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半導體元件模型化流程介紹 作者：台灣安捷倫科技股份有限公司 資深應用工程師　許仲延 一、簡介 隨著半導體產業的迅速發展，元件尺 件的電氣特性，所以使用正確的模型化流 本文將會說明如何利用安捷倫的元件 寸已經可以達到奈米級的水準，並且根據 程是相當重要的，除了模型參數的準確度 模型參數萃取軟體 IC-CAP (Integration 市場的需求，發展出不同材料以及製程技 之外，如何在最短的時間內找出模型參數 Circuit Characterization and Analysis 術提供使用，而利用不同的材料與製程技 亦是另一挑戰，因此，晶圓廠 (Foundry) Program) 來作 CMOS 的元件模型。首先 術所設計的元件就可以使用不同的元件模 必須要有正確的模型參數萃取流程與可允 會說明元件的小訊號模型，接著如何利用 型 (Device Model) 來描述其電氣特性，例 許使用者定義模型參數萃取流程的軟體， IC-CAP 量測分析並且搭配 IC-CAP 內建 如直流特性 (DC-IV) 與高頻 S 參數。元件 方可達到上述的兩大挑戰。下頁圖 2 說明 的方程式萃取小訊號模型的參數。並且以 模型是指會影響元件電氣特性的所有相關 了元件/電路/系統設計概念流程，而元件 低雜訊放大器模擬為例子，說明一個元件 參數之集合，如圖 1 的 BSIM4 。而該相 模型化介於元件設計與電路或系統設計之 模型的準確與否對電路設計者有相當大的 關的模型參數設定值會影響到是否可以準 間，因此元件模型化的品質將會直接影響 影響。最後將做一個簡單的結論，讓大家 確的描述該元件的電氣特性。元件模型的 之後的電路或系統設計的品質。 瞭解半導體元件模型化的重要性。 應用也會依照不同電路系統需求以及設計 者的使用方式而有所不同，例如 0.18um CMOS 會使用 BSIM3 模型來描述，90nm CMOS 會使用 BSIM4 ，雙載子介面電晶 體 (BJT) 就會使用 VIBC 或 Mextram 或 Gammel-Poon 。此處我們以 CMOS 的 BSIM3 作說明，BSIM3 模型含括一百個 以上具物理意義的參數，這些參數彼此之 間也有相關聯性，因此要準確的預測這些 參數必須仰賴複雜的數學方程式來描述元 圖 1 ：BSIM4 模型 二 、元件模型基本架構 半導體元件主要為金屬以及半導體材 開始 料所組成，因此操作的方式都會有一定的 物理意義並遵守相關的數學方程式。以 • Layout design • EM Simulation CMOS 為例，圖 3 為元件的俯視圖以及側 元件設計 • Test key design 視圖。主要的操作方式是利用閘極 ( gate ) 電壓調變並形成通道 (channel) ，因為源極 • DC/RF measurement ( source ) 與汲極 (drain) 內的載子 (carrier) 元件量測 • Verify measurement data • Automation 濃度不同，而使得電子可以流過通道產生 電流。圖 4 為元件在直流偏壓下的曲線