一种III-V族MOSFET的小信号模型参数直接提取方法技术

本发明专利技术公开了一种III-V族MOSFET的小信号模型参数直接提取方法，属于微电子集成电路技术领域。该方法是通过焊盘和金属互联线去嵌，利用晶体管直流转移特性和冷态S参数确定提取晶体管寄生电阻时的合适偏置条件，然后在该偏置条件下去除沟道电阻影响，线性拟合提取寄生电阻参数，最后去嵌寄生电阻，利用III-V族MOSFET的小信号模型等效电路和曲线拟合来提取本征参数。本发明专利技术提供的小信号参数直接提取过程完全符合器件的物理意义，为集成电路技术应用提供必要的基础，同时对于新材料和新结构等其他类型器件的小信号模型参数提取具有很好的借鉴作用。

【技术实现步骤摘要】
一种III-V族MOSFET的小信号模型参数直接提取方法
本专利技术涉及微电子集成电路
，尤其涉及一种III-V族MOSFET的小信号模型参数直接提取方法，可用于有效提取III-V族MOSFET类型器件的小信号参数结果，以用于器件工艺优化和电路仿真设计。
技术介绍
在11纳米技术节点及以后，由于硅材料本身的物理特性限制，硅基CMOS技术将面临巨大挑战，高迁移率“非硅”材料将逐步引入到CMOS技术中。III-V族化合物半导体材料具有电子迁移率高，本征延迟时间短，射频性能好，栅的漏电小，静态功耗低等优点，已成为当前国际上MOSFET技术的一个研究热点。小信号模型参数的准确提取对于指导工艺步骤，检测工艺准确性，改善器件结构，研究工艺参数对器件高频性能的影响，集成电路应用等方面具有重要意义，因此研究III-V族MOSFET小信号模型具有很好地研究价值和实用价值。小信号模型能够反映出器件的物理结构特征和在特定偏置点的高频特性，对于器件高频小信号性能的重现和外推都具有重要的指导意义，而模型参数提取的准确性直接关系到小信号模型的准确性。GillesDambrine等人在文献“AnewmethodfordeterminingtheFETsmallsignalequivalentcircuit”(IEEETransactiononMicrowaveTheoryandTechniques，July1988)中对GaAsHEMT的小信号模型参数直接提取方法进行详尽描述，其中寄生电阻参数的提取是器件处于冷态条件，充分考虑栅下沟道电阻和肖特基势垒等效阻抗，利用3组不同的栅电流条件下的Z参数拟合结果作为额外关系条件，得到寄生电阻参数，然而对于MOSFET结构器件，由于栅下氧化层的绝缘性，这样的方法不再适用；其中的本征参数通过解析式方法计算得到本征参数关于频率的函数关系，然后在频率平坦区得到参数的值，这样得到的结果在某些频率区域拟合时会出现一定的偏差。另外SannaTaking等人在文献“AlN-GaNMOS-HEMTswiththermallygrownAl2O3passivation”(IEEETransactiononElectronDevices，May2011)对于MOS-HEMT结构器件的寄生参数的提取，源/漏寄生电阻通过TLM测试和器件几何尺寸计算得到，栅极寄生电阻通过栅金属的电阻率和尺寸参数计算得到，该方法存在的不足是，提取参数的过程中单独考虑电阻的理论贡献，忽略在器件制作流程过程中寄生电阻可能发生的改变；其中提取本征参数后进行整体优化以消除工艺的随机性，然后优化后的参数结果可能偏离器件本身的物理意义。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了准确提取III-V族MOSFET器件的寄生电阻和本征参数，本专利技术提供了一种适用于III-V族MOSFET结构的小信号模型参数直接提取方法。