65nm工艺下MOSFET阂值电压提取方法研究.docVIP

　　65nm工艺下MOSFET阂值电压提取方法研究 薛 峰 （安徽三联学院 电子电气工程学院，合肥 安徽 230601） 摘 要：阈值电压Vth决定了反型沟道的建立，也就意味着MOSFET工作的开启.因此，精确地测算出阈值电压Vth是对设备特性描述的关键所在.提取阈值电压的方法很多，本文主要介绍了常数电流法、线性外推法、平方外推法、跨导线性外推法、二阶求导法和分离C-V法六种阈值电压的提取方法的原理并在65nm工艺下进行了仿真验证.本文还分析了阈值电压的温度特性和阈值电压与栅长的关系，并对这六种方法进行了总结，得出线性外推法是最简便且更准确的阈值电压提取方法. .jyqkV）时，通过对Id-Vgs特性测量得到的.根据Id-Vgs的数据，有多种方法来确定Vth，如常数电流法、线性外推法、平方外推法、跨导线性外推法、二阶求导法和分离C-V法[1-2]. 2 提取方法原理 2.1 常数电流法 在漏极电压小于0.1V时，与规定的漏极电流对应的栅压即为阈值电压[1,3-5]，如下式所示： 其中Ith为阈值电流，INIMOS）的结果确定Vth.对于上式中Ith的取值具有一定程度的任意性，无任何物理意义，这里选择Ith=10-7A，其典型值通常取值在10-6-10-9A之间[1].当选取的漏电流不同时，得到的阈值电压也各不相同，这是该方法的一个明显的缺陷. 2.2 线性外推法 该方法的本质思想是通过对Id-Vgs特性曲线的最大斜率点展开线性外推，并将外推曲线与漏电流Id为零时相应的栅极电压做为器件的阈值电压[6].其中最大斜率点对应于跨导最大的点[7-9]. 通常称该阈值电压为外推阈值电压.该方法是工业界确定阈值电压Vth最为常用的标准[1-2,10]. 事实上为了保证MOSFET保持在线性工作区，一般固定漏电压Vds不大于0.1V，并同时将背偏压保持在所期望的值[2,10].在低Vds时，漏电流Id（即在线性区）由下面的方程给出 该方程意义为，Id与Vgs之间是线性相关，并且与Vgs轴交于Vth+0.5αVds处[10].参数α与背偏置电压有关，一般取值范围为1.1至1.5.通常由于Vds≤0.1V，一般情况下可以假设α为1,基于这一假设引起的误差小于2%.这样以来在计算Vth值时，必须要从外推算得的取值结果中再相应地减去Vds的一半[2,10].从最大斜率点开展线性外推的理由是载流子的迁徙速率μs随Vgs增加而相应地降低，漏电流Id并不能准确地随着Vgs而线性地变化，但是从另一方面考虑，从曲线最大斜率处开展线性外推保证了不会将迁移率降低进而引起的额外误差涵盖在Vth之内[1]. 2.3 平方外推法 通过利用MOSFET器件饱和区的与栅源电压Vgs的关系，曲线外推到漏电流Ids=0得到MOSFET器件的阈值电压.其中确保晶体管工作在饱和区的最简便的方法就是将器件的栅极和漏极连接在一起，即，使Vgs=Vds[1-2].此时饱和区时相应的漏电流方程可以表示为： 由上式可知，与Vgs的呈直线关系，通过对该直线进行外推操作，所得到的与Vgs轴交点的取值即为Vth.但是在短沟道器件中，由于漏致势垒降低效应使得Vth的取值随着Vds的改变而改变，因此基于这种考虑，此方法通常不能应用于短沟道器件. 2.4 跨导线性外推法 对于跨导线性外推法，其提取阈值电压的本质思想是：在低漏压时，跨导的微分dgm/dVgs取值最大时所对应的栅压即为阈值电压[1,9].由此方法所得到的阈值电压与公式（5）所定义的阈值电压Vth(s)非常接近， 并且它不受迁移率下降因子?兹和串联电阻Rt的影响.这种方法要求器件工作在线性区，且基于以下几点结论[7]： (1)在弱反型区，跨导和栅压呈指数关系； (2)在强反型区，当串联电阻和迁移率退化可以忽略时，跨导为一个常量； (3)由于串联电阻和迁移率退化的影响，跨导随着栅压缓慢增大； (4)在弱反型和强反型的过渡区，跨导和栅压呈线性关系. 由于阈值电压是MOSFET建模，仿真和验证过程的一个非常重要的参数.人们提出了很多Vth的提取方法.在这些方法中，只有跨导增量法能够符合经典阈值电压的定义，并且消除了迁移率退化和寄生电容效应的影响.然而，由于在这种方法中需要考虑到漏电流的二级效应，跨导增量法很容易受噪声的影响. 2.5 二阶求导法 二阶求导法的提出是为了避免串联电阻对阈值电压的影响.Vth定义为跨导的导数，即 取得最大值时对应的栅压[4-7].可以通过分析理想状况下MOSFET建模时采用的一级SPICE模型来理解这种方法，即当Vgslt;Vth时，Id=0而当Vgsgt;Vth时，Id正比于Vgs.根据这种简单的假设，dId/dVgs是一个阶跃函数，当Vgslt;Vth时，其值为零，而当Vgsgt;Vth时，其值为一个正的常数.因