Agilent Technologies...

Agilent Technologiesデバイス・モデリング・セミナ2002

RFアプリケーションのためのMOSFETモデリング

アジレント・テクノロジー株式会社ナレッジ・サービス部デザイン・テクノロジー

テクニカル・コンサルタント塚原正大

• 周波数領域の解析とSパラメータSパラメータとは

• 高確度にデバイスの高周波解析を行う為の技術De-embedding

• BSIM3、BSIM4によるRFモデリング

• RF回路検証の重要性

Agenda

• 周波数領域における代表的なパラメータ

• YZHは開放、短絡条件のため発振しやすく測定が困難である

• 概念的に理解しやすい

• ベクトルネットワークアナライザにて測定が容易におこなえる

• パラメータ変換が容易におこなえる

• RF/μW BJT、MESFET、HEMTの設計、解析、評価において実績済

• Sパラメータによる効果的な抽出方法が可能

• リニアアンプ、低雑音アンプなどの設計、解析、評価に最適

• フィルタ、マッチング回路などの設計、解析、評価に最適

• 自己発熱効果の解析、評価に応用可能

Ｓパラメータを使用する理由

Scattering Parameter（散乱パラメータ）

反射波

伝送波

反射波

入射波

回路網

50 Ω75 Ω

反射係数

伝送係数

Γ =ba

2a1 = 0a2 = 0

τ =ba

1a2 = 0 τ =

2a1 = 0

Ｓパラメータとは？

S i ji : 出力ポートj : 入力ポート

s ss s

s ba12

s ba21

= s ba22

=a2 = 0

a1 = 0

s ba11

=a2 = 0

Ｓパラメータの関係式

反射特性伝送特性

無反射無伝送

全反射利得＝１

反射係数伝送係数

位相＝０位相＝０

極座標

+ R- R

誘導性

容量性

負性抵抗

インピーダンス直交座標

Z - Smith Y - Smith

定抵抗円定コンダクタンス円

定リアクタンス円定サセプタンンス円

正規化インピーダンス正規化アドミッタンス

スミスチャート

反射係数１のスミスチャート

負性抵抗領域

拡大スミスチャート

雑音円（ＮＦ）と電力利得円（ＧA）

S S S S

=⋅ −

−− ⋅

− ⋅

⋅ − ⋅

= ⋅ − ⋅

11 22 12 21

∆ ΓΓ

平面ΓS

GA=13 dB

GA=10 dB

GA=7 dB

( )NF F

Rn S opt

= +⋅ ⋅ −

− ⋅ +min

NF=1 dB

NF=2 dB

NF=3 dB

HP4142 / 4155 / 4156

ＤＣパスにフェライトビーズを入れたら良くなったが何故？

何故、ＤＣ測定なのに発振するのか？

電圧源を電流源に変更したら良くなったが何故？

このデバイスを実際の回路で使用するときには大丈夫なのか？

ＤＣ測定において発振した経験は？

ΓS 平面

反射係数１のスミスチャート

6.1 GHz

5.1 GHz

0.1 GHz

∆ ∆

S S S S

−− ⋅

= ⋅ − ⋅

11 22 12 21

の場合安定円の外側が絶対安定領域

安定円（信号源側）

2 0− >∆

VSWRSS

Z Z SS

Groupd phaserad S

= − ⋅

= ⋅+−

= −⋅

Delayω

定在波比

リターンロス

入力インピーダンス

群遅延

Ｓパラメータから求められる他の一般的なパラメータ

ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）

45MHz - 110GHz

50MHz - 20GHz

30KHz - 6GHz

Ｓパラメータを測定する測定器

Cascade Microtech Probe Station

Cascade Microtech Inc.提供による

針の先端まで５０オームを実現

高周波用プローブ

GS ( Ground - Signal ) タイプ

GSG ( Ground - Signal - Ground ) タイプ

２導体線路構造

コプレーナ線路構造

コプレーナ線路の電磁界解析例

この他には、ＳＧＳ、ＧＳＧＳＧ、ＳＳＧなどが用意

システムに内在するベクトル誤差要因

順方向シグナルフローグラフ

S baM11

S11A S22A ELF

ポート１基準面

ポート２基準面

EDF : 方向性による誤差ESF : ソースマッチによる誤差ERF : 反射のトラッキングによる誤差

EXF : アイソレーションによる誤差ELF : ロードマッチによる誤差ETF : 伝送のトラッキングによる誤差

逆方向についても同様の誤差が存在するので合計１２タームの誤差

２ポートキャリブレーションの種類

SOLT ( Short-Open-Load-Thru )