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种III-V族MOSFET的小信号模型参数直接提取方法，该方法是通过焊盘和金属互联线去嵌，利用晶体管直流转移特性和冷态S参数确定提取晶体管寄生电阻时的合适偏置条件，然后在该偏置条件下去除沟道电阻影响，线性拟合提取寄生电阻参数，最后去嵌寄生电阻，利用III-V族MOSFET的小信号模型等效电路和曲线拟合来提取本征参数。上述方案中，该方法具体包括以下步骤：步骤1：利用在片结构去嵌测试焊盘和金属互联线引入的寄生参数；步骤2：根据晶体管的直流转移特性、冷态晶体管的小信号等效电路和不同栅压的冷态S参数，确定提取寄生电阻时晶体管的合适偏置条件；步骤3：在上述偏置条件下，去除沟道电阻的影响，提取寄生电阻参数；步骤4：去嵌寄生电阻，得到晶体管本征Y参数；步骤5：根据III-V族MOSFET的小信号模型等效电路的解析式和曲线拟合来提取本征参数。上述方案中，所述的III-V族MOSFET的小信号模型等效电路包括五个电阻、三个电容和一个压控电流源，其中：栅电阻(Rg)与栅上氧化层接触材料有关，由栅金属的分布损耗效应构成；源/漏电阻(Rs，Rd)由金属半导体接触电阻和半导体的体电阻两部分组成；栅源电容(Cgs)和栅漏电容(Cgd)表针对应区域的放电充电过程，其中包含了栅和源/漏之间的边缘效应，栅漏电阻(Rgs)表针栅漏电容充放电过程的非准态效应；沟道电阻(Rds)来源于漏源电流并不是真正随漏压饱和，Cds表示电静态下源漏之间电容效应；本征跨导(gm)代表栅压对沟道电流的调制或者控制能力，参数τ指时间延迟因子。上述方案中，步骤2中所述的冷态晶体管的小信号等效电路包括四个电阻和三个电容，所述的冷态是指器件处于源漏无压降的偏置状态，即Vds＝0V；在冷态条件下，晶体管的沟道电流可忽略，近似认为栅压没有对沟道的调制或者控制能力，冷态晶体管的小信号等效电路与非冷态晶体管小信号等效电路的区别在于没有电压受控电流源部分，对应Z参数可以写成如下表达式：其中：Zc参数表示冷态晶体管的Z参数矩阵，Yc参数表示冷态晶体管的Y参数矩阵gds＝1/Rds；|Yc|＝jωgds(Cgs+Cgd)-ω2(CgsCgd+CgsCds+CgdCds)。上述方案中，步骤2中所述的确定提取寄生电阻时晶体管的合适偏置条件，包括以下步骤：步骤21：在一定漏压偏置条件下，扫描栅压，得到直流转移特性，利用线性区外推法获得阈值电压Vth；步骤22：在冷态条件Vds＝0V下，以频率为第一变量，栅压为第二变量进行扫描，栅压的范围可以是Vth-2V<Vgs<Vth+0.5V，得到一组不同栅压下冷态S参数结果；步骤23：根据冷态S参数结果，去嵌测试焊盘和金属互联线引入的寄生参数，之后转换为Y参数，得到一组不同栅压下Yc22的实部结果。在频率足够低时，本征电容和沟道电阻表现出很大的阻抗值，此时可以忽略寄生电阻对Y参数的影响，得到：其中：|Zc|＝Zc11·Zc22-Zc12·Zc21在低频Freq＝1GHz处记录Yc22实部的值，绘制Yc22实部关于栅压的关系曲线，栅极电压越大，沟道电阻受到栅压的调制而变小，这样利用冷态Z参数提取寄生电阻的误差变大，因此在Yc22实部开始出现上升的栅压以下区域为提取晶体管寄生电阻的合适偏置区域，确定Yc22实部开始出现上升时的栅压值为Vh；步骤24：得到提取晶体管寄生电阻的偏置条件为：Vds＝0V和Vgs＝Vh-Vo，所述Vo代表引入的工程余量。上述方案中，步骤3中所述的提取寄生电阻参数包括以下步骤：步骤31：根据到的提取晶体管寄生电阻的偏置条件，利用所述偏置条件下的S参数，去嵌测试焊盘和金属互联线引入的寄生参数，之后转换为Y参数，利用Y参数的虚部提取冷态晶体管的Cgs，Cgd，Cds，利用Yc22低频的实部结果提取gds，具体拟合公式如下：a)-imag((Yc12+Yc21)/2)＝ω×Cgdb)imag(Yc11)-ω·Cgd＝ω×Cgsc)imag(Yc22)-ω·Cgd＝ω×Cdsd)real(Yc22)·ω＝ω×gds|ω→0步骤32：去除沟道电阻对于冷态Zc参数的影响，通过如下矩阵变换式子：其中：Zr参数表示去除沟道电阻之后的Z参数矩阵。