鄧旭光

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

低溫(77K)MOSFET參數(shù)提取工作主要是配合紅外讀出電路的設(shè)計(jì)而展開的，紅外探測(cè)器工作在低溫(77K)環(huán)境下，與之相耦合的硅讀出電路也要工作在相同的低溫(77K)環(huán)境下。晶元代工廠只提供常溫下的MOSFET模型及參數(shù)，不可能完全吻合低溫(77K)下器件的真實(shí)工作特性，所以我們開展了這項(xiàng)工作，以期在與代工廠的長(zhǎng)期合作中，研制出適合自身要求的讀出電路。

器件模型作為工藝與設(shè)計(jì)之間的接口，用于大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)和仿真，本文以低溫(77K)環(huán)境為前提，選定的晶元代工廠工藝設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)構(gòu)，對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行IV、CV測(cè)試，最終使用軟件將測(cè)試數(shù)據(jù)提取為模型參數(shù)。

2 BSIM3模型原理

BSIM模型是由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校開發(fā)研制的，它是第一款用于SPICE模擬的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MOS模型。

MOSFET的BSIM模型中，BSIM1模型是一個(gè)為1 μm MOSFET技術(shù)而發(fā)展的模型，包含很多對(duì)短溝道效應(yīng)的更好理解，對(duì)溝道長(zhǎng)度大于或等于1 μm的器件的模擬結(jié)果非常準(zhǔn)確。盡管BSIM1模型為每個(gè)模型參數(shù)引進(jìn)了幾個(gè)適應(yīng)參數(shù)來提高模型的尺寸覆蓋性，但BSIM1模型還是不能完全讓人滿意。

BSIM2模型以BSIM1模型為基礎(chǔ)在很多方面進(jìn)行了改進(jìn)，如模型的連續(xù)性、輸出電導(dǎo)、亞閾值電流等。但是，BSIM2模型仍然不能用一組參數(shù)來模擬大尺寸范圍的器件。為了在所有器件尺寸范圍內(nèi)獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，用戶通常都需要提取幾組甚至很多組模型參數(shù)，每一組模型參數(shù)覆蓋器件幾何尺寸的一個(gè)有限范圍。而且，用這些參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)摸擬和把這些參數(shù)從現(xiàn)在的技術(shù)外推到以后的技術(shù)都非常困難。

BSIM1模型和BSIM2模型集中于解決模型的精度并考慮公式的簡(jiǎn)化，因而引入了大量的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或彌合參數(shù)來提高模型精度，雖可以自動(dòng)提取參數(shù)，但實(shí)際應(yīng)用中存在模型參數(shù)過多和冗余問題。BSIM3則不同，它是基于準(zhǔn)二維分析的物理模型，著重于器件工作的物理機(jī)制，并考慮了器件尺寸和工藝參數(shù)的影響，力求使每個(gè)參數(shù)與器件特性的關(guān)系可以預(yù)測(cè)，為方便參數(shù)提取，還盡可能設(shè)法減少了模型參數(shù)的個(gè)數(shù)。

幾種MOS模型的比較如表1所示。

表1 幾個(gè)MOS模型的比較

BSIM3模型中主要考慮了以下效應(yīng):

(1)短溝和窄溝對(duì)閾值電壓的影響;

(2)橫向和縱向的非均勻摻雜;

(3)垂直場(chǎng)引起的載流子遷移率下降;

(4)體效應(yīng);

(5)載流子速度飽和效應(yīng);

(6)漏感應(yīng)引起的勢(shì)壘下降(DIBL效應(yīng));

(7)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)(CLM效應(yīng));

(8)襯底電流引起的體效應(yīng)(SCBE效應(yīng));

(9)次開啟(亞閾值)導(dǎo)電問題;

(10)漏/源寄生電阻。

目前BSIM3模型已有3個(gè)版本，不同版本之間某些模型參數(shù)有一定差別，而且參數(shù)的定義也可能不一致，這就要求參數(shù)提取中提取的所有模型參數(shù)要針對(duì)同一版本。表2以第三版本羅列了部分BSIM3的模型參數(shù)。

3 測(cè)試圖形設(shè)計(jì)