TRL ( Thru-Reflect-Line )

LRM ( Line-Reflect-Match )

LRRM ( Line-Reflect-Reflect-Match )

TRL on Silicon

高周波のウェハ測定の標準的なキャリブレーション

伝統的なキャリブレーション

導波管、高周波のマイクロストリップ系での標準的なキャリブレーション

シリコン基板上でのキャリブレーション

キャリブレーション・スタンダード

Cascade Microtech Inc.提供による

スタンダード

抽出システムの一例

Agenda

デバイス基準面

デバイスを特性化しやすいGSGパターンの設計が必要

基板GNDにも配慮す

る必要あり

RF測定用に使われるTEGの一例

校正基準面校正基準面

L=0.18um、W=20um

周波数：3GHz-6GHz

測定値 (De-embedding前)

De-embedding後

De-embeddingとは?

De-embeddingの難しさ

• 負性抵抗

• 過剰de-embedding

Agenda

Gate Drain

Source Backgate

Gate-Drain間の配線容量

Poly-Si Gate抵抗

基板抵抗

BSIM3 RFモデリングにおいて考慮すべき問題点

BSIM3 RF入力反射特性（ゲート抵抗の有無）

S11特性（ゲート抵抗有り）

de-embed後の測定値

シミュレーション値

S11特性（ゲート抵抗無し）

拡大図

周波数：100MHz - 20.1GHzGate : 1.5 V固定Drain : 1, 1.25, 1.5 V

BSIM3 RF伝送特性（ゲート抵抗の有無）

S21振幅特性（ゲート抵抗有り）

S21振幅特性（ゲート抵抗無し）

BSIM3 RF出力反射特性（基板抵抗の有無）

S22特性（基板抵抗有り） S22特性（基板抵抗無し）

IC-CAPによるBSIM3モデルファイル例

バルク-ドレイン間接合容量

ゲート容量

Ｓパラメータ

寄生素子①

Large/Narrowのidvg特性

Large Narrow

測定値

Vg=0-5V , Vb=Vs=0V , Vd=0.1V

Shortのidvg/gm_vs_vg特性

idvg gm_vs_vg

Vg=0-5V , Vb=Vs=0V , Vd=0.1V

Gm d idd vg

=⋅⋅

Shortのidvd/rout_vs_vd特性

Vg=1-3V , Vb=Vs=0V , Vd=0-5V

idvd rout_vs_vd

Rout d vdd id

=⋅⋅

Vg=3VVg=1V

接合容量特性

[S] [Y] [C]Vg=Vb=Vs=0V , Vd=-0.2~2V , Freq=350MHz

ゲート-ソース間容量特性

[S] [Y] [C]Vd=Vb=Vs=0V , Vg=-4~4V , Freq=350MHz

反転領域

蓄積領域

ShortのＳパラメータ特性

Vb=Vs=0V , Vg=1.5V , Vd=1~2V , Freq=50MHz~5.05GHz

Large/NarrowのＳ21特性

Vb=Vs=0V , Vg=1.5V , Vd=-1~2V , Freq=50MHz~5.05GHz

Large Narrow

IC-CAPによるBSIM4モデルファイル例

BSIM4.2.1用モデルファイル

DCパラメータ抽出用セットアッップ

CVパラメータ抽出用セットアッップ

de-embedding用セットアッップ

S-parameters用セットアッップ

BSIM4マクロ例

BSIM4ネットリスト例デザインテクノロジーによって組み込まれたシミュレータ

Spice3e2

Spice3f5

今回使用したBSIM4の内部モデル

BSIM4で新しく追加されたモビリティモデル

新LDD抵抗モデル

ゲート漏れ電流モデルOFF

新Charge Thickness Capacitanceモデル

新ジオメトリ依存型ゲート抵抗モデル

新基板抵抗モデル

RGATEMODを使用するためNQSモデルOFF

BSIM3と同等のダイオードモデル

新ジオメトリ依存型Perimeterモデル

デバイスに対応したジオメトリ構造

拡散抵抗モデルON

BSIM4のモデリング例（DC特性）

BSIM4のモデリング例（容量特性）

ゲート容量

接合容量

BSIM4のモデリング例（S-Parameters特性@1 finger）

BSIM4のモデリング例（S-Parameters特性@20finger）

Agenda

RF回路検証の重要性

• パラメータのコンビネーション

• 物理的、電気的にReasonableなパラメータ値

• De-embedの精度

• シミュレーション収束性

等を確認するために回路検証が重要。

• 検証方法1)デバイス･モデリング2)オンウェハで回路検証(単純回路)を行い、デバイス・モデリングの検証を行う。その後3)Interconnectモデリング4)パッケージ・モデリング5)評価ボード・モデリング6)SMT部品モデリングというように、step-by-stepで回路検証を行う。

