KR20020093962A - S-parameter microscopy for semiconductor devices - Google Patents
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Abstract
마이크로스코피의 형태로서 바이어스-의존 S-파라미터 측정의 사용 방법(도 5). 마이크로스코피는 반도체 디바이스의 내부 전하 및 전계 구조의 상세를 결정하는데 사용될 수 있다. 마이크로스코피의 다른 형태와 같이, S-파라미터 마이크로스코피는 의사 "이미지" 에 촛점이 맞춰지며 "이미지"에 있어서 콘트라스트를 제공한다. 본질적으로, 이미지는 S-파라미터 측정으로서 원형(raw form)으로 모아지고 소 신호 모델로서 추출된다. 포커싱(focusing)과 유사한 선택적인 방법을 통해서, 이러한 모델은 전하 제어 맵(32)을 형성하는데 사용된다. 포커싱은, 측정된 바이어스 의존 활동을 사용하여 제공되는 콘트라스트를 가지는 소 신호 파라미터의 유니크한 결정을 위한 알고리즘에 의해 제공되어, 전기 전하 및 전계사이의 경계를 결정한다.Method of using bias-dependent S-parameter measurements in the form of microscopy (FIG. 5). Microscopy can be used to determine details of the internal charge and electric field structure of semiconductor devices. Like other forms of microscopy, S-parameter microscopy focuses on the pseudo "image" and provides contrast in the "image". In essence, the images are gathered in raw form as S-parameter measurements and extracted as small signal models. Through an alternative method similar to focusing, this model is used to form the charge control map 32. Focusing is provided by an algorithm for the unique determination of small signal parameters with contrast provided using the measured bias dependent activity, to determine the boundary between the electrical charge and the electric field.
Description
마이크로파 모놀리딕 집적회로{microwave monolithic integrated circuit(MMIC)}와 같은, 반도체 디바이스의 생산품 수율(product yield)을 정확하게 예측하는 능력은 제조업에서 매우 귀중한 자산이다. 수율 예측은 제한된 제조 자원 의 더 양호한 할당; 수율 문제의 식별; 및 감소된 제조 비용을 허용한다. GaAs MMIC 제조에서, 줄어든 설계 비용 및 시장 순환 주기에 대한 감소된 시간 하에서 새로운 시장을 위한 생산품을 생산하는 추진은 RF 성능 수율 문제에 대한 가능성을 증가시켰다. RF 성능 사양이 훨씬 더 경쟁적인 환경인 현 추세에 따라서 반도체 디바이스 기술의 한계에 도달하게 될 때 이러한 위험은 훨씬 더 심해진다.The ability to accurately predict the product yield of semiconductor devices, such as microwave monolithic integrated circuits (MMICs), is a valuable asset in manufacturing. Yield forecasts include better allocation of limited manufacturing resources; Identification of yield problems; And reduced manufacturing costs. In GaAs MMIC manufacturing, the drive to produce products for new markets under reduced design costs and reduced time for market cycles has increased the potential for RF performance yield issues. This risk is even worse when the limits of semiconductor device technology are reached in accordance with the current trend in which RF performance specifications are much more competitive.
불량한 MMIC RF 수율의 원인을 설명하는 것은, 이것이 명확하지 않을 수 있다는 점에서 함정에 빠질 수 있는 문제(insidious problem)일 수 있다. 특히, RF 수율 문제는 전체 제조 프로세스에 걸쳐 분포된 실현되지 않은 결점의 결과로서 발생할 수 있다. MMIC 제조 공정에서의 수율 손실에 원인을 제공하는 주요한 메커니즘이 도 1에 예시된다. 도시된 바와 같이, 7 개의 가능한 메커니즘으로부터 4 개는 RF 수율 손실과 강하게 관련된다. 비현실적인 성능 사양; 불량한 제조를 위한 설계; 및 프로세스 가변성(variability)과 같은, 인자는 RF 수율을 개별적으로 또는 누적하여(accumulatively) 감소시켜서, 설계에서 제조로의 순환 시간뿐만 아니라 장기간의 제조 비용을 증가시킨다.Explaining the cause of poor MMIC RF yield may be an insidious problem in that this may not be clear. In particular, RF yield problems can arise as a result of unrealized defects distributed throughout the entire manufacturing process. The main mechanism that contributes to the yield loss in the MMIC manufacturing process is illustrated in FIG. 1. As shown, four from seven possible mechanisms are strongly related to RF yield loss. Unrealistic performance specifications; Design for poor manufacturing; And factors, such as process variability, reduce RF yield individually or cumulatively, increasing cycle time from design to manufacturing as well as long-term manufacturing costs.
다양한 방법이 RF 수율 예측을 위해 이용된다. 예컨대, 통계학적 및 실험적 모델링 방법이 알려져 있다. 통계 모델링은 디바이스 모델 및 회로 시뮬레이션을 이용하는 반면 실험적 접근법은 측정된 데이터를 이용한다. 이러한 통계 모델링은 몬테 카를로 통계 모텔, 상관 통계 모델, 경계 모델(boundary model) 및 데이터 베이스 모델을 포함한다. 몬테 카를로 통계 모델은 디바이스 모델 파라미터로 하여금 가우시안 통계에 의해 서로 독립적으로 변화하도록 하게 하는 반면, 상관 통계 모델은 더 현실적인 통계를 나타낸다고 알려져 있으며, 여기서 변형은 모델 파라미터사이의 상관 관계로 제한되어 있다. 장기간 모델 데이터 베이스는 전형적으로 프로세스 제어 모니터링을 위해 생성되지만 또한, 예컨대 엠. 킹(M. King) 등에 의한 "6-시그마 제조성에서의 생산품 엔지니어링 연습: pHEMT 광대역 LNA의 재설계(A product Engineering Exercise in 6-Sigma Manufacturability: Redesign of pHEMT Wideband LNA)"(1999 GaAs MANTECH 테크니컬 다이제스트, 페이지 91 내지 94, 1999년 4월)에 개시된 바와 같이, 수율 예측에 이용될 수 있다.Various methods are used for RF yield prediction. For example, statistical and experimental modeling methods are known. Statistical modeling uses device model and circuit simulation while experimental approach uses measured data. Such statistical modeling includes Monte Carlo statistical motels, correlation statistical models, boundary models, and database models. The Monte Carlo statistical model allows device model parameters to change independently of each other by Gaussian statistics, while the correlation statistical model is known to represent more realistic statistics, where the transformation is limited to correlations between model parameters. Long-term model databases are typically created for process control monitoring, but also for example M. "A product Engineering Exercise in 6-Sigma Manufacturability: Redesign of pHEMT Wideband LNA" by M. King et al. ( 1999 GaAs MANTECH Technical Digest , Pages 91-94, April 1999).
경계 모델은 "프로세스 코너 성능"을 나타내는 모델의 세트이다. 경계 모델은 예측되는 프로세스 변화에 대한 새로운 설계의 강인성(robustness)을 빨리 평가하기에 이상적인 것으로 알려져 있다. 몇몇 제조업자에게, 예컨대 알. 가르시아(R. Garcia) 등에 의한, "제조성을 위한 설계로의 GaAs 제조 접근(GaAs Fabs Approachto Design-for-Manufacturability)"(1999 GaAs MANTECH 테크니컬 다이제스트, 페이지 99 내지 102, 1999년 4월)에 개시된 바와 같이, "프로세스 코너 실험"을 통해 강인성을 직접 평가하는 방법을 전개하는 것이 알려져 있다. 그러나, 경계 방법은 수율 계산에 기본적인 RF 성능 분포를 결정하는 데 이용될 수 없다. 이와 같이, 이 방법은 RF 수율 예측에 대해 부적합하다.The boundary model is a set of models representing "process corner performance". Boundary models are known to be ideal for quickly evaluating the robustness of new designs against predicted process changes. To some manufacturers, such as al. As described in "GaAs Fabs Approachto Design-for-Manufacturability" by R. Garcia et al. (1999 GaAs MANTECH Technical Digest, pages 99-102, April 1999) Likewise, it is known to develop a method for directly evaluating toughness through a "process corner experiment". However, the boundary method cannot be used to determine the RF performance distribution that is fundamental to yield calculation. As such, this method is inadequate for RF yield prediction.
