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モデルパラメータ抽出用 トランジスタTEG. 東京工業大学大学院 理工学研究科 電子物理工学専攻 松澤・岡田研究室 ○盛 健次 、菅原 光俊、松澤 昭 2013/3/4. 目次. 1. モデルパラメータ抽出用トランジスタ TEG 1.1  背景 1.2  従来の TEG 技術と我々の TEG 技術 1.3  従来のモデルパラメータ抽出 1.4  新しいモデルパラメータ抽出 1.5  まとめ  質疑応答. 1.1  背景.

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Presentation Transcript

モデルパラメータ抽出用トランジスタTEG

東京工業大学大学院 理工学研究科

電子物理工学専攻 松澤・岡田研究室

○盛 健次 、菅原 光俊、松澤 昭

2013/3/4

モデルパラメータ抽出用TEG


目次

1.モデルパラメータ抽出用トランジスタTEG

1.1 背景

1.2 従来のTEG技術と我々のTEG技術

1.3 従来のモデルパラメータ抽出

1.4 新しいモデルパラメータ抽出

1.5 まとめ

 質疑応答

モデルパラメータ抽出用TEG


1.1 背景

(1)SPICEのレベル3モデルからBSIMモデルに替わり、L依存、W依存パラメータが増え、モデルパラメータ抽出が難しくなった。

(2)(1)のような工夫をしても、全ての領域で合わせ込むのが難しくなり、Binningという手法が用いられるようになった。

(3)BSIM3v3、BSIM4モデルのようにモデルパラメータが増えることにより、設計者にとってモデルパラメータはブラックボックス化した。

(4)RFモデルでは、寄生のR、L、C素子を外付けしなければ、所望の周波数では合わない。

モデルパラメータ抽出用TEG


1 2 teg teg
1.2 従来のTEG技術と我々のTEG技術

1.2.1 従来のDC TEG

1.2.2 我々の製造したDC TEG

1.2.3 従来の容量TEG

1.2.4 我々の製造した容量TEG

モデルパラメータ抽出用TEG


1 2 1 dc teg
1.2.1 従来のDC TEG

トランジスタスイッチがOFFの時

トランジスタスイッチがONの時

(LRDB)

図4: DUTが非選択の時、

DUTのゲートとソース節点を

   接続する追加パスゲートを持つ

LRDB単位セル。

図1: 一般的な配列構成

モデルパラメータ抽出用TEG


1 2 2 dc teg
1.2.2 我々の製造したDC TEG

AND33

トランスミッションゲート                   (VGF、VGS、VGL、VSF、VSS、VBF、VBS)

アレー状のトランジスタと測定トランジスタを選択するシフトレジスタ

トランスミッションゲート(VDF、VDS、VDL)

測定トランジスタ領域

参照用トランジスタ

UNIT_CELLのレイアウト図

モデルパラメータ抽出用TEG


1 2 3 teg
1.2.3 従来の容量TEG(1)

James C. Chen, Bruce W. McGaughy, Dennis Sylvester, and Chenming Hu

“An On-Chip, Attofarad Interconnect Charge-Based Capacitance Measurement (CBCM) Technique”

IEDM 1996

Open、Short補正

容量測定

充電電圧

放電電圧

0.01fF~10aFの解像度

測定精度は、Pch Tr、Nch Trのミスマッチで決まる。

モデルパラメータ抽出用TEG


1 2 3 teg1
1.2.3 従来の容量TEG(2)

Yao-Wen Chang, Hsing-Wen Chang, Tao-Cheng Lu, Ya-Chin King, Wenchi Ting, Yen-Hui Joseph Ku, and Chih-Yuan Lu

“Charge-Based Capacitance Measurement for Bias-Dependent Capacitance ”

IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 27, NO. 5, MAY 2006

充電電圧

放電電圧

図1。 2段階測定でCIEF CBCMとバイアスセットアップによりMOSFET容量抽出の為に設計されたテストキー。

蓄積から反転まで最大限の範囲をカバーする為に、VCCは第1段でPAD上のGNDの代わりに適用されます。

モデルパラメータ抽出用TEG


1 2 3 teg2

2。 異なった寸法を持つMOSFET

   を正規化した時のゲート容量。

4個のデバイスは、

すべてW=10μmに固定、

L=10、1、0.7、0.6μm。

   図の太い黒線は、

   従来のC-V方法で測定された

W/L=360μm/80μmを持つ

MOSFETの正規化  です。

図3。 Wにより正規化された

特性。

直線とY軸との交点は

デバイスの両側の

フリンジ容量 となる。

1.2.3 従来の容量TEG(3)