按照提取軟件手冊(cè)介紹，理想情況下提取器件模型參數(shù)，至少需要11種尺寸的器件，這樣提取出的參數(shù)既能反映出短溝效應(yīng)對(duì)器件性能的影響，又能反映出窄溝效應(yīng)對(duì)器件的性能的影響。特殊情況下，器件的尺寸分布無法嚴(yán)格滿足上述要求時(shí)，至少也需要4種尺寸的器件，只是這樣提取出的模型參數(shù)比較粗糙而已。如圖1所示。

表2 BSIM3部分模型參數(shù)

圖1 MOS器件尺寸理想數(shù)量與最小數(shù)量要求

待測(cè)器件的尺寸滿足以下要求:①寬溝道W一定，溝道長(zhǎng)度L變化;②短溝道L一定，溝道寬度W變化;③長(zhǎng)溝道L一定，溝道寬度W變化;④對(duì)于給定的溝長(zhǎng)L，要有不同的W。

根據(jù)上述原則，設(shè)計(jì)出的器件版圖如圖2～圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)

MOSFET參數(shù)提取，主要是通過對(duì)MOS器件的I－V參數(shù)、C－V參數(shù)、噪聲參數(shù)的測(cè)量，根據(jù)業(yè)界已公認(rèn)的半導(dǎo)體器件模型(如BSIM1、BSIM2、BSIM3模型)提取相應(yīng)的器件參數(shù)。針對(duì)我們的應(yīng)用要求，參數(shù)提取系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖6所示。

圖6 半導(dǎo)體參數(shù)提取系統(tǒng)硬件構(gòu)成

將實(shí)驗(yàn)樣品放入低溫探針臺(tái)樣品架上，使用液氮進(jìn)行制冷，在經(jīng)過一段時(shí)間，溫度穩(wěn)定后，連接測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。

4.1 I－V特性的測(cè)量及提取

相對(duì)而言，IV特性的測(cè)量要簡(jiǎn)單一些，其測(cè)量原理如圖7所示，器件數(shù)據(jù)和提取結(jié)果如圖8所示。

4.2 C－V特性的測(cè)量及提取

CV特性的測(cè)量相對(duì)要復(fù)雜一些，包括以下幾種電容的測(cè)量:柵襯電容Cgb、柵溝電容Cgc、柵漏電容Cgd、柵源電容 Cgs、柵電容 Cgg、結(jié)電容 Cjc。每種電容的測(cè)量方法不同，我們僅以Cgg為例說明實(shí)驗(yàn)方法，CV器件連接方法和提取結(jié)果如圖9、圖10所示。

5 結(jié)論

按照上面的步驟，可以得到一套低溫下MOSFET BSIM3的參數(shù)。使用這套參數(shù)對(duì)讀出電路進(jìn)行仿真，并且與讀出電路的實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)比，來驗(yàn)證這套參數(shù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)兩者之間的差異來調(diào)整這套參數(shù)的提取策略和優(yōu)化方法。

［1］ 顧祖毅，田立林，等．半導(dǎo)體物理學(xué)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，1995．

［2］ BTA Technology Inc．Bsimpro User’s Manual［M］．1977．

［3］ Cheng Yuhua，Hu Chenming．MOSFET modeling and BSIM3 user’s guide［M］．1999．

［4］ Chen Songtao，Liu Xiaoyan，Du Gang，et al．Ultra deep submicron device modeling and the model parameter extraction based upon the BSIM3［J］．Research ＆ Progress of SSE，2003，23(4):406 －411．(in Chinese)陳松濤，劉曉彥，杜剛，等．基于BSIM3的超深亞微米器件建模及模型參數(shù)提取［J］．固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2003，23(4):406 －411．

［5］ Li Qinghua，Han Zhengsheng，Hai Chaohe．MOSFET models and parameter extraction［J］．Microelectronic Technology，2003，31(4):23 －28，38．(in Chinese)李慶華，韓鄭生，海潮和．MOSFET模型＆參數(shù)提取［J］．微電子技術(shù)，2003，31(4):23 －28，38．

［6］ Liu Wenyong，F(xiàn)eng Qi，Ding Ruijun．Impact of Kink effect on CMOS readout circuits for cryogenic operation［J］．Laser＆ Infrared，2007，37(Supplement):990 － 992．(in Chinese)劉文永，馮琪，丁瑞軍．Kink效應(yīng)對(duì)低溫CMOS讀出電路的影響［J］．激光與紅外，2007，37(增刊):990－992．