장기간 모델 데이터베이스는 MMIC 프로세스 제어 모니터링을 위한 강력한 도구이며 바이어스 조건의 표준 세트 하에 측정된, 단일하고 일관된 디바이스 구조(single consistent device structure)에 대한 소신호 등가 회로 모델 추출의 큰 샘플로 전형적으로 이루어진다. 데이터베이스 모델은 균일한 샘플링을 통해서 순수 프로세스 변화를 명백하게 캡쳐한다. 불행하게도, 이러한 모델은 최초의 측정 주위에 근접하게 기초한 응용에 제한된다. 예컨대, 다른 바이어스 조건 및 레이아웃으로 디바이스를 표현하도록 데이터베이스 모델을 정확하게 확장하는 것은 문제의 소지가 있다. 이러한 결정은, 상기 "6-시그마 제조성에서의 생산품 엔지니어링 연습: pHEMT 광대역 LNA의 재설계"에서 일반적으로 설명된 바와 같이, 노동 집약적이다. 다른 환경에서, 예컨대 소신호 모델로부터 저 잡음 또는 저 신호 결과를 예측하기 위해 데이터베이스 결과를 적용하는 것은 사실상 불가능하거나 권장되지 않는다.The long term model database is a powerful tool for MMIC process control monitoring and typically consists of a large sample of small signal equivalent circuit model extraction for a single consistent device structure, measured under a standard set of bias conditions. The database model clearly captures pure process changes through uniform sampling. Unfortunately, this model is limited to applications based on proximity around the first measurement. For example, it is problematic to precisely extend the database model to represent devices with different bias conditions and layouts. This decision is labor intensive, as described generally in "Product Engineering Practices in Six-Sigma Productivity: Redesigning pHEMT Broadband LNAs". In other circumstances, it is virtually impossible or not recommended to apply database results, for example to predict low noise or low signal results from small signal models.
몬테 카를로 통계는 RF 수율 시뮬레이션을 구현하기에 간단하다. 그러나 이 방법에 의해 생성된 예측은 상대적으로 부정확하며 보통은 더 불량한 경우 수율 분석에 사용된다. 특히, 몬테 카를로 및 상관 통계 모델에 의해 제공되는 부정확한수율 예측의 예는 도 2a 및 2b에 도시되어 있으며, 이는 22 내지 26 GHz GaAs pHEMT LNA에 대한 시뮬레이트된 잡음 대 실제 잡음 및 이득 통계를 예시한다. 예시된 바와 같이, 정사각형 및 원은 각각 상관 통계 및 몬테 카를로 통계 모델에 의해 시뮬레이트된 데이터 포인트를 나타내고, 괘선은 측정된 데이터 포인트를 나타낸다.Monte Carlo statistics are simple to implement RF yield simulations. However, the predictions produced by this method are relatively inaccurate and are usually used for yield analysis if they are worse. In particular, examples of inaccurate yield prediction provided by Monte Carlo and correlation statistical models are shown in FIGS. 2A and 2B, which illustrate simulated noise versus actual noise and gain statistics for 22 to 26 GHz GaAs pHEMT LNAs. . As illustrated, squares and circles represent data points simulated by correlation statistics and Monte Carlo statistical models, respectively, and ruled lines represent measured data points.
상관 통계 모델은 몬테 카를로 방법보다 더 양호한 방법을 제공하지만, 이 방법으로부터의 결과는 또한 부정확할 수 있다. 상관 통계 모델의 다른 단점은, 실질적인 모델 데이터베이스가, 일반적으로 장기간 모델 데이터베이스를 요구하는 제한으로 본 방법을 연관시키는 상관 관계를 유도하기 위해 또한 필요하다는 점이다.The correlation statistical model provides a better method than the Monte Carlo method, but the results from this method may also be inaccurate. Another disadvantage of the correlation statistical model is that a substantial model database is also needed to derive the correlation that relates the method to the constraints that typically require a long term model database.
위에서 언급된 바와 같이, 경험적 예측은 RF 수율을 예측하는데 이용되는 것으로 또한 알려져 있다. 이러한 경험적 예측 방법에서, 한 회로의 장기간 RF 수율은 다른 회로의 알려진 프로세스 의존 RF 수율 특성에 의해 예측된다. 이 방법은 임계 RF 성능 파라미터와 측정된 디바이스 프로세스 제어 모니터{process control monitor(PCM)} 데이터 사이의 선형 매핑 변환을 이용하는 수율 매핑으로 생각될 수 있다. 이 변환은 회로 성능 공간으로 PCM 데이터를 매핑하는데 이용되는 것으로 알려져 있다. PCM 파라미터의 임의의 분포는 RF 성능의 분포로 변환된다. 이러한 변환의 예는, 디바이스 PCM의 MMIC RF 성능 공간으로의 변환을 예시하는 도 3에 도시된다. 다른 회로로의 수율 맵 설계를 적용하기 위해서, 설계와 연관된 차이를 설명하도록 오프셋이 포함된다. 이러한 경험 모델은 전력이 있다면 잡음 특성의 정확한 예측 및 소신호 이득 성능을 제공하는 것으로 알려져 있다. 35 GHz GaAs pHEMT LNA에 대한 예측된 잡음 형태 성능 및 측정된 잡음 형태 성능의 예시적인 비교가 도 4에 도시되어 있으며, 예측된 데이터는 선으로 도시되고 측정된 데이터는 정사각형으로 도시된다.As mentioned above, empirical prediction is also known to be used to predict RF yield. In this empirical prediction method, the long term RF yield of one circuit is predicted by the known process dependent RF yield characteristics of the other circuit. This method can be thought of as a yield mapping using a linear mapping transformation between critical RF performance parameters and measured device process control monitor (PCM) data. This transformation is known to be used to map PCM data into circuit performance space. Any distribution of PCM parameters is converted to a distribution of RF performance. An example of such a transformation is shown in FIG. 3 illustrating the transformation of the device PCM into the MMIC RF performance space. In order to apply a yield map design to another circuit, an offset is included to account for the differences associated with the design. Such an empirical model is known to provide accurate prediction of noise characteristics and small signal gain performance if there is power. An exemplary comparison of predicted noise shape performance and measured noise shape performance for a 35 GHz GaAs pHEMT LNA is shown in FIG. 4, where the predicted data is shown as lines and the measured data is shown as squares.
수율 맵핑의 하나의 단점은 설계가 생성되기 전에 RF 성능을 정확하게 예측하기 위해 이용될 수 없다는 점이다. 대신에 이의 예측은, 설계 의존 오프셋이 생산전 가동(pre-production run)으로부터의 피드백을 통하여 결정되어짐에 따라, 정제되어야(refine) 한다.One disadvantage of yield mapping is that it cannot be used to accurately predict RF performance before the design is created. Instead, its prediction should be refined as the design dependent offset is determined through feedback from the pre-production run.
불행히도, 반도체 디바이스의 특성을 정확하게 모델링하기 위해, 선형 전도성 영역의 길이; 포화 전계의 크기; 포화 캐리어에 대한 유효 통과 거리 등과 같은 디바이스의 내부 구조와 연관된 현상이 획득되어야 할 필요가 있다. 한정된 요소 디바이스 시뮬레이션(finite element device simulation)이 디바이스의 내부 전하/전계 구조를 계산하기 위해 이용되는 것으로 알려져 왔다. 불행히도, 이 디바이스 시뮬레이션은 일반적으로 정확하지 않으므로, 측정된 디바이스 통계와 상당히 다른 결과를 제공한다. 이와 같이, 반도체 디바이스를 정확하게 모델링하기 위해 반도체 디바이스의 내부 구조와 연관된 전기 특성을 분석하며 측정할 수 있는 분석 기술이 부족하다.Unfortunately, in order to accurately model the characteristics of the semiconductor device, the length of the linear conductive region; The magnitude of the saturated electric field; Phenomena associated with the internal structure of the device, such as the effective pass distance for the saturated carrier, need to be obtained. Finite element device simulation has been known to be used to calculate the internal charge / field structure of the device. Unfortunately, this device simulation is generally inaccurate and gives significantly different results than the measured device statistics. As such, there is a lack of analytical technology capable of analyzing and measuring electrical characteristics associated with internal structures of semiconductor devices in order to accurately model semiconductor devices.
관련 출원에 대한 상호-참고Cross-References to Related Applications
본 출원은 2000년 4월 28일 출원된 미국 특허 출원 제 60/200,307 호의 계속 출원이며 상기 미국 특허 출원을 우선권으로 청구한다.This application is a continuing application of US Patent Application No. 60 / 200,307, filed April 28, 2000, which claims priority.
