基于BSIM3的低溫MOSFET模型及參數提取

鄧旭光

(華北光電技術研究所，北京100015)

1 引言

低溫(77K)MOSFET參數提取工作主要是配合紅外讀出電路的設計而展開的，紅外探測器工作在低溫(77K)環境下，與之相耦合的硅讀出電路也要工作在相同的低溫(77K)環境下。晶元代工廠只提供常溫下的MOSFET模型及參數，不可能完全吻合低溫(77K)下器件的真實工作特性，所以我們開展了這項工作，以期在與代工廠的長期合作中，研制出適合自身要求的讀出電路。

器件模型作為工藝與設計之間的接口，用于大規模集成電路的設計和仿真，本文以低溫(77K)環境為前提，選定的晶元代工廠工藝設計測試結構，對測試結構進行IV、CV測試，最終使用軟件將測試數據提取為模型參數。

2 BSIM3模型原理

BSIM模型是由加利福尼亞大學伯克利分校開發研制的，它是第一款用于SPICE模擬的工業標準MOS模型。

MOSFET的BSIM模型中，BSIM1模型是一個為1 μm MOSFET技術而發展的模型，包含很多對短溝道效應的更好理解，對溝道長度大于或等于1 μm的器件的模擬結果非常準確。盡管BSIM1模型為每個模型參數引進了幾個適應參數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模型為基礎在很多方面進行了改進，如模型的連續性、輸出電導、亞閾值電流等。但是，BSIM2模型仍然不能用一組參數來模擬大尺寸范圍的器件。為了在所有器件尺寸范圍內獲得準確的模擬結果，用戶通常都需要提取幾組甚至很多組模型參數，每一組模型參數覆蓋器件幾何尺寸的一個有限范圍。而且，用這些參數進行靜態摸擬和把這些參數從現在的技術外推到以后的技術都非常困難。

BSIM1模型和BSIM2模型集中于解決模型的精度并考慮公式的簡化，因而引入了大量的經驗參數或彌合參數來提高模型精度，雖可以自動提取參數，但實際應用中存在模型參數過多和冗余問題。BSIM3則不同，它是基于準二維分析的物理模型，著重于器件工作的物理機制，并考慮了器件尺寸和工藝參數的影響，力求使每個參數與器件特性的關系可以預測，為方便參數提取，還盡可能設法減少了模型參數的個數。

幾種MOS模型的比較如表1所示。

表1 幾個MOS模型的比較

BSIM3模型中主要考慮了以下效應:

(1)短溝和窄溝對閾值電壓的影響;

(2)橫向和縱向的非均勻摻雜;

(3)垂直場引起的載流子遷移率下降;

(4)體效應;

(5)載流子速度飽和效應;

(6)漏感應引起的勢壘下降(DIBL效應);

(7)溝道長度調制效應(CLM效應);

(8)襯底電流引起的體效應(SCBE效應);

(9)次開啟(亞閾值)導電問題;

(10)漏/源寄生電阻。

目前BSIM3模型已有3個版本，不同版本之間某些模型參數有一定差別，而且參數的定義也可能不一致，這就要求參數提取中提取的所有模型參數要針對同一版本。表2以第三版本羅列了部分BSIM3的模型參數。

3 測試圖形設計

按照提取軟件手冊介紹，理想情況下提取器件模型參數，至少需要11種尺寸的器件，這樣提取出的參數既能反映出短溝效應對器件性能的影響，又能反映出窄溝效應對器件的性能的影響。特殊情況下，器件的尺寸分布無法嚴格滿足上述要求時，至少也需要4種尺寸的器件，只是這樣提取出的模型參數比較粗糙而已。如圖1所示。

表2 BSIM3部分模型參數

圖1 MOS器件尺寸理想數量與最小數量要求

待測器件的尺寸滿足以下要求:①寬溝道W一定，溝道長度L變化;②短溝道L一定，溝道寬度W變化;③長溝道L一定，溝道寬度W變化;④對于給定的溝長L，要有不同的W。

根據上述原則，設計出的器件版圖如圖2～圖5所示。

4 實驗

MOSFET參數提取，主要是通過對MOS器件的I－V參數、C－V參數、噪聲參數的測量，根據業界已公認的半導體器件模型(如BSIM1、BSIM2、BSIM3模型)提取相應的器件參數。針對我們的應用要求，參數提取系統的硬件構成如圖6所示。

圖6 半導體參數提取系統硬件構成

將實驗樣品放入低溫探針臺樣品架上，使用液氮進行制冷，在經過一段時間，溫度穩定后，連接測試設備進行測試。

4.1 I－V特性的測量及提取

相對而言，IV特性的測量要簡單一些，其測量原理如圖7所示，器件數據和提取結果如圖8所示。

4.2 C－V特性的測量及提取

CV特性的測量相對要復雜一些，包括以下幾種電容的測量:柵襯電容Cgb、柵溝電容Cgc、柵漏電容Cgd、柵源電容 Cgs、柵電容 Cgg、結電容 Cjc。每種電容的測量方法不同，我們僅以Cgg為例說明實驗方法，CV器件連接方法和提取結果如圖9、圖10所示。

5 結論

按照上面的步驟，可以得到一套低溫下MOSFET BSIM3的參數。使用這套參數對讀出電路進行仿真，并且與讀出電路的實測結果相對比，來驗證這套參數的準確性，根據兩者之間的差異來調整這套參數的提取策略和優化方法。

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