步骤33：利用Zr参数的实部线性拟合得到寄生电阻的值，具体拟合公式如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种III?V族MOSFET的小信号模型参数直接提取方法，其特征在于，该方法是通过焊盘和金属互联线去嵌，利用晶体管直流转移特性和冷态S参数确定提取晶体管寄生电阻时的合适偏置条件，然后在该偏置条件下去除沟道电阻影响，线性拟合提取寄生电阻参数，最后去嵌寄生电阻，利用III?V族MOSFET的小信号模型等效电路和曲线拟合来提取本征参数。

【技术特征摘要】
1.一种III-V族MOSFET的小信号模型参数直接提取方法，其特征在于，该方法是通过焊盘和金属互联线去嵌，利用晶体管直流转移特性和冷态S参数确定提取晶体管寄生电阻时的合适偏置条件，然后在该偏置条件下去除沟道电阻影响，线性拟合提取寄生电阻参数，最后去嵌寄生电阻，利用III-V族MOSFET的小信号模型等效电路和曲线拟合来提取本征参数，该方法具体包括以下步骤：步骤1：利用在片结构去嵌测试焊盘和金属互联线引入的寄生参数；步骤2：根据晶体管的直流转移特性、冷态晶体管的小信号等效电路和不同栅压的冷态S参数，确定提取寄生电阻时晶体管的合适偏置条件；步骤3：在上述偏置条件下，去除沟道电阻的影响，提取寄生电阻参数；步骤4：去嵌寄生电阻，得到晶体管本征Y参数；步骤5：根据III-V族MOSFET的小信号模型等效电路的解析式和曲线拟合来提取本征参数；其中，步骤2中所述的确定提取寄生电阻时晶体管的合适偏置条件，包括以下步骤：步骤21：在一定漏压偏置条件下，扫描栅压，得到直流转移特性，利用线性区外推法获得阈值电压Vth；步骤22：在冷态条件Vds＝0V下，以频率为第一变量，栅压为第二变量进行扫描，栅压的范围是Vth-2V<Vgs<Vth+0.5V，得到一组不同栅压下冷态S参数结果；步骤23：根据冷态S参数结果，去嵌测试焊盘和金属互联线引入的寄生参数，之后转换为Y参数，得到一组不同栅压下Yc22的实部结果；在频率足够低时，本征电容和沟道电阻表现出很大的阻抗值，此时可以忽略寄生电阻对Y参数的影响，得到：其中：|Zc|＝Zc11·Zc22-Zc12·Zc21在低频Freq＝1GHz处记录Yc22实部的值，绘制Yc22实部关于栅压的关系曲线，栅极电压越大，沟道电阻受到栅压的调制而变小，这样利用冷态Z参数提取寄生电阻的误差变大，因此在Yc22实部开始出现上升的栅压以下区域为提取晶体管寄生电阻的合适偏置区域，确定Yc22实部开始出现上升时的栅压值为Vh；步骤24：得到提取晶体管寄生电阻的偏置条件为：Vds＝0V和Vgs＝Vh-Vo，所述Vo代表引入的工程余量；步骤3中所述的提取寄生电阻参数包括以下步骤：步骤31：根据得到的提取晶体管寄生电阻的偏置条件，利用所述偏置条件下的S参数，去嵌测试焊盘和金属互联线引入的寄生参数，之后转换为Y参数，利用Y参数的虚部提取冷态晶体管的Cgs，Cgd，Cds，利用Yc22低频的实部结果提取gds，具体拟合公式如下：a)-imag((Yc12+Yc21)/2)＝ω×Cgdb)imag(Yc11)-ω·Cgd＝ω×Cgsc)imag(Yc22)-ω·Cgd＝ω×Cdsd)real(Yc22)·ω＝ω×gds|ω→0步骤32：去除沟道电阻对于冷态Zc参数的影响，通过如下矩阵变换式子：其中：Zr参数表示去除沟道电阻之后的Z参数矩阵；步骤33：利用Zr参数的实部线性拟合得到寄生电阻的值，具体拟合公式如下：a)real((Zr12+Zr21)/2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪刚，刘桂明，常虎东，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：