Полная версия

Главная arrow Техника arrow Анализ принципа работы и расчет субмикронных МОП-транзисторов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Описание измерительного комплекса

Описание работы комплекса измерений

Программно-аппаратный комплекс для автоматизированных измерений вольтамперных характеристик МОП-транзисторов, условно можно разделить на две части: аппаратную и программную.

Разработанный автоматизированный аппаратно-программный комплекс позволяет измерять токовые характеристики субмикронных КНИ МОПТ на пластине с учетом воздействия высоких внешних температур (до 300°C).

Система позволяет проводить экстракцию параметров SPICE модели, формировать специализированную библиотеку SPICE моделей для моделирования выбранного технологического процесса с учетом влияния конкретной температуры. Структура системы показана на рис. 2.1.

Обобщенная структура программно-аппаратного комплекса

Рис. 2.1. Обобщенная структура программно-аппаратного комплекса

Приборы для измерения электрических характеристик при разных уровнях внешних воздействующих факторов подключаются к управляющему компьютеру и работают под управлением программного модуля LabVIEW. Подмножество приборов в сочетании с процедурой измерения, позволяющей получить набор электрических характеристик с доступными квазипостоянными внешними условиями, объединяется в одно измерительное ядро (рис.2.1, а), периодически вызываемое из (рис. 2.1, б).

Электрические характеристики исследуемых транзисторов, соответствующие i-ый итерации в температурном цикле, сохраняются в локальном массиве данных измерений измерительного ядра и далее передаются в i-ый слой базы данных централизованных измерений (рис. 2.1, б).

Программная часть комплекса в дополнение к модулям для управления оборудованием включает промышленный инструмент экстракции параметров IC-CAP. Реализованными в IC-CAP являются:

  • · процедура статистической обработки несоответствия характеристик устройства в результате изменения технологических параметров;
  • · процедура расчета основных параметров транзистора сдвигается с изменением температуры;
  • · процедура извлечения параметров SPICE моделей, которая включает стандартный поток для извлечения параметров для комнатной температуры и модифицированную процедуру извлечения температурно-зависимых параметров модели (рис.2.1, в).

Результатом работы аппаратно-программного комплекса измерений является библиотека моделей SPICE, которая учитывает влияние высокой температуры и генерируется в виде файла требуемого формата.

Аппаратная часть комплекса имеет следующий состав (рис. 2.2):

Аппаратная часть комплекса

Рис. 2.2. Аппаратная часть комплекса: 1. Аналитическая зондовая установка ЭМ-6030; 2. Термоустановка, включающая термостолик и регулятор; 3. Источник/измеритель KEITHLEY SourceMeter® 2602; 4. Генератор импульсов ГСС-120; 5. Осциллограф Tektronix DPO 7000 series; 6. Мультиметр GDM-8246; 7. Источник постоянного напряжения GPD-73303d

Зондовая станция служит инструментом для непосредственного электрического подключения к тестовым транзисторам на исследуемой пластине. При помощи термостолика, включённого в состав зондовой установки, исследуемый тестовый образец может быть подвержен температурному воздействию в диапазоне от комнатной температуры до 300°C. Подключение к контактным площадкам исследуемого элемента происходит посредством моторизированных пробников-игл (зондов), контроль контактирования осуществляется с помощью видеокамеры. Чувствительность перемещения микроманипулятора по координатам X, Y не хуже 250 мкм на оборот микровинта.

Контрольно-измерительная аппаратура объединена в единую систему с управляющей ЭВМ с использованием различных стандартных и специализированных измерительных интерфейсов (GPIB, RS232, USB и др.); своевременное включение, выключение, установка электрических и тепловых режимов регулируется программным модулем, реализованным в системе LabVIEW.

Процедура измерений протекает следующим образом:

  • 1. Электрические измерения выбранного набора тестовых устройств осуществляют при комнатной температуре; результаты измерений собираются и хранятся в первом слое базы данных результатов измерений.
  • 2. Для проведения измерений при температуре, отличной от комнатной, для каждого i-го пункта предварительно выбранного списка значений температуры:

a. С помощью блока управления температурой, осуществляется нагрев термостолика до требуемых значений. Для стабилизации температуры необходимо время около 4-5 минут.

b. Электрические измерения проводят таким же образом, как описано в пункте 1.

c. Результаты измерений собираются и хранятся в i-ом слое базы данных результатов измерений.

Измерительная аппаратура позволяет проводить измерения четырёхпроводным методом; кроме того, реализована возможность измерять квазистатические характеристики в импульсном режиме с помощью генератора импульсов и осциллографа.