図4。 測定されたゲート/ドレイン、ソース/ドレインオーバラップ容量。

挿入図はMOSFETデバイスのオーバラップ容量の概念図を示す。

モデルパラメータ抽出用TEG


1 2 4 teg
1.2.4 我々の製造した容量TEG

提案する浮遊容量を分離して測定する回路

提案するテスト・ストラクチャの全体レイアウト

提案する容量マトリクス用CBCM法のレイアウト

モデルパラメータ抽出用TEG


1.3 従来のモデルパラメータ抽出

1.3.1 モデルパラメータ用のTEG領域

1.3.2 モデル式と各パラメータの抽出法

1.3.3 RD、RSの抽出方法

RD+RSを先に抽出する理由

1.3.4 WD、LDの抽出方法

1.3.5 VTOの抽出方法

1.3.6 UOの抽出方法

1.3.7 THETAの抽出方法

1.3.8 VMAXの抽出方法

モデルパラメータ抽出用TEG


1 3 1 teg

デジタル回路で使用する領域

BSIM3v3

アナログ回路で使用する領域

HiSIM

MOS11

EKV

BSIM5

Wide

middle

narrow

short

middle

large

1.3.1 モデルパラメータ用のTEG領域

モデルパラメータ抽出用TEG


1 3 2
1.3.2 モデル式と各パラメータの抽出法

(2)WDの抽出

(5)UOの抽出

垂直電界

水平電界

(6)THETAの抽出

(7)VMAXの抽出

(2)LDの抽出

(1)RD+RSの抽出

(4)VTOの抽出

モデルパラメータ抽出用TEG


1 3 3

ROUT

VGS:小

VGS:大

2・RCON+RD+RS

VDS

1.3.3 RD、RSの抽出方法

Rout-VDS特性

モデルパラメータ抽出用TEG


1 3 31
1.3.3 RD、RSの抽出方法の意味

I-V特性とR-V特性の考え方

線形特性

飽和特性

合成特性

I

I

I

I-V特性

V

V

V

R

R

R

R-V特性

モデルパラメータ抽出用TEG


Rd rs
RD+RSを先に抽出する理由

Influence of RDS in VTH

With series resistance

Intrinsic device

モデルパラメータ抽出用TEG


1 3 4

IDS

Rout

Rout-L特性

VGS:小

VGS:大

VGS:大

2LD

VGS:小

2Rcon+RD+RS

W

L

2WD

1.3.4 WD、LDの抽出方法

IDS-W特性

モデルパラメータ抽出用TEG


1 3 5 vto

特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。

特性の飽和領域(       )から、以下の様に  を決定する。

、      の時、

IDS

IDS

IDS-VGS特性

IDS-VGS特性

測定条件

VBS=0V

VDS=0.1V

測定条件

VBS=0V

VDS=0.1V

IDS2=2μA

IDS2=2μA

IDS1=1μA

IDS1=1μA

VTH

VTH

VGS

VGS

VGS1

VGS1

VGS2

VGS2

1.3.5 VTOの抽出方法(閾値電圧)

、      の時、

モデルパラメータ抽出用TEG


1 3 6 uo

β特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。-VGS特性

β

VBS=0V

VDS=0.05V,0.1V

βmax

VGS

VTO

1.3.6 UOの抽出方法(移動度)

の時、      より、

モデルパラメータ抽出用TEG


1 3 7 theta
1.3.7 THETA特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。の抽出方法(垂直電界)

β

β-VGS特性

VBS=0V

VDS=0.05V,0.1V

β1

β2

VGS

VGS1

VGS2

モデルパラメータ抽出用TEG


1 3 8 vmax

μ特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。S-VGS特性

μeff-VDS特性

μS

μeff

VBS=0V

VDS=0.05V,0.1V

VBS=0V

VGS=VGS1

μeff1

μS1

VDS1

VDSAT

VGS1

VTO

VGS

VDS

1.3.8 VMAXの抽出方法(水平電界)

モデルパラメータ抽出用TEG


1.4 特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。新しいモデルパラメータ抽出

1.4.1 新しく考案したモデル式

1.4.2 チャネル抵抗とLDD抵抗の分離方法

LEVEL3モデルを用いた

チャネル抵抗とLDD抵抗の分離方法

1.4.3 ゲート容量の変調効果

1μm付近のRoutはゲート容量の影響?

1.4.4 Cgb-Vgb特性

Cgb-Vgbの測定結果を説明した文献

モデルパラメータ抽出用TEG


1 4 1
1.4.1 特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。新しく考案したモデル式

垂直電界

水平電界

モデルパラメータ抽出用TEG


1 4 2 ldd

特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。

(b)

(a)

Ids

Ids

(b)TEG

(b)TEG

(a)TEG

(a)TEG

Vgs

Vds

1.4.2 チャネル抵抗とLDD抵抗の分離方法

ゲートチャネル長の異なる2つのLDMOSを用意し、Ids-Vgs特性、Ids-Vds特性を同一グラフに描画する。

モデルパラメータ抽出用TEG


Level3 ldd

LDD抵抗特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。

チャネル抵抗

LEVEL3モデルを用いたチャネル抵抗とLDD抵抗の分離方法

水平電界は、LDD抵抗である。

モデルパラメータ抽出用TEG


1 4 3
1.4.3 特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。ゲート容量の変調効果

応用物理での発表

応用物理では、垂直電界を削除したが、その後、必要だと分かった。

モデルパラメータ抽出用TEG


1 m rout
1μm特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。付近のRoutはゲート容量の影響?

Rout

1μm

モデルパラメータ抽出用TEG


1 4 4 cgb vgb
1.4.4 Cgb-Vgb特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。特性

モデルパラメータ抽出用TEG


Cgb vgb
Cgb-Vgb特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。の測定結果を説明した文献

A Simple Model for the Overlap Capacitance of a VLSI MOS Device

Region AB:

gate oxide capacitance +

parallel-plate overlap component +

the fringing components

Region CD:

parallel-plate overlap component +

the fringing components

Region DE:

inversion capacitace +

the fringing components

モデルパラメータ抽出用TEG


1.5特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。 まとめ

(1) モデルパラメータ抽出用にトランジスタをマトリックス状に並べて電流ー電圧特性を測定するDC TEGは無かったので新しく製造した。

(2) モデルパラメータ抽出用にトランジスタをマトリックス状に並べてゲート容量を測定する容量TEGは無かったので新しく製造した。

(3) (1)(2)のTEGを使って、新しく考案したモデルパラメータ抽出を行う為の準備が整った。今後、DC TEG、容量TEGを測定し、新しく考案したモデルパラメータ抽出方法が如何に有効であるかを確かめる。

モデルパラメータ抽出用TEG


質疑応答特性の線形領域(       )から、以下の様に  を決定する。

ご清聴ありがとうございました。

質疑応答

モデルパラメータ抽出用TEG


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