본 출원은, 로저 차이(Roger Tsai)에 의한, FET 등가 회로 모델 파라미터의 유니크한 결정을 위한 방법(METHOD FOR UNIQUE DETERMINATION OF FET EQUIVALENT CIRCUIT MODEL PARAMETERS)(2000년, 10월 5일 출원된 일련 번호 제 09/680,339호)인, 공동-소유 동시-계류중인 특허 출원과 관련된다. 본 출원은 또한 모두 2000년 4월 28일에 출원된 이하의 공동-소유 동시계류중인 특허출원들: 즉, 로저 차이에 의한, PiFET 레이아웃을 위한 임베딩된 기생 모델(EMBEDDING PARASITIC MODEL FOR PIFET LAYOUTS) {일련 번호 제 60/200,810호(대리인 관리 번호 제 12-1116호)}; 로저 차이에 의한, HEMT 직류-대-고 주파수 전열 특성의 세미-물리적 모델링(SEMI-PHYSICAL MODELING OF HEMT DC-TO HIGH FREQUENCY ELECTROTHERMAL CHARACTERISTICS){일련 번호 제 60/200,648호(대리인 관리 번호 제 12-1118호)}; 로저 차이에 의한, HEMT 고주파수 잡음 등가 회로 모델의 세미-물리적 모델링(SEMI-PHYSICAL MODELING OF HEMT HIGH FREQUENCY NOISE EQUIVALENT CIRCUITMODELS){일련 번호 제 60/200,290호(대리인 관리 번호 제 12-1119호)}; 로저 차이에 의한, HEMT 고주파수 소신호 등가 회로 모델의 세미-물리적 모델링(SEMI-PHYSICAL MODELING OF HEMT HIGH FREQUENCY SMALL SIGNAL EQUIVALENT CIRCUIT MODELS){일련 번호 제 60/200,666호(대리인 관리 번호 제 12-1120호)}; 로저 차이 및 야요 츙(Yao Chung)에 의한, 대신호 및 비-선형 마이크로파/밀리미터파 회로 CAD를 위한 하이브리드 세미-물리적 및 데이터 고정 HEMT 모델링 접근법(HYBRID SEMI-PHYSICAL AND DATA FITTING HEMT MODELING APPROACH FOR LARGE SIGNAL AND NON-LINEAR MICROWAVE/MILLIMETER WAVE CIRCUIT CAD){일련 번호 제 60/200,622호(대리인 관리 번호 제 12-1127호)}; 및 로저 차이에 의한, 반도체 디바이스 기술 모델링을 위한 측정되고 모델링된 방법에 대한 공정 변동(PM2:PROCESS PERTURBATION TO MEASURED MODELED METHOD FOR SEMICONDUCTOR DEVICE TECHNOLOGY MODELING){일련 번호 제 60/200,302호(대리인 관리 번호 제 12-1128호)} 에 관련된다.The present application discloses a METHOD FOR UNIQUE DETERMINATION OF FET EQUIVALENT CIRCUIT MODEL PARAMETERS, a serial number filed Oct. 5, 2000 by Roger Tsai. 09 / 680,339), co-owned co-pending patent application. The present application also discloses the following co-owned co-pending patent applications, all filed on April 28, 2000: EMBEDDING PARASITIC MODEL FOR PIFET LAYOUTS { Serial number 60 / 200,810 (agent management number 12-1116); Semi-Physical Modeling of HEMT DC-TO HIGH FREQUENCY ELECTROTHERMAL CHARACTERISTICS (serial number 60 / 200,648) number)}; SEMI-PHYSICAL MODELING OF HEMT HIGH FREQUENCY NOISE EQUIVALENT CIRCUITMODELS {Serial No. 60 / 200,290 (Attorney Management No. 12-1119)} by Roger Difference; SEMI-PHYSICAL MODELING OF HEMT HIGH FREQUENCY SMALL SIGNAL EQUIVALENT CIRCUIT MODELS (Serial Number 60 / 200,666) (Representative No. 12-1120) }; HYBRID SEMI-PHYSICAL AND DATA FITTING HEMT MODELING APPROACH FOR LARGE SIGNAL by Roger Difference and Yao Chung for Large Signal and Non-Linear Microwave / Millimeter Wave Circuit CAD AND NON-LINEAR MICROWAVE / MILLIMETER WAVE CIRCUIT CAD) (serial number 60 / 200,622 (agent representative number 12-1127)); And process variation (PM 2 : PROCESS PERTURBATION TO MEASURED MODELED METHOD FOR SEMICONDUCTOR DEVICE TECHNOLOGY MODELING) (serial number 60 / 200,302) by Roger Difference. 12-1128).
본 발명의 기술 분야Technical Field of the Invention
본 발명은 반도체 디바이스 기술을 모델링하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고 전자 이동성 트랜지스터(HEMT)가 하나의 유형인 전계 효과 트랜지스터(FET) 같은 반도체 디바이스 기술을 모델링하는 방법에 관한 것이다. 반도체 디바이스 기술을 모델링하는 과정은 디바이스가 내부적으로 동작하는 방식을 완전히 특성화시키는 단계를 포함한다. 이러한 특별한 방법은, 디바이스의 성능이 관측되게 하는, S-파라미터를 사용하여 내부 전기전하 및 전계의 크기, 상태 및 위치 같은 반도체 디바이스의 내부 구조에 대응하는 전기적 특성을 결정하는 단계를 포함한다. 반도체 디바이스 기술 모델은 특정 기술로 제조된 임의의 디바이스의 전기적 성능이 오로지 물리적으로-관련된 파라미터에만 기초하여 투영되게(project) 한다. 이러한 능력은 이러한 디바이스를 사용하여 구조된 회로의 성능이 예측되게 한다.The present invention relates to a method of modeling semiconductor device technology, and more particularly, to a method of modeling semiconductor device technology, such as a field effect transistor (FET), in which a high electron mobility transistor (HEMT) is one type. Modeling semiconductor device technology includes fully characterizing how the device operates internally. This particular method includes using S-parameters to determine the electrical characteristics corresponding to the internal structure of the semiconductor device, such as the magnitude, state and position of the electric charge and the electric field, which allows the performance of the device to be observed. The semiconductor device technology model allows the electrical performance of any device manufactured with a particular technology to be projected only based on physically-related parameters. This capability allows the performance of circuits constructed using such devices to be predicted.
도 1은 제조 공정에서 알려진 MMIC 수율 손실 메커니즘의 시간 흐름도.1 is a time flow diagram of a known MMIC yield loss mechanism in a manufacturing process.
도 2a 및 2b는, 측정된 데이터는 정사각형으로 도시되고 몬테 카를로 통계 데이터는 원으로 도시되며 상관 통계 데이터는 괘선으로 도시되는, 몬테 카를로 및 상관 통계 디바이스 모델을 이용하는 26 GHz MMIC에 대하여, 각각, 잡음 인자 및 이득에 대한 시뮬레이트된 손실 대 누적 수율을 나타내는 도면.2A and 2B show noise for a 26 GHz MMIC using Monte Carlo and correlation statistical device models, where measured data is shown in squares, Monte Carlo statistical data is shown in circles, and correlation statistical data is shown in ruled lines, respectively. Plot showing simulated loss versus cumulative yield for factor and gain.
도 3은 알려진 매핑 MMIC RF 수율 예측 방법을 예시하는 예시적인 대표도.3 is an exemplary representative diagram illustrating a known mapping MMIC RF yield prediction method.
도 4는 도 3에 예시된 방법을 이용하여 35 GHz GaAs pHEMT LNA에 대한 측정된 잡음 인자 대 매핑된 잡음 인자를 예시하는 도해도.4 is a diagram illustrating measured noise factor versus mapped noise factor for a 35 GHz GaAs pHEMT LNA using the method illustrated in FIG. 3.
도 5는 본 발명에 따른 예시적인 S-파라미터 마이크로스코프를 나타내는 도면.5 illustrates an exemplary S-parameter microscope in accordance with the present invention.
도 6은 예시적인 HEMT 디바이스의 내부 및 외부 영역을 예시하는 도면.6 illustrates interior and exterior regions of an exemplary HEMT device.
도 7은 도 5와 유사하지만 도 5에 예시된 HEMT FET 디바이스에서의 모델 요소의 근사 위치를 예시하는 도면.FIG. 7 is a view similar to FIG. 5 but illustrating an approximate location of model elements in the HEMT FET device illustrated in FIG. 5.
도 8은 소스 공통 FET 등가 회로 모델의 개략도.8 is a schematic diagram of a source common FET equivalent circuit model.
도 9는 도 5에 예시된 S-파라미터 마이크로스코프의 특정 적용을 예시하는 도면.FIG. 9 illustrates a particular application of the S-parameter microscope illustrated in FIG. 5. FIG.