В отличие от случая измерения электрических характеристик без учёта температуры, аппаратная часть данного комплекса имеет следующие особенности: 1) в состав комплекса включены термостолик и регулятор температуры; 2) усложнилась процедура измерения: при каждом значении температуры из заданного списка необходимо производить новый цикл измерений, что приводит к увеличению времени измерений, а также увеличению и усложнению структуры базы результатов измерений.

Процесс сбора, хранения и обработки результатов измерений автоматизирован с помощью программного модуля, разработанного с использованием системы LabVIEW. Благодаря этому вмешательство оператора в процесс работы минимизирован, что существенно упрощает, ускоряет все операции и снижает вероятность ошибки.

Передняя панель комплекса

Рис. 2.3. Передняя панель комплекса

транзистор полевой токопроводящий электрический

Комплекс позволяет установить ограничение по току, напряжению и мощности, настроить диапазон значений и шаг для управляющих напряжений и токов. Измерения проводятся в соответствии с выбранным каталогом транзисторов.

Результаты измерений при каждом значении температуры поступают с различных кристаллов полупроводниковой пластины и объединяются в общей базе данных. Они содержат информацию о геометрических размерах, электрических характеристиках исследуемых транзисторов при заданной температуре, а также информацию об условиях проведения эксперимента.

Программный комплекс, реализованный в системе LabVIEW автоматизировано производит измерения выходных и сток-затворных характеристик для различных напряжений и записывает измеренный массив данных в файл для дальнейшей обработки в IC-CAP или других программах. Характеристики экспортируются в виде текстовых и графических файлов.

Процедура обработки данных включает в себя 4 этапа:

  • 1. Сглаживание электрических характеристик для устранения случайных ошибок измерений
  • 2. Статистическая обработка данных для транзисторов одного типономинала, снятых с различных кристаллов, в том числе определение характеристик «золотого транзистора», то есть усреднение по каждой точке каждой характеристики
  • 3. Определение сдвигов основных параметров транзистора с температурой
  • 4. Экстракция параметров SPICE-модели

Моделирование.

Основными параметрами, зависящими от температуры МОПТ, являются: ширина запрещенной зоны , плотность носителей n, p, подвижность м, пороговое напряжение , ток утечки .

Разработанная высокотемпературная модель КНИ МОПТ основана на стандартном ядре BSIMSOI, но использует расширенный набор зависящих от температуры параметров и содержит усовершенствованный набор термических уравнений. Эти параметры связаны с:

  • · пороговым напряжением (VTH0, K1, K2 и т.д.);
  • · подвижностью носителей (U0, UA, UB и т.д.);
  • · токами утечки p n -перехода (JDIFS, NDIODES и т.д.) VSAT),
  • · последовательным сопротивлением (RDSW),
  • · током ударной ионизации (XLP), подпороговым наклоном (VOFF, NFACTOR) и другими.

Несколько параметров исходной модели используют встроенные зависимости от температуры, а новые или уточненные зависимости введены для ряда параметров.

Извлечение параметров модели

Определение набора параметров SPICE модели выполняется с использованием промышленного инструмента для экстракции IC-CAP с использованием модифицированной процедуры экстракции. Входные данные представляют собой наборы ВАХ и ВФХ стандартных структур МОП-транзисторов КНИ при разных значениях температуры. Процедура извлечения позволяет получить параметры модели для промежуточных значений температуры и включает в себя следующие этапы:

1. Весь диапазон W и L разделен на «бины», для каждого из которых извлечение параметров будет выполняться отдельно. Это сделано для точного моделирования электрических характеристик всех транзисторов на кристалле, имеющих разные значения длины и ширины канала в диапазоне от или до ~ 10 мкм.

  • 2. Для каждой группы транзисторов, объединенных в ячейку, весь набор параметров модели BSIMSOI извлекается при комнатной температуре. При этом используется стандартная процедура экстракции параметров выбранной стандартной модели и стандартный набор измеренных характеристик транзисторов при комнатной температуре.
  • 3. Для каждого «бина», методом глобальной оптимизации, отдельно определены встроенные в модель температурные коэффициенты (для порогового напряжения - KT1, подвижности носителей - UTE, подвижности основных носителей - AT, сопротивления источника стока - PRT и т.д.).

Процедура извлечения параметров приводит к так называемой «бинарной» модели SPICE, которая представляет собой единую сущность, содержащую отдельный набор параметров для каждого «бина» измерений транзистора. При использовании такой модели в моделировании схемы, симулятор сам выбирает ячейку для конкретного транзистора в соответствии с указанной шириной затвора W и длиной L экземпляра транзистора. Полученная модель применима в диапазоне W/L, соответствующем измеренному набору транзисторов.

 
Перейти к загрузке файла
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>