一种用于器件模型参数提取的芯片测试数据的获取方法

【摘要】半导体器件的建模及模型参数提取是电子设计自动化（EDA）领域的关键性工作。要提取器件参数，获取并处理复杂繁重的测量数据是前提条件，也是非常重要的一个环节，如何简单有效的提取并处理参数提取测试数据就显得格外重要。本文提出了简单易用的用于器件模型参数提取的测试数据的获取方法。实验证明，该方法可以有效的获取大量繁杂的测试数据，具有较高的精确度，而且简单易用，适合推广使用。

【关键词】MOS器件；模型参数；参数提取；数据测试

A Measurement Method of Chip Test Data for the Process of Device Model Parameters Extraction

Song Wenbin

（Dalian neusoft institute of information，Dalian 116023，Liaoning Province，China）

Abstract：Device model and model parameter extraction is the most important part of the electronic design automation（EDA）areas.To extract the device parameters，obtaining and processing of complex measurement data is very important.A simple method to obtaining the test data for device model parameter extraction is proposed in this paper.The experimental results show that the method can obtain and process complex measurement data effectively and accurately，and it is is convenient to apply it to other complex parameter extraction fields.

Key words：MOS device；Model Parameter；Parameter extraction；Measurement data

1.引言

半导体器件的建模及模型参数提取是电子设计自动化（EDA）领域的关键性工作[1]。参数提取的任务是要从一组器件测量特性中得到与器件模型相对应的一套器件模型参数值[2]。其办法是先给出一组模型参数初始值，代入器件模型公式得到一组模拟结果；然后比较Isim（模拟结果）与Imes（测量结果），如两者不一致，就修改参数值，直到Isim与Imes很好地拟合[3-4]。实际上，提取过程也就是理论模型与实际器件特性之间用参数来加以拟合的过程。因而，要提取器件参数，获取测量数据是前提条件，也是非常重要的一个环节。为了让实验结果精确，这种提取方法需要实测大量的测试数据来比对、验证。那么，如何系统、科学的获取测试数据就显得尤为必要。本文以1.2um SOI CMOS工艺为实例，介绍了搭建数据测试平台、获取直流参数与获取交流参数的具体方法该。该方法简单易用，具有较高的精确度，可以作为深亚，适合推广使用。

2.数据获取的测量平台搭建

本文通过由进行直流测量的HP41

55A半导体参数分析仪、HP4275A多频LCR仪、Keithly707开关矩阵、探针台、PC机构成的测量系统来测量所需的数据。图1是测量系统的示意图。

3.直流数据的获取

直流测试数据的获取主要来源于MOSFET结构。以1.2um SOI CMOS工艺为例，MOSFET结构由4部分组成：三端nMOSFET、三端pMOSFET、四端nMOSFET、四端pMOSFET，如图2所示，每一部分都包含有64个不同宽长比（W/L）的MOSFET。

为了提取器件模型的直流参数，需要分别测量器件组中每一个器件的IV特性曲线。对每一个器件都采用相同的工作区进行测量、参数提取。为了进行这样的提取，每个器件都需要测量以下五组数据：

第一组测量数据为线性区的IDS-VGS曲线，测量条件是不同的VBS扫描，且VDS很小，以保证器件工作在线性区。n-MOSFET的测量电路如图3（a）所示。

第二组测量数据为饱和区的IDS-VGS曲线，测量条件是不同的VBS扫描，且VDS被允许的最大值，以保证器件工作在饱和区。n-MOSFET的测量电路如图3（a）。

第三组测量数据为IDS-VDS曲线，测量条件是不同的VGS扫描，底衬偏置VBS为0V。此时既包括线性区也包括饱和区。n-MOSFET的测量电路如图3（a）所示。

第四组测量数据仍为IDS-VDS曲线，测量条件是不同的VGS扫描，VBS为最大衬底偏压。此时既包括线性区也包括饱和区。n-MOSFET的测量电路如图3（a）。

第五组测量数据为衬底电流ISUB

-VGS曲线，测量条件是不同的VGS扫描，VBS分别为0和VDD，n-MOSFET的测量电路如图3（b）所示。

4.交流数据的获取

为了提取电容（交流）模型参数，每个器件都有下列五组数据需要测量：

第一组测量数据：从积累区通过强反型区，全部栅电容与栅偏压的关系Cgc-Vg，测量电路如图4（a）所示。第二组测量数据：从强反型区到耗尽区，Cgc-Vg关系曲线，测量电路如图4（b）所示。

第三组测量数据：从积累区通过强反型区到耗尽区，Cgs/Cgd-Vg关系曲线，测量电路如图5（a）所示。第四组测量数据：从线性区通过饱和区，Cgs/Cgd-Vd关系曲线，测量电路如图5（b）所示。

第五组测量数据：在不同的体电压下，Cgb-Vg关系曲线，测量电路如图6所示。（图4至图6中，H1表示施加直流和交流偏置的端口，Lo表示LCR收集交流电流的端口）。

为了提取模型的温度依赖参数，上面讨论的测量需要在几个不同的温度下进行。测量温度可根据需要选择。

5.结果分析

基于中科院微电子所1.2um SOI MOS工艺，利用上述方法获取的测试数据，提取BSIMSOI的阈值电压模型中的16个直流模型参数，分别是VTH0，K1，K2，K3，K3B，W0，NLX，DVT0，DVT1，DVT2，DVT0W，DVT1W，DVT2W，DSUB，ETA0，ETAB；图7、图8为PMOSFET输出特性曲线和转移特性曲线。从实验结果可以看出，模拟数据和实验数据吻合较好。这说明我们的数据获取的测量平台搭建的比较合理，数据获取方法简单可行，而且精度很高。

6.结论

从实际的测试效果来看，传输特性曲线和转移特性曲线都拟合的很好，这说明了本文提出的数据获取的测量平台搭建的比较合理，测试数据量充足，而且利用该方法获取数据简单易行，有较高的精确度，适合推广使用。

参考文献

[1]J.J.Liou A,Analysis and Design of MOSFETS:Modeling,Simulation,and Parameter Extraction[M]KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS,1998.

[2]Kondo M,Onodera H,Tamaru K.Model adaptable MOSFET parameter extraction method using an intermediate model[J].IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems,1998,17(5):400-405.

[3]Yang P,Chatterjee P K,An optimal parameter extraction program for MOSFET models[J].IEEE Transaction on Electron Devices,1983,30(9):1214-1219.

[4]Yang P,Chatterjee P K,An optimal parameter extraction program for MOSFET models[J].IEEE Transaction on Electron Devices,1983,30(9):1214-1219.

注：辽宁省科技厅博士科研启动基金项目资助（20101003）。

作者简介：宋文斌（1979—），男，博士研究生，毕业于中国科学院研究生院—微电子研究所，讲师，主要从事超深亚微米SOI CMOS集成电路设计及工艺研究。