• 注意する点オンウェハ検証用の回路は複雑にしない。デバイス以外にdominantな成分がない回路にする。

RF回路の検証法

RF回路の検証法ーフローチャート

Device modeling

RF回路の検証

Wafer上での回路検証

Interconnect modeling

Package modeling

評価ボード modeling

SMT部品 modeling

AgilentのSolution

パッシブ部品、パッケージのモデリング例

評価ボード・モデリングの例

Point Port

⇒高周波では周波数領域の解析が必要で、Sパラメータが便利

⇒de-embeddingの精度はTEGに100%依存

⇒モデル等価回路とデバイス構造を理解した上でモデルを選ぶ

⇒一気に複雑な回路で検証するのではなく、単純な回路でオンウェハ検証してから、徐々に複雑にしていく。

まとめ

SOI　MOSFETモデリングの問題点と

アジレント・テクノロジーのソリューション

アジレント・テクノロジー株式会社ナレッジ・サービス部デザイン・テクノロジー

テクニカル・コンサルタント川原康雄

Title of Presentation1 March, 2001

Agilent Restricted Page 2

アジェンダ

• SOIの概要

• SOIの問題点

• BSIM SOIモデル

• 高確度モデリングのためのソリューション

• まとめ

SOIとは

（ SOI ： Silicon-On-Insulator ）

Bulk MOSFET SOI MOSFET

SOIのメリット

①パフォーマンスの向上 ②低消費電力化

SOIのタイプ

部分空乏型（PD：Partially Depleted）

完全空乏型（FD：Fully Depleted）

空乏化していない中性領域の存在

0.15um以上 0.1um未満

SOIの問題点

• 自己発熱効果

• 寄生バイポーラ効果

• ボディ電荷のヒストリー効果

• インパクトイオン効果

• ボディ抵抗の影響

・デバイス構造による対応

・高確度モデリングによる対応

自己発熱効果

・Bulkタイプとは違い、はさまれた酸化膜があるため熱が逃げにくい

・短時間で発熱してしまう

・半導体パラメータアナライザでは測定不可能

自己発熱効果の影響

自己発熱を考慮せずパラメータを抽出した場合

自己発熱を考慮してパラメータを抽出した場合で、　　①シミュレーション時ON（実線）　　②シミュレーション時OFF（破線）

回路設計時の誤差

寄生バイポーラ効果

キンク現象の発生

ボディフローティング構造の問題点

・ボディ電位を一定にすることができない

・動作条件によりボディ電位が変化

・キンク現象の発生

・ボディフローティング構造でのチューニングが必要

ヒストリー効果

・低ドレイン電圧領域でより顕著

・時間的要素が含まれる

・パルス周期を変えて測定することで観測可能

インパクトイオン効果

・高ドレイン電圧領域でより顕著

・時間的要素が含まれる

・立ち上がりからの測定時刻を変えて測定することで観測可能

ボディ抵抗の影響

・一般的に高抵抗を示す

・ボディ電位の時定数の主要因のひとつ

・時間応答のモデリングには不可欠

BSIMSOIモデル

BSIMSOIモデルの開発

BSIMPD2.2.3 (3/02)