도 10은 알려진 시스템이 반도체 디바이스의 내부 전하 및 전계 구조를 정확하게 예측할 수 없음을 설명하는 도 5의 유사도.FIG. 10 is a view similar to FIG. 5 illustrating that a known system cannot accurately predict the internal charge and electric field structure of a semiconductor device.
도 11은 4-핑거, 200㎛ GaAs HEMT 디바이스의 평면도.11 is a top view of a four-finger, 200 μm GaAs HEMT device.
도 12는 도 11에 예시된 샘플 FET 디바이스에 대한 드레인-대-소스 전압(Vds)의 함수로서 측정된 드레인-대-소스 전류(Ids)를 예시하는 예시도.FIG. 12 illustrates an example of drain-to-source current Ids measured as a function of drain-to-source voltage Vds for the sample FET device illustrated in FIG.
도 13은 도 11에 예시된 샘플 FET 디바이스의 게이트-대-소스 전압(Vgs)의 함수로서 드레인-대-소스 전류(Ids) 및 트랜스컨덕턴스(transconductance)(Gm)를 예시하는 예시도.FIG. 13 is an exemplary diagram illustrating drain-to-source current Ids and transconductance Gm as a function of gate-to-source voltage Vgs of the sample FET device illustrated in FIG.
도 14는 도 11에 예시된 FET 디바이스에 대하여 0.05 내지 40.05 GHz의 주파수로부터 측정된 S11, S12 및 S22 파라미터를 예시하는 스미스 차트.FIG. 14 is a Smith chart illustrating S11, S12 and S22 parameters measured from a frequency of 0.05 to 40.05 GHz for the FET device illustrated in FIG. 11.
도 15는 도 11에 예시된 예시적인 FET에 대하여 0.05 내지 40 GHz의 주파수에 대하여 S21 S-파라미터에 관한 각도의 함수로서 크기를 예시하는 도면.FIG. 15 illustrates magnitude as a function of angle with respect to the S21 S-parameter for a frequency of 0.05-40 GHz for the example FET illustrated in FIG.
도 16은 본 발명에 따라 바이어스의 함수로서 Rs로 도시된 온 메사 소스 액세스 영역에서의 전하 및 전계 분포의 전하 제어 맵을 예시하는 도면.FIG. 16 illustrates a charge control map of charge and electric field distribution in an on mesa source access region as Rs as a function of bias in accordance with the present invention.
도 17은 본 발명에 따라 바이어스의 함수로서 Rd로 도시된 온-메사 드레인 액세스 영역에서의 전하 및 전계 분포의 전하 제어 맵을 예시하는 도면.FIG. 17 illustrates a charge control map of charge and electric field distribution in the on-mesa drain access region shown as Rd as a function of bias in accordance with the present invention.
도 18은 본 발명에 따라 바이어스의 함수로서 Ri로 도시된, 비-준 정적 다수 캐리어 전송에 대한 전하 제어 맵을 예시하는 도면.18 illustrates a charge control map for non-quasi-static multi-carrier transfers, shown as Ri as a function of bias, in accordance with the present invention.
도 19는 본 발명에 따라 바이어스의 함수로서 Cgs 및 Cgt로 도시된, 게이트 아래의 게이트 변조 전하 및 분포에 대한 전하 제어 맵을 예시하는 도면.19 illustrates a charge control map for gate modulated charge and distribution under the gate, shown as Cgs and Cgt as a function of bias in accordance with the present invention.
도 20은 두 개의 게이트 핑거를 구비한 예시적인 π-FET 의 평면도.20 is a top view of an exemplary π-FET with two gate fingers.
도 21은 4개의 게이트 핑거를 구비한 π-FET의 평면도.Fig. 21 is a plan view of a? -FET with four gate fingers.
도 22는 본 발명에 따른 π-FET 기생 모델의 예시도.22 is an illustration of a π-FET parasitic model according to the present invention.
도 23은 본 발명에 따른 π-FET를 위한 오프-메사 기생 모델의 예시도.Figure 23 illustrates an off-mesa parasitic model for π-FETs in accordance with the present invention.
도 24는 도 21에 예시된 바와 같이 4개의 게이트 핑거를 구비한 π-FET에 대한 본 발명에 따른 상호연결 및 경계 기생 모델의 예시도.FIG. 24 is an illustration of an interconnect and boundary parasitic model according to the present invention for a π-FET with four gate fingers as illustrated in FIG.
도 25는 본 발명에 따른 상호-전극(inter-electrode) 기생 모델의 예시도.25 illustrates an inter-electrode parasitic model in accordance with the present invention.
도 26은 도 25에 예시된 상호-전극 기생 모델의 개략도.FIG. 26 is a schematic diagram of the inter-electrode parasitic model illustrated in FIG. 25.
도 27은 본 발명에 따른 온-메사 기생 모델의 예시도.Figure 27 is an illustration of an on-mesa parasitic model in accordance with the present invention.
도 28은 도 27에 예시된 온-메사 기생 모델의 개략도.FIG. 28 is a schematic diagram of the on-mesa parasitic model illustrated in FIG. 27.
도 29는 본 발명에 따른 고유 모델의 예시도.29 illustrates an eigenmodel according to the present invention.
도 30은 도 29에 예시된 고유 모델의 개략도.30 is a schematic representation of the eigenmodel illustrated in FIG. 29.
도 31a는 4개의 게이트 핑거를 구비한 π-FET의 예시적인 디바이스 배치도.FIG. 31A is an exemplary device layout view of a π-FET with four gate fingers. FIG.
도 31b는 도 31a에 예시된 π-FET에 대한 등가 회로 모델을 도시하는 도면.FIG. 31B shows an equivalent circuit model for the π-FET illustrated in FIG. 31A.
도 32는 본 발명에 따른 단일 핑거 유닛 디바이스 셀 고유 모델을 도시하는 도면.32 illustrates a single finger unit device cell unique model in accordance with the present invention.
도 33은 도 32와 유사하며 본 발명에 따른 임베딩(embedding)의 제 1 레벨을 예시하는 도면.FIG. 33 is similar to FIG. 32 and illustrates a first level of embedding in accordance with the present invention.
도 34는 도 33과 유사하며 본 발명에 따른 임베딩의 제 2 레벨을 예시하는 도면.Figure 34 is a view similar to Figure 33 and illustrating a second level of embedding in accordance with the present invention.
도 35는 본 발명에 따른 도 31a에 예시된 π-FET의 등가 회로 모델을 도시하는 도면.FIG. 35 shows an equivalent circuit model of the π-FET illustrated in FIG. 31A in accordance with the present invention. FIG.
도 36은 도 34와 유사하며 본 발명에 따른 임베딩의 제 3 레벨을 예시하는 도면.36 is a view similar to FIG. 34 and illustrating a third level of embedding in accordance with the present invention.
도 37은 도 34와 유사하며 본 발명에 따른 임베딩의 제 4 레벨을 예시하는 도면.FIG. 37 is similar to FIG. 34 and illustrates a fourth level of embedding in accordance with the present invention.
도 38은 도 34와 유사하며 본 발명에 따른 임베딩의 제 5 레벨을 예시하는 도면.FIG. 38 is similar to FIG. 34 and illustrates a fifth level of embedding in accordance with the present invention.
도 39a 및 39b는 본 발명의 일부를 형성하는 파라미터 추출 모델링 알고리듬의 시간 흐름도.39A and 39B are time flow diagrams of parameter extraction modeling algorithms forming part of the present invention.
도 40 및 41은 본 발명에 따른 에러 메트릭(error metric)을 예시하는 도면.40 and 41 illustrate an error metric in accordance with the present invention.
도 42a는 0.05 내지 40.05 GHz의 주파수로부터 S11, S12 및 S22 S-파라미터에 대한 측정된 값 대 초기 모델 솔루션을 예시하는 스미스 차트.42A is a Smith chart illustrating measured values versus initial model solution for S11, S12, and S22 S-parameters from a frequency of 0.05 to 40.05 GHz.
도 42b는 0.05 내지 40.0 GHz의 주파수로부터 초기 모델링된 S-파라미터 S21에 대한 각도 대 크기의 예시도.42B is an illustration of angle versus magnitude for S-parameter S21 initially modeled from a frequency of 0.05-40.0 GHz.
도 43a는 제 1 추출 최적화 사이클에 대하여 0.05 내지 40.05 GHz의 주파수에 대한 측정된 S-파라미터 S11, S12 및 S22 대 시뮬레이트된 S-파라미터 S11, S12 및 S22를 예시하는 스미스 차트.FIG. 43A is a Smith chart illustrating measured S-parameters S11, S12 and S22 versus simulated S-parameters S11, S12 and S22 for a frequency of 0.05-40.05 GHz for a first extraction optimization cycle. FIG.
