的小信號等效電路和不同柵壓的冷態S參數，確定提取寄生電阻時晶體管的合適偏置條件； 步驟3:在上述偏置條件下，去除溝道電阻的影響，提取寄生電阻參數； 步驟4:去嵌寄生電阻，得到晶體管本征Y參數； 步驟5:根據II1-V族MOSFET的小信號模型等效電路的解析式和曲線擬合來提取本征參數。
3.根據權利要求1或2所述的II1-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法，其特征在于，所述的II1-V族MOSFET的小信號模型等效電路包括五個電阻、三個電容和一個壓控電流源，其中:柵電阻(Rg)與柵上氧化層接觸材料有關，由柵金屬的分布損耗效應構成；源/漏電阻(Rs，Rd)由金屬半導體接觸電阻和半導體的體電阻兩部分組成；柵源電容(Cgs)和柵漏電容(Cgd)表針對應區域的放電充電過程，其中包含了柵和源/漏之間的邊緣效應，柵漏電阻(Rgs)表針柵漏電容充放電過程的非準態效應；溝道電阻(Rds)來源于漏源電流并不是真正隨漏壓飽和，Cds表示電靜態下源漏之間電容效應；本征跨導(gm)代表柵壓對溝道電流的調制或者控制能力，參數T指時間延遲因子。
4.根據權利要求2所述的II1-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法，其特征在于，步驟2中所述的冷態晶體管的小信號等效電路包括四個電阻和三個電容，所述的冷態是指器件處于源漏無壓降的偏置狀態，即Vds = OV ;在冷態條件下，晶體管的溝道電流可忽略，近似認為柵壓沒有對溝道的調制或者控制能力，冷態晶體管的小信號等效電路與非冷態晶體管小信號等效電路的區別在于沒有電壓受控電流源部分，對應Z參數可以寫成如下表達式:
5.根據權利要求2所述的II1-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法，其特征在于，步驟2中所述的確定提取寄生電阻時晶體管的合適偏置條件，包括以下步驟: 步驟21:在一定漏壓偏置條件下，掃描柵壓，得到直流轉移特性，利用線性區外推法獲得閾值電壓Vth; 步驟22:在冷態條件Vds = OV下，以頻率為第一變量，柵壓為第二變量進行掃描，柵壓的范圍可以是Vth-2V〈Vgs〈Vth+0.5V，得到一組不同柵壓下冷態S參數結果； 步驟23:根據冷態S參數結果，去嵌測試焊盤和金屬互聯線引入的寄生參數，之后轉換為Y參數，得到一組不同柵壓下Yc22的實部結果。在頻率足夠低時，本征電容和溝道電阻表現出很大的阻抗值，此時可以忽略寄生電阻對Y參數的影響，得到:
6.根據權利要求2所述的II1-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法，其特征在于，步驟3中所述的提取寄生電阻參數包括以下步驟: 步驟31:根據到的提取晶體管寄生電阻的偏置條件，利用所述偏置條件下的S參數，去嵌測試焊盤和金屬互聯線引入的寄生參數，之后轉換為Y參數，利用Y參數的虛部提取冷態晶體管的Cgs，Cgd, Cds，利用Yc22低頻的實部結果提取gds，具體擬合公式如下:
a)-1mag ((Yc12+Yc21) /2) = w XCgd
b)imag (Yc11)-c0.Cgd= w XCgs
c)imag (Yc22)-W.Ggd= w XCds
d)real(Yc22) ? co = co X gds L^0 步驟32:去除溝道電阻對于冷態Zc參數的影響，通過如下矩陣變換式子:
7.根據權利要求2所述的II1-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法，其特征在于，步驟4中所述的去嵌寄生電阻，得到晶體管本征Y參數，是通過如下矩陣變換式子實現的:
8.根據權利要求2所述的II1-V族MOSFET的小信號模型參數直接提取方法，其特征在于，步驟5中所述的根據II1-V族MOSFET的小信號模型等效電路的解析式和曲線擬合來提取本征參數，是根據本征n型網絡的Y參數解析式，包括如下具體擬合公式:
【文檔編號】G06F17/50GK103617319SQ201310610979
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月26日 優先權日:2013年11月26日
【發明者】劉洪剛, 劉桂明, 常虎東 申請人:中國科學院微電子研究所