Agilent Technologies デバイス・モデリング・セミナ2002literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5988-6833JA.pdfSopt =+ ⋅⋅− −⋅+ min 4 11 2 2 2 ΓΓ ΓΓ NF=1 dB

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

kani

1

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

Page 2

• 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

2

Page 3

• 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

Page 4

Scattering Parameter（散乱パラメータ）

a1

b1

b2

a2

反射波

伝送波

伝送波

反射波

入射波

入射波

回路網

50 Ω75 Ω

50 Ω75 Ω

反射係数

伝送係数

Γ =ba

1

1Γ =

ba

2

2a1 = 0a2 = 0

τ =ba

2

1a2 = 0 τ =

ba

1

2a1 = 0

Ｓパラメータとは？

3

Page 5

S i ji : 出力ポートj : 入力ポート

bb

s ss s

aa

1

2

11 12

21 22

1

2

=

⋅

s ba12

1

2

=

s ba21

2

1

= s ba22

2

2

=a2 = 0

a1 = 0

a1 = 0

s ba11

1

1

=a2 = 0

Ｓパラメータの関係式

Page 6

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

4

Page 7

+ R- R

+ jX

- jX

誘導性

容量性

負性抵抗

インピーダンス直交座標

Page 8

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

ΓL

L

L

Z

Z=−

+

501

501

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

5

Page 9

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

Page 10

雑音円（ＮＦ）と電力利得円（ＧA）

( )G

S

SS

S

S S S S

A

S

S

SS

=⋅ −

−− ⋅

− ⋅

⋅ − ⋅

= ⋅ − ⋅

212 2

22

11

2

112

11 22 12 21

1

11

1

Γ

∆ ΓΓ

Γ

∆

平面ΓS

GA=13 dB

GA=10 dB

GA=7 dB

( )NF F

Rn S opt

S opt

= +⋅ ⋅ −

− ⋅ +min

4

1 1

2

2 2

Γ Γ

Γ Γ

NF=1 dB

NF=2 dB

NF=3 dB

6

Page 11

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？

Page 12

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

( )Γ

∆

∆ ∆

∆

SS S

SS SS

S S S S

−− ⋅

−=

−

= ⋅ − ⋅

11 22

112 2

12 21

112 2

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）

S11 2

2 0− >∆

7

Page 13

( )

( )

VSWRSS

RL S

Z Z SS

Groupd phaserad S

d

IN O

=+−

= − ⋅

= ⋅+−

= −⋅

11

20

11

11

11

10 11

11

11

21

log

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

Page 14

ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）

8510C

8720E

8753E

45MHz - 110GHz

50MHz - 20GHz

30KHz - 6GHz

Ｓパラメータを測定する測定器

8

Page 15

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

Page 16

高周波用プローブ

GS ( Ground - Signal ) タイプ

G S

GSG ( Ground - Signal - Ground ) タイプ

G GS

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

9

Page 17

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

a1

b1

b2

S baM11

1

1

=S

baM21

2

1

=

EXF

EDF

ERF

1

ESF

S21A

S12A

S11A S22A ELF

ETF

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

Page 18

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

10

Page 19

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

Page 20

抽出システムの一例

11

Page 21





Agenda

Page 22

デバイス基準面

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

12

Page 23

L=0.18um、W=20um

周波数：3GHz-6GHz

測定値 (De-embedding前)

De-embedding後

De-embeddingとは?

Page 24

De-embeddingの難しさ

• 負性抵抗

• 過剰de-embedding

13

Page 25





Agenda

Page 26

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

14

Page 27

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

Page 28

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）


15

Page 29

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）

Page 30

IC-CAPによるBSIM3モデルファイル例

DC

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

②

③

④

⑤

16

Page 31

Large/Narrowのidvg特性

Large Narrow

測定値


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

Page 32

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

=⋅⋅

17

Page 33

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=1V

Vg=2V

Vg=3VVg=1V

Vg=2V

Vg=3V

Page 34

接合容量特性

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

18

Page 35

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

Page 36

ShortのＳパラメータ特性

S21

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

Vd=1V

Vd=2V

S11

19

Page 37

Large/NarrowのＳ21特性

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

Large Narrow

Page 38

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

20

Page 39

BSIM4マクロ例

Page 40

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

21

Page 41

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

Page 42

BSIM4のモデリング例（DC特性）

Short

Small

22

Page 43

BSIM4のモデリング例（容量特性）

ゲート容量

接合容量

Page 44

BSIM4のモデリング例（S-Parameters特性@1 finger）

S21dB

S11

S22

23

Page 45

BSIM4のモデリング例（S-Parameters特性@20finger）

S21dB

S11

S22

Page 46





Agenda

24

Page 47

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。

Page 48

• 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

25

Page 49

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

NG!

AgilentのSolution

Page 50

パッシブ部品、パッケージのモデリング例

26

Page 51

評価ボード・モデリングの例

Point Port

Page 52


⇒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

27

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

28



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

29



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

30



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

31



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

32



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

33



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

34



BSIMSOIモデルの開発

BSIMPD2.2.3 (3/02)



BSIMSOIモデルの概要

35



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

36



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

37



BSIMSOI　PDモデルの構造



BSIMSOI　Self-heatingモデル

38



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

39



BSIMSOIモデル　バイポーラ電流



BSIMSOI　PDモデルと測定値の比較

40



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

41



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

42



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

Source

B

パッドサイズ：100um x 100um

ピッチ:150um

ピッチ:150um

トランジスタ部

300um～400um

43



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

1kHz

100kHz

Vg

44



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

45



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

46



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

47



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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