도 43b는 제 1 최적화 사이클에 대하여 0.05 내지 40 GHz의 주파수에 대한 측정된 값 및 제 1 최적화 모델 S21 파라미터에 대한 각도의 함수로서 크기를 예시하는 도면.FIG. 43B illustrates the magnitude as a function of the measured value for the frequency of 0.05-40 GHz for the first optimization cycle and the angle for the first optimization model S21 parameter.
도 44a는 최종 솔루션에 대하여 0.05 내지 40.05 GHz의 주파수에 대한 S-파라미터 S11, S12 및 S22를 위한 최종 모델 솔루션의 함수로서 크기를 예시하는 도면.FIG. 44A illustrates the magnitude as a function of the final model solution for S-parameters S11, S12 and S22 for frequencies between 0.05 and 40.05 GHz for the final solution.
도 44b는 0.05 내지 40.0 GHz의 주파수로부터 최종 모델 솔루션에 대한 S-파라미터 S21에 대한 각도의 함수로서 크기를 예시하는 도면.44B illustrates the magnitude as a function of angle for S-parameter S21 for the final model solution from a frequency of 0.05-40.0 GHz.
요약하면, 본 발명은 마이크로스코피의 형태로서 바이어스-의존 S-파라미터 측정을 사용하는 방법에 관한 것이다. 마이크로스코피는 반도체 디바이스의 내부 전하 및 전계 구조의 상세를 결정하는데 사용될 수 있다. 마이크로스코피의 다른형태와 같이, S-파라미터 마이크로스코피는 의사 "이미지" 에 촛점이 맞춰지며 "이미지"에 있어서 콘트라스트를 제공한다. 본질적으로, 이미지는 S-파라미터 측정으로 원형(raw form)으로서 모아지고 소 신호 모델로서 추출된다. 이러한 모델은 포커싱(focusing)과 유사한 선택적인 방법을 통해서 전하 제어 맵을 형성하는데 사용된다. 포커싱은, 측정된 바이어스 의존 활동을 사용하여 제공되는 콘트라스트를 가지는 소 신호 파라미터의 유니크한 결정을 위한 알고리즘에 의해 제공되어, 전기 전하와 전계사이의 경계를 구별한다. 이와 같이, 본 시스템은 반도체 디바이스의 내부 전기적 구조를 정확하게 설명하는 모델을 제공할 수 있다.In summary, the present invention relates to a method of using bias-dependent S-parameter measurements in the form of microscopy. Microscopy can be used to determine details of the internal charge and electric field structure of semiconductor devices. Like other forms of microscopy, S-parameter microscopy focuses on the pseudo "image" and provides contrast in the "image". In essence, the images are collected as raw form with S-parameter measurements and extracted as small signal models. This model is used to form a charge control map through an optional method similar to focusing. Focusing is provided by an algorithm for unique determination of small signal parameters with contrast provided using measured bias dependent activity, to distinguish the boundary between the electrical charge and the electric field. As such, the system can provide a model that accurately describes the internal electrical structure of a semiconductor device.
본 발명의 이러한 그리고 다른 이점들은 이하의 설명 및 첨부 도면을 참고하여 쉽게 이해될 것이다.These and other advantages of the present invention will be readily understood with reference to the following description and attached drawings.
본 발명은 반도체 디바이스 구조내의 전기전하의 크기 및 위치와 전계 분포의 정성적 연구를 가능하게 하는 S-파라미터 마이크로스코피(SPM)에 관한 것이다. 본 방법은 마이크로스코피의 형태로서 바이어스 의존 S-파라미터 측정을 사용하여, 지금까지 알려지지 않은 반도체 디바이스의 내부 전하 및 전계 구조의 정성적 분석을 제공한다. 의사 이미지는(pseudo image) 소 신호 모델로 추출되어진 S-파라미터 측정의 형태로 모아져서 전하 제어 맵을 형성한다. 유한 요소 디바이스 시뮬레이션이 여태까지 반도체 디바이스의 내부 전하/전계를 계산하는데 사용되어 왔지만, 이러한 방법은 비교적 부정확한 것으로 알려져 있다. 본 발명에 따라서, S-파라미터 마이크로스코피는 반도체 디바이스 내의 내부 전하와 전계를 결정하는데 비교적 정확한 방법을 제공한다. 내부 전하 및 전계의 정확한 모델링이 주어지면, 반도체 디바이스의 외부 전기적 특성 전부가 디바이스의 고 주파수 성능을 포함하여 비교적 정확하게 모델링될 수 있다. 그리하여, 그 시스템은 제조 분석을 위해 고 주파수 MMIC 수율 분석의 예상 및 설계를 가능하게 하는 디바이스 기술 모델을 만드는데 적합하다.The present invention relates to S-parameter microscopy (SPM), which enables qualitative studies of the magnitude and location and electric field distribution of electric charges in semiconductor device structures. The method uses bias dependent S-parameter measurements in the form of microscopy to provide a qualitative analysis of the internal charge and electric field structure of semiconductor devices that are not known until now. Pseudo images are collected in the form of S-parameter measurements extracted with small signal models to form a charge control map. Finite element device simulations have been used to calculate the internal charge / field of semiconductor devices so far, but this method is known to be relatively inaccurate. In accordance with the present invention, S-parameter microscopy provides a relatively accurate method for determining the internal charge and electric field in a semiconductor device. Given the accurate modeling of the internal charge and the electric field, all of the external electrical characteristics of the semiconductor device can be modeled relatively accurately, including the high frequency performance of the device. Thus, the system is suitable for creating device technology models that enable the prediction and design of high frequency MMIC yield analysis for manufacturing analysis.
S-파라미터 마이크로스코피는 SPM이 정보를 도출하도록 샘플에 반영된 에너지 및 샘플로부터의 에너지의 측정을 사용한다는 점에서 다른 마이크로스코피 기술과 유사하다. 보다 구체적으로, SPM은 투과 및 반사되는 마이크로파와 밀리미터 파의 전자기 파워 즉 S-파라미터에 기초를 두고 있다. 그러한 것으로서, S-파라미터 마이크로스코피는 주사식 및 투과식 전자 마이크로스코피(SEM 및 TEM)의 조합 동작과 유사하다. 산란되는 RF 에너지는 SEM과 TEM에서 전자 빔의 반사율 및 투과율과 유사하다. 그러나, SEM과 TEM에서와 같이 전자 검출기를 사용하는 대신에, 네트워크 분석기 내의 반사계(reflectometer)가 신호를 측정하도록 S-파라미터 마이크로스코피에 사용된다. S-파라미터 마이크로스코피는 두 개 모두가 데이터로서 산란 현상의 측정을 사용하며 보다 우수한 해상도를 위해 측정을 집중(focus)시키기 위한 메커니즘을 포함하며, 그리고 아래 표 1 에 도시된 바와 같이, 세부적으로 구별되는 측정 부분을 대조하는 메커니즘을 포함한다는 점에서 다른 마이크로스코피 기술과 유사하다.S-parameter microscopy is similar to other microscopy techniques in that the SPM uses measurements of the energy reflected from the sample and energy from the sample to derive information. More specifically, the SPM is based on the transmitted and reflected microwave and millimeter wave electromagnetic power, or S-parameters. As such, S-parameter microscopy is similar to the combined operation of scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM). The scattered RF energy is similar to the reflectance and transmittance of the electron beam in SEM and TEM. However, instead of using an electronic detector as in SEM and TEM, a reflectometer in the network analyzer is used in the S-parameter microscopy to measure the signal. S-parameter microscopy both use a measurement of scattering phenomena as data and include a mechanism for focusing the measurement for better resolution, and as detailed in Table 1 below It is similar to other microscopy techniques in that it includes a mechanism for contrasting the measured parts.
결과result : 디바이스의 내부 전하 및 전계 구조의 세부 "이미지": "Image" of the internal charge and electric field structure of the device
S-파라미터 마이크로스코피와 연계하여, 여기에서 논의된 바와 같은 이미지는 실제 이미지와 관련된 것이 아니지만, 디바이스의 내부 동작에 관한 통찰력과 정성적 상세사항을 제공하는데 사용된다. 보다 구체적으로, S-파라미터 마이크로스코피는 마이크로스코피의 전통적인 형태의 경우에서와 같이, 시각적 이미지를 제공하지 않는다. 오히려, S-파라미터 마이크로스코피 이미지는 측정의 비-직관적인 세트에 기초하여 계산되는 맵과 더 유사하다.In conjunction with S-parameter microscopy, the image as discussed herein is not related to the actual image, but is used to provide insight and qualitative details about the internal operation of the device. More specifically, S-parameter microscopy does not provide a visual image, as is the case with traditional forms of microscopy. Rather, the S-parameter microscopy image is more similar to a map calculated based on a non-intuitive set of measurements.
