硅基晶体管测试结.ppt

硅基晶体管测试结构模型参数提取技术 Silicon-based transistor test structure model parameters extraction technology 1 绪论 近些年来随着无线通信技术不断发展，射频集成电路在无线通信技术中的重要性也越发的凸显出来。相比较其它的制作工艺，CMOS工艺依靠成本低、模拟/数字兼容性好、制造工艺成熟、集成度高、功耗低和按比例缩放特性一致等优势已成为制作的射频电路最合适的工艺。CMOS工艺不断的进步MOSFET器件的微波射频性能也变得更加的良好。 因为采用深亚微米工艺制作的MOSFET的尺寸非常的小，无法直接对其进行测量，我们将其放入一个测试结构中，探针与测试结构相接触，对其测量，但是测试结构的寄生效应对测试结果有影响，为了得到精确晶体管特性，必须考虑测试结构的寄生效应。本文为射频MOSFET测试结构建立了频率高达40GHz的模型。提取的测试结构的寄生参数值，并在ads软件中优化，比较发现，测试结果与仿真结果具有很好的一致性。 2 MOSFET器件结构 下图是一个N型MOS器件结构图它具有四个端口即栅极、源极、漏极和衬底。器件制作在P型衬底上，重掺杂n区形成的源端与漏端，源端用S表示漏端用D表示，栅极是重掺杂的多晶硅区用G表示，用一层氧化层将栅极与衬底相隔离。栅在源漏方向尺寸称为栅长，用L表示。垂直于栅长的尺寸叫做栅宽。但是在实际制造过程中漏端与源端的实际距离要小于L，这是由于在制造过程中漏端与源端会产生横向的扩散。因为栅极电压容性的控制源端与漏端之间的沟道的电阻，所以称其为场效应管。 3 测试结构 因为MOSFET非常小，无法直接接触，用共面波导探针测量它的射频特性时需要一个测试结构（图2-3所示）。测试结构由探针焊盘、金属互连线和被测器件(DUT)组成。探针焊盘将测试探针与被测晶圆相连，金属互连线将被测器件与焊盘相连。MOS模型参数从测试结构的S参数中提取。寄生元件，主要是源自焊盘与金属连线，会影响被测器件的S参数。 测试结构采用0.13um RF CMOS 8层金属工艺设计并制作。MOS测试结构与去嵌结构的版图如图1所示。焊盘与金属互连线的版图对于测试结构和去嵌结构而言都是相同的。测试结构长235um，宽230um。结构左边是输入焊盘，采用GSG结构，间隙宽度100um，右边是输出焊盘，结构与输入焊盘相同。 4 Y参数，Z参数与S参数 4.1 二端口网络 如果一个复杂的电路只有两个端子向外连接，则该电路可以视为一端口。在工程实际中遇到的问题还常常两对端子之间的关系，如果这两队端子满足端口条件，即对于所有的时间t从端子左端流入的电流等于流出的电流，从端子右端流入的电流等于流出的电流，这种电路称为二端口网络。 4.2 Y参数 如图所示为一线性二端口。在分析中将按照正弦稳态情况考虑，并应用向量法。在端口1-1’和2-2’处的电流向量与电压向量的参考方向如图所示。假如两个端口电压U1和U2已知，可以用替代定理把两个端口电压1和2看作是外施的独立电压源。这样根据叠加定理，I1与I2应分别等于各个独立电压源单独作用是产生的电流之和即： 称为二端口Y的参数矩阵，而Y11,Y12,Y21,Y22,称为二端口Y的参数。不难看出Y参数属于导纳性质，可以按照下述的方法计算或测量求的：如果在端口1-1’上施加电压U1，而将端口2-2’短路，可得： 同理，在端口2-2’外施加电压U2，而将端口1-1’短路，即U1=0，得到 4.3 Z参数 假设图中所示的二端口的电流是已知的，可以利用替代定理把I1与I2看作是外施电流源的电流。根据叠加定理，U1，U2应等于各个电流源单独作用时产生的电压之和，即： 同理 4.4 S参数 对于一个高频网络，如何求出它的阻抗，导纳等各种物理参数一直是个难题。针对于这个问题我们提出散射参数的概念，即S参数矩阵。所谓的S参数是建立在入射波与反射波关系基础上的网络参数。相类似于阻抗和导纳矩阵，我们用散射矩阵来对其进行数学描述。阻抗和导纳矩阵反映的是了端口的总电压和电流的相对关系。描述S参数的散射矩阵则是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。利用网络分析仪来直接测量散射参量，通过网络分析技术来计算就可以将其与其它的矩阵参量相互转换。 下面我们以一个二端口网络来解释S参数。如下图所示，每个二端口网络有具有四个不同的S参数，Sij表示在i口测得的从j口注入能量。各参数的物理含义如下： S11：在端口一所测得端口一注入的能量即端口一的反射系数； S22：端口二所测得的端口二注入的能量即端口二的反射系数； S12：在端口一所测得的端口二注入的能量即端口2到端口1的反向