BSIMSOIモデルの概要

BSIM3モデルとの比較（１）

• フローティングボディノードの追加

• ダイオード電流の改良

• インパクトイオン電流の改良

• 酸化膜トンネル電流モデルの追加

• ゲート端子に誘導されたドレイン漏れ電流（GIDL）モデルの追加

BSIM3モデルとの比較（２）

• ボディ電荷モデルの改良（ヒストリー効果対応）

• 順方向ボディ電圧領域におけるスレッショルド電圧式の改善

• 寄生BJTモデルの追加

• 自己発熱モデルの追加

• 多種のボディコンタクト/隔離構造への対応

BSIM3モデルとの比較（３）

• W大デバイスに対応した外部ボディノートの追加

• ボディ効果幅依存性の対応

• 低周波領域におけるエクセスショットノイズモデルの追加

• ボディ電位の初期値パラメータの追加

• 電荷厚容量モデルの追加（BSIM3v3.2のCapMod3と同じ）

BSIMSOI　PDモデルのIV特性

BSIMSOI　PDモデルの構造

BSIMSOI　Self-heatingモデル

BSIMSOIモデル　インパクトイオン電流

BSIMSOIモデル　ダイオード電流

BSIMSOIモデル　バイポーラ電流

BSIMSOI　PDモデルと測定値の比較

高確度モデリングのためのソリューション

自己発熱効果

ネットワークアナライザを使用した測定手法の採用

順方向拡散容量測定

高周波用TEG設計のアシスト含むSOIモデリングコンサルティング

パルス測定システム測定データによる検証・最適化

ボディ電荷のヒストリー効果

高速パルス測定の必要性

熱容量の評価・チューニングに利用

パルス測定システム構築例

高速パルス信号源

オシロスコープ

精密DC電源

DCバイアス供給

電流波形モニタ

パルス信号供給

パルス測定I/Fユニット

高速パルス測定システム仕様例

•パルス幅：1ns - 100ns

•繰り返し周期：10μs - 1sec

•印加ゲート電圧：0V - 4.5V（1dBステップ）

•測定電流：100μA - 15mA

高速パルス測定における問題点

•高周波領域の測定

•周波数帯域が広範囲

•測定精度の確保

高周波測定に対応したTEGの例

Source

パッドサイズ：100um x 100um

ピッチ:150um

トランジスタ部

300um～400um

パルスシステムの測定確度検証方法

•リファレンスは半導体パラメータアナライザ

•自己発熱効果がない素子が必要

•Bulk　MOSFETを利用した比較検証

ヒストリー効果の測定方法

100kHz

周波数ドメインによる自己発熱効果測定法

•ACコンダクタンス法

•ネットワークアナライザで測定したSパラメータから算出

•利点：既存の測定システムが利用できる

ダイオード電流と容量測定値

-5.00E-11

-4.00E-11

-3.00E-11

-2.00E-11

-1.00E-11

0.00E+00

1.00E-11

2.00E-11

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

印加電圧[V]

容量測定値[F]

1.00E-08

1.00E-07

1.00E-06

1.00E-05

1.00E-04

1.00E-03

1.00E-02

1.00E-01

ダイオード電流[A]

拡散容量測定値

ダイオード電流

拡散容量測定時の問題

PN接合における順方向

バイアス時の容量測定

LCRメータでは

測定不可

SOIモデルパラメータ抽出に必要となるTEG

①標準MOSFET DCパラメータ抽出用

②容量抽出用③容量サイズ依存パラメータ抽出用

④ボディ抵抗抽出用⑤寄生バイポーラ抽出用⑥拡散容量抽出用⑦自己発熱抽出用

⑧高周波パッドモデリング用⑨高周波パラメータ抽出用

⑩リングオシレータ⑪LNA

SOIモデルパラメータ抽出方法

・UCB提唱の抽出方法を大幅に改善

・高確度モデリングのための測定項目の追加

・初期抽出ルーチンの新規開発

・抽出アルゴリズムの最適化

・回路レベルによる抽出精度の検証とフィードバック

SOIモデルパラメータ抽出用モデルファイルの特徴

・高周波対応のSOIマクロモデルも可能

・モデル変数を利用した測定条件の集中管理

・マクロプログラムによる自動抽出機能

SOIモデルパラメータ抽出例

まとめ

　　SOIモデリングコンサルティングに含まれる内容

・SOIモデルパラメータ抽出用TEG設計アシスト

・ネットワークアナライザを使用したSOIモデリングの提案

・ SOIモデリング用パルス測定システムの構築

・パラメータ抽出ルーチンの開発

・SOIモデルパラメータ抽出用モデルファイルの構築

・回路レベルにおけるモデリング検証

参考文献

• BSIMPD2.2 MOSFET MODEL Users’ Manual • http://www-device.eecs.berkeley.edu/~bsimsoi/• http://www-

6.ibm.com/jp/chips/products/bluelogic/showcase/soi/index.html

May 27, 2002

5988-6833JA0000-08H

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グラフィック仮想化セミナ - デル

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