도 5 는 참조 번호 20으로 일반적으로 식별된, 본 발명에 따른 S-파라미터 마이크로스코프의 개념적 표현을 도시한다. S-파라미터 마이크로스코프(20)는 SEM 및 TEM의 원리를 결합하는 마이크로스코프와 유사하다. SEM이 반사율을 측정하며 TEM은 투과율을 측정하는 반면, 2-포트 S-파라미터 마이크로스코프(20)는 반사 파워와 투과 파워를 모두 측정한다. 그 결과, 2-포트 S-파라미터 마이크로스코프로부터 도출되는 데이터는 디바이스의 고유(intrinsic) 및 외인(extrinsic) 전하 구조에 관한 정보를 포함한다. 보다 구체적으로, 이 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, SEM은 반사 전자를 통해 샘플 면의 비교적 상세한 이미지를 제공하는 반면,TEM은 투과 전자를 통해 내부 구조의 이미지를 제공한다. 반사 신호는 샘플의 외부 상세사항을 형성하는데 사용되는 반면, 투과 전자는 디바이스의 내부 구조에 관한 정보를 제공한다. 본 발명의 중요 측면에 따라, S-파라미터 마이크로스코피는 반도체 디바이스의 전하 구조의 유사한 "이미지"를 제공하도록 반사 및 투과 신호를 측정하는 프로세스를 사용한다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 반도체 디바이스의 내부 및 외부 전기적 구조는 도 6 에 도시된 바와 같이, 고유 디바이스 영역(22)과 외인 기생 액세스 영역(24)이라 통상 불리운다. 또한 이 디바이스의 외부 전기적 구조에 기여하는 것은 도시되어 있지 않은 전극과 그 상호접속과 연관된 기생 성분이다. 이들은 소위 "레이아웃 기생" 이다.5 shows a conceptual representation of an S-parameter microscope according to the invention, generally identified by reference numeral 20. The S-parameter microscope 20 is similar to a microscope that combines the principles of SEM and TEM. The SEM measures the reflectance and the TEM measures the transmittance, while the two-port S-parameter microscope 20 measures both the reflected power and the transmitted power. As a result, the data derived from the two-port S-parameter microscope includes information about the intrinsic and extrinsic charge structures of the device. More specifically, as is known in the art, SEM provides a relatively detailed image of the sample plane through reflective electrons, while TEM provides an image of the internal structure through transmitted electrons. Reflected signals are used to form external details of the sample, while transmitted electrons provide information about the internal structure of the device. In accordance with an important aspect of the present invention, S-parameter microscopy uses a process to measure reflected and transmitted signals to provide a similar “image” of the charge structure of a semiconductor device. As used herein, the internal and external electrical structures of the semiconductor device are commonly referred to as intrinsic device regions 22 and exogenous parasitic access regions 24, as shown in FIG. Also contributing to the external electrical structure of the device are the parasitic components associated with the electrodes and their interconnections which are not shown. These are the so-called "layout parasitics".
도 5를 참조하면, 포트(26 및 28)는 S-파라미터 측정으로 에뮬레이팅된다. 일반적으로 참조 번호 30으로 식별된 특정 반도체 디바이스에 대해 S-파라미터 측정은 다른 마이크로스코피 기술에서의 이미지와 유사한 원(32) 내에 도시된 전하 제어 맵을 제공하도록 본 발명에 따라 처리된다. 아래에서 보다 더 자세하게 논의되는 바와 같이, 이들 전하 제어 맵(32)은 등가 회로 모델의 형태로 표현된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 선형 회로 요소는 반도체 디바이스(30) 내의 전하/전계의 상태와 크기 또는 그 소위 내부 전하 구조를 나타내도록 모델에 사용될 수 있다. 모델 토폴로지(model topology) 내의 회로 요소의 위치는 디바이스 구조 내의 물리적 위치와 대략 근사하며, 그리하여 전하 제어 맵은 디바이스의 내부 전기적 구조의 도면을 나타낸다.Referring to Figure 5, ports 26 and 28 are emulated with S-parameter measurements. S-parameter measurements are generally processed in accordance with the present invention to provide a charge control map shown in a circle 32 similar to an image in other microscopy techniques for a particular semiconductor device identified generally by the reference numeral 30. As discussed in more detail below, these charge control maps 32 are represented in the form of equivalent circuit models. As shown in FIG. 7, linear circuit elements may be used in the model to represent the state and magnitude of the charge / field in semiconductor device 30 or its so-called internal charge structure. The location of the circuit elements in the model topology is approximately close to the physical location in the device structure, so that the charge control map shows a diagram of the internal electrical structure of the device.
반도체 디바이스 내에서 측정된 전하/전계의 정확한 위치의 해석은, 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 별개의 선형 요소를 갖는 등가 회로 모델이 전하/전계의 분포 구조를 나타내는데 사용되기 때문에 모호한 것으로 알려져 있다. 비록 측정된 양 사이의 물리적 경계를 구분하는데 정확한 방법이 존재하지 않을 지라도, 바이어스 의존성은 S-파라미터가 어떻게 구분, 분리, 대조되어야 하는지를 명료하게 하는데 사용된다. 특히, 바이어스 조건을 변화시키는 것은 디바이스 내의 전하 및 전계 사이의 크기 및 이동 경계를 변화시키는 것으로 알려져 있다. 그 변화는 정상적으로 예측가능하며 대부분의 기술에서 정성적으로 잘 알려져 있다. 그러한 것으로서, 전하 제어 맵은, 전기 전하 및 전계의 크기, 위치, 및 분리의 물리적 변화의 특성화를 도시하는 맵으로서 용이하게 사용될 수 있다.The interpretation of the exact position of the charge / field measured within the semiconductor device is ambiguous because, for example, an equivalent circuit model with separate linear elements is used to represent the charge / field distribution structure, as shown in FIG. 8. It is known. Although no precise method exists for separating physical boundaries between measured quantities, bias dependencies are used to clarify how S-parameters should be distinguished, separated, and collated. In particular, changing the bias condition is known to change the magnitude and movement boundary between the charge and the electric field in the device. The change is normally predictable and qualitatively well known in most techniques. As such, the charge control map can be readily used as a map showing the characterization of the physical changes in the magnitude, position, and separation of the electric charge and the electric field.
