基于BSIM3的低溫MOSFET模型及參數(shù)提取

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。

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