다른 형태의 마이크로스코피와 유사하게, 본 발명에 따른 S-파라미터 마이크로스코프(20)는 참조 번호 40으로 구별된 렌즈를 에뮬레이팅한다(도 5). 렌즈(40)는 측정된 S-파라미터를 또한 정확하게 시뮬레이팅하는 유니크한 등가 회로 모델의 추출을 위한 방법에 의해 시뮬레이팅된다. 보다 구체적으로, S-파라미터를 시뮬레이팅하는 등가 회로 모델에 대한 파라미터 추출 방법은 비교적 잘 알려져 있다. 그러나, 그 유일한 목적이 측정하는 S-파라미터를 정확하게 피팅시키는 것일 때, 무한 개수의 솔루션이 가능한 등가 회로 파라미터 값에 대해 존재한다. 따라서, 본 발명의 중요한 측면에 따라, 디바이스의 물리적 전하 제어 맵을 정확하게 기술하는 단 하나의 유니크 솔루션이 추출된다. 등가 회로 모델 파라미터의 유니크 추출을 위한 본 방법은 전하 제어 맵 솔루션을 집중(focus)시키는 렌즈 역할을 한다. 여기에서 논의되고 예시되는 바와 같이, 렌즈(40)는 분명한 레이아웃 기생 임베딩 모델에 기초를 두고 있는 필터에 의해 이후 시뮬레이팅된다. 아래에 논의하는 바와 같이, 레이아웃 기생 임베딩 모델은 디바이스의 외부 전기 특성에 대해 디바이스의 전극 및 상호접속의 효과를 시뮬레이팅하는 선형 요소로 구성된다. PiFET 임베딩 모델(42)이 아래에 기술된다. 이 모델은 효과적으로 예비 전하 제어 맵 솔루션에 외인 기생 액세스 기여의 전기적 구조를 제거하도록 필터로서 작동한다. 결과적으로 필터링되는 전하 제어 맵 솔루션은 고유 디바이스의 전기적 구조만을 도시하는 보다 더 선명한 "이미지"를 나타낸다. 이 향상된 이미지는 가능한 한 내부 전하/전계의 조망을 정확하게 달성하는데 요구된다. 유니크하지 않은 등가 회로 모델을 추출하기만 하며 유니크한 전하 제어 맵을 추출하지 않는 도 10에 도시된 바와 같은 종래의 추출 기술과는 다르게, 본 발명에 따른 S-파라미터 마이크로스코프(20)는 반도체 디바이스 내의 내부 전하/전계 구조를 비교적 정확하게 모델링할 수 있다.Similar to other forms of microscopy, the S-parameter microscope 20 according to the present invention emulates a lens identified by reference numeral 40 (FIG. 5). Lens 40 is simulated by a method for the extraction of a unique equivalent circuit model that also accurately simulates the measured S-parameters. More specifically, parameter extraction methods for equivalent circuit models simulating S-parameters are relatively well known. However, when its sole purpose is to accurately fit the S-parameters it measures, an infinite number of solutions exist for possible equivalent circuit parameter values. Thus, in accordance with an important aspect of the present invention, only one unique solution is extracted that accurately describes the physical charge control map of the device. The present method for unique extraction of equivalent circuit model parameters serves as a lens to focus the charge control map solution. As discussed and illustrated herein, lens 40 is subsequently simulated by a filter based on a clear layout parasitic embedding model. As discussed below, the layout parasitic embedding model consists of linear elements that simulate the effects of the electrodes and interconnections of the device on the external electrical properties of the device. PiFET embedding model 42 is described below. This model acts as a filter to effectively remove the electrical structure of exogenous parasitic access contributions to the preliminary charge control map solution. The resulting filtered charge control map solution shows a sharper "image" showing only the electrical structure of the native device. This enhanced image is required to achieve the view of the internal charge / field as accurately as possible. Unlike conventional extraction techniques as shown in FIG. 10 which only extracts a non-unique equivalent circuit model and does not extract a unique charge control map, the S-parameter microscope 20 according to the present invention is a semiconductor device. The internal charge / field structure within can be modeled with relative accuracy.
S-파라미터 마이크로스코프의 예시적인 어플리케이션이 아래에 자세하게 도시된다. 이 예에서, 4개의 게이트 핑거와 도 11 에서 일반적으로 도시되어 있으며 참조 번호 43으로 식별된 바와 같이 PiFET 레이아웃으로 형성된 200㎛의 총 게이트 외주(total gate periphery)를 갖는 예시적인 GaAs HEMT 디바이스가 사용된다. GaAS HEMT(43)이 온-웨이퍼 S-파라미터 측정을 용이하게 하기 위해 100㎛ 피치의 공면 테스트 구조에 임베딩되도록 적응된다.Exemplary applications of S-parameter microscopes are shown in detail below. In this example, an exemplary GaAs HEMT device with four gate fingers and a total gate periphery of 200 μm formed in a PiFET layout as shown generally in FIG. 11 and identified by reference numeral 43 is used. . GaAS HEMT 43 is adapted to be embedded in a coplanar test structure with a 100 μm pitch to facilitate on-wafer S-parameter measurements.
처음에는, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 디바이스에 대한 I-V 특성이 측정된다. 특히, 드레인 소스 전류(Ids)는 도 12에 도시된 바와 같이 여러 게이트 전압(Vgs)에서 드레인 대 소스 전압(Vds)의 함수로서 도시된다. 도 13은 다른 드레인 전압(Vds)에서 게이트 전압(Vgs) 및 트랜스컨덕턴스(Gm)(즉, Vgs에 대한 Ids의 도함수)의 함수로서 드레인 대 소스 전류(Ids)를 도시한다. 이들 I-V 특성은, 세 개 단자를 가진 반도체 디바이스 기술의 한 종류인, HEMT 디바이스및 대부분의 반도체 디바이스를 나타낸다.Initially, as shown in FIGS. 12 and 13, the I-V characteristics for the device are measured. In particular, the drain source current Ids is shown as a function of drain to source voltage Vds at various gate voltages Vgs as shown in FIG. 12. FIG. 13 shows drain to source current Ids as a function of gate voltage Vgs and transconductance Gm (ie, derivative of Ids over Vgs) at different drain voltages Vds. These I-V characteristics represent HEMT devices and most semiconductor devices, which are one type of semiconductor device technology with three terminals.
표 2 는 S-파라미터가 측정되었던 바이어스 조건을 도시한다. S-파라미터는 각 바이어스 조건에서 0.05 내지 40 GHz에서 측정되었다. 도 14는 0.05 내지 40.0GHz의 주파수에 대해 측정된 S-파라미터(S11, S12, 및 S22)를 도시하는 스미스 차트(Smith chart)를 도시한다. 도 15는 0.05 내지 40.0 GHz의 주파수에 대해 측정된 S-파라미터(S21)에 대한 각의 함수로서 크기를 그래프로 도시한다.Table 2 shows the bias conditions under which the S-parameters were measured. S-parameters were measured at 0.05-40 GHz under each bias condition. FIG. 14 shows a Smith chart showing S-parameters S11, S12, and S22 measured for frequencies between 0.05 and 40.0 GHz. 15 graphically shows magnitude as a function of angle for S-parameter S21 measured for frequencies of 0.05-40.0 GHz.
도 8에 도시된 소 신호 모델을 사용하여, 추출된 소 신호 등가 회로 값은 아래에서 논의되는 추출 방법을 사용하여, 각 바이어스 조건에서 각 S-파라미터에 대해 표 3에 도시된 바와 같이 얻어진다.Using the small signal model shown in FIG. 8, the extracted small signal equivalent circuit values are obtained as shown in Table 3 for each S-parameter under each bias condition, using the extraction method discussed below.
표 3의 값은 전하 제어 맵에 가까운 솔루션을 나타내며 FET의 전기 구조의 물리적으로 의미있는 솔루션을 나타낸다. 그러나, 표 3 에 나타나 있는 값은, 본 발명의 중요한 측면에 따라, 고유 디바이스 특성에 가장 정확한 전하 제어 맵핑을 얻을 수 있도록 임베딩 기생에 대한 모델을 사용하여 감산된, 외부 레이아웃 기생의 영향을 포함한다. 특히, 추출된 등가 회로 모델 값을 필터링하고 고유 디바이스를 보다 잘 대표하는 값을 얻기 위해 임베딩 모델이 적용된다. 특히, 예시적인 실시예에서, PiFET 임베딩 기생 모델은 상호전극과 오프-메사 레이아웃 기생 영향으로 인한 용량성 기여를 빼는데 사용된다. 이 필터는 수반되는 디바이스 레이아웃에 따라 서로 다른 파라미터(Cgs, Cgd, 및 Cds)로 형성된 알려진 양을 필수적으로 뺀다. 이 예에서, 유도성 파라미터의 임베딩은, 이들 양이 외인성이어서 고유 디바이스의 전하 제어 맵에 기여하지 않기 때문에, 필요하지는 않다.The values in Table 3 represent solutions close to the charge control map and represent physically meaningful solutions of the electrical structure of the FETs. However, the values shown in Table 3 include the effects of external layout parasitics, subtracted using a model for embedding parasitics to obtain the most accurate charge control mapping to intrinsic device characteristics, in accordance with an important aspect of the present invention. . In particular, the embedding model is applied to filter the extracted equivalent circuit model values and to obtain values that better represent the unique device. In particular, in an exemplary embodiment, the PiFET embedding parasitic model is used to subtract capacitive contributions due to the interelectrode and off-mesa layout parasitic effects. This filter essentially subtracts a known amount formed of different parameters (Cgs, Cgd, and Cds) depending on the device layout involved. In this example, embedding of inductive parameters is not necessary because these amounts are exogenous and do not contribute to the charge control map of the inherent device.
위에서 논의된 바와 같이, 필터를 갖는 렌즈는 유니크한 전하 제어 맵을 생성하는데 사용된다. 특히, 도 15 내지 도 18 은 바이어스의 함수로서 파라미터(RS, RD, RI, CGS, 및 CGD)에 대해 바이어스 의존 전하 제어 맵을 도시한다. 보다 구체적으로 도 15 는 바이어스의 함수로서 소스 저항(Rs)에 의해 도시된 온-메사 소스 액세스 영역 내의 전하의 전하 제어 맵 및 전계 분포를 도시한다. 도 16 는 바이어스 함수로서 드레인 저항(Rd)에 의해 도시된 온-메사 드레인 액세스 영역 내의 전하의 전하 제어 맵 및 전계 분포를 도시한다. 도 17 은 서로다른 드레인 바이어스 포인트에 대해 게이트 바이어스의 함수로서 고유 디바이스 충전 저항(Ri)에 의해 도시된 비-준 정적인(non-quasi static) 다수 캐리어 전송에 대한 전하 제어 맵을 도시한다. 도 18 은 바이어스의 함수로서 게이트 커패시턴스(CGS 및 CGD)로 도시된 게이트 아래에서 게이트 변조 전하 및 분포에 대한 전하 제어 맵을 도시한다.As discussed above, a lens with a filter is used to generate a unique charge control map. In particular, FIGS. 15-18 show bias dependent charge control maps for parameters RS, RD, RI, CGS, and CGD as a function of bias. More specifically, FIG. 15 shows the charge control map and electric field distribution of charge in the on-mesa source access region shown by the source resistance Rs as a function of bias. FIG. 16 shows the charge control map and electric field distribution of charge in the on-mesa drain access region shown by drain resistance Rd as a bias function. FIG. 17 shows charge control maps for non-quasi static multi-carrier transfers shown by the intrinsic device charge resistance Ri as a function of gate bias for different drain bias points. 18 shows a charge control map for the gate modulated charge and distribution under the gate shown as gate capacitances CGS and CGD as a function of bias.
필터filter
위에 언급된 바와 같이, S-파라미터 마이크로스코프(20)는 반도체 디바이스의 내부 전하/전계를 모델링하는 보다 더 선명한 전하 제어 맵을 제공하기 위해 필터를 사용한다. 비록 필터가 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이 다수의 게이트 핑거(gate finger)를 갖는 πFET와 연계하여 도시되어 있지만, 본 발명의 원리는 다른 반도체 디바이스에도 적용가능하다.As mentioned above, the S-parameter microscope 20 uses a filter to provide a clearer charge control map that models the internal charge / field of the semiconductor device. Although the filter is shown in conjunction with a? FET with multiple gate fingers as shown in Figs. 20 and 21, the principles of the present invention are applicable to other semiconductor devices.
도 20에 도시된 바와 같이, PiFET 는 도시된 바와 같이, 능동 영역의 에지와 게이트 핑거가 그리스 문자 π와 비슷한 디바이스이다. 이러한 PiFET 레이아웃은 예를 들어, 도 21에 도시된 바와 같이, 다수의 핑거가 붙은 대형 외주 디바이스 셀(multi fingered large periphery device cell)의 구성을 용이하게 한다. 본 발명의 중요한 측면에 따라, 다수의 핑거의 반도체 디바이스는 단일 핑거의 디바이스 셀의 결합으로 모델링된다. 각 단일 핑거의 디바이스 셀은 4개의 모델의 계층으로 나타나며, 이러한 계층은 차례로 도 22에 도시되어 있는 임의의 다수의 핑거가 붙은 디바이스 셀을 나타내도록 상호접속하기 위해 모델을 사용하여 서로 조립된다. 4개의 모델은, 오프메사 또는 경계 기생 모델, 상호전극 기생 모델, 온-메사 기생 모델, 및 고유 모델과 같다.As shown in FIG. 20, the PiFET is a device in which the edge and gate finger of the active region are similar to the Greek letter π, as shown. This PiFET layout facilitates the construction of a multi fingered large periphery device cell, for example, as shown in FIG. According to an important aspect of the present invention, semiconductor devices of multiple fingers are modeled as a combination of device cells of a single finger. The device cells of each single finger are represented by a hierarchy of four models, which are in turn assembled with each other using the model to interconnect to represent any multi-fingered device cells shown in FIG. 22. The four models are the same as the off mesa or boundary parasitic model, the mutual electrode parasitic model, the on-mesa parasitic model, and the eigen model.
오프-메사 기생 모델은 도 23에 도시되어 있다. 이 모델은 각 게이트 핑거에 대해 능동 FET 영역 외부에 존재하는 기생을 나타낸다. 이 모델에서, 오프메사 게이트 핑거 저항 뿐만 아니라 능동 디바이스 영역의 각 게이트 핑거의 프린징 커패시턴스가 모델링된다.The off-mesa parasitic model is shown in FIG. 23. This model represents the parasitics present outside the active FET region for each gate finger. In this model, the fringing capacitance of each gate finger of the active device region as well as off mesa gate finger resistance is modeled.
상호전극 기생 모델과 이에 대응하는 등가 회로는 도 24 내지 도 26에 도시되어 있다. 이 모델은 각 게이트 핑거를 따라 금속 전극 사이에 기생을 나타낸다.다음의 프린징 커패시턴스 기생은, 도 25에 일반적으로 도시된 바와 같이, 게이트 대 소스 에어 브릿지, 드레인 대 소스 에어 브릿지, 게이트 대 소스 옴 저항(ohmic), 게이트 대 드레인 옴 저항, 및 소스 대 드레인 옴 저항에 대해 모델링된다.The mutual electrode parasitic model and its equivalent circuit are shown in FIGS. 24 to 26. This model represents parasitics between metal electrodes along each gate finger. The following fringe capacitance parasitics, as shown generally in FIG. 25, are gate to source air bridge, drain to source air bridge, and gate to source ohms. It is modeled for ohmic, gate to drain ohmic resistance, and source to drain ohmic resistance.
온메사 기생 모델과 이에 대응하는 등가 회로는 도 27 및 도 28에 도시되어 있다. 이 모델은 여러 커패시턴스 프린징 기생과 저항성 기생을 포함하는 각 게이트 핑거를 따라 능동 FET 영역 주변의 그 기생을 나타낸다. 특히, 게이트 대 소스 측 리세스, 게이드-드레인-측 리세스, 게이트 소스 액세스 전하/도핑된 캡, 및 게이트-드레인 액세스 전하/도핑된 캡 커패시턴스 프린징 기생이 모델링된다. 더욱이, 게이트 금속화 및 옴 접촉 저항 기생이 모델링된다.Onmesa parasitic models and their equivalent circuits are shown in FIGS. 27 and 28. This model represents the parasitics around the active FET region along each gate finger, which includes several capacitance fringe parasitics and resistive parasitics. In particular, gate-to-source side recesses, gate-drain-side recesses, gate source access charges / doped caps, and gate-drain access charges / doped cap capacitance fringing parasitics are modeled. Moreover, gate metallization and ohmic contact resistance parasitics are modeled.
고유 모델과 이에 대응하는 등가 회로는 도 29 및 도 30에 도시되어 있다. 고유 모델은 FET 성능을 지배적으로 결정하는 물리적 특성을 나타낸다. 특히, DC 및 전류 전압 응답은, 본 명세서에 인용문헌으로 병합된 예를 들어, 1987년, 8월, 휴즈(Hughes) 등에 의한, "AlGaAs 변조-도핑된 FET에서 비선형 전하 제어(NONLINEAR CHARGE CONTROL IN AlGaAs MODULATION-DOPED FETs)", IEEE 회보, 전자 디바이스 (Vol. ED-34, No. 8)에 기술된 바와 같이, 이 기술 분야에서 일반적으로 알려져 있는 고유 전하의 위치와 크기에 대한 물리적 특성에 기초한 분석 방정식에 의해 결정될 수 있다. 소 신호 모델 성능은, RI, RJ, RDS, RGS, RGD, GM, TAU, CGS, CDS, 및 CGD와 같은 여러가지 조건을 도출하도록 적절한 전하 또는 전류 제어 방정식의 도함수를 취함으로써 모델링된다. 이러한 제어 방정식은 이 기술 분야에서 일반적으로 알려져 있으며 앞서 언급된 휴즈 등의 참조문헌에 상세하게 기술되어 있으며, 이 문헌은 본 명세서에 인용 문헌으로 병합된다. 잡음 성능은, 1974년, 9월, 스타츠(H. Statz) 등에 의한, "갈륨 비소 전계 효과 트랜지스터의 잡음 특성(Noise Characteristics of Gallium Arsenide Field-Effect Transistors)", (IEEE-회보, 전자 디바이스,Vol. ED-21, No. 9), 및 1963년, 3월, 반 데어 칠(A. Van Der Ziel)에 의한, "상당히 높은 주파수에서 전계 효과 트랜지스터의 게이트 잡음(Gate Noise in Field Effect Transistors at Moderately High Frequencies)", (PROC.IEEE, Vol. 51) 의 전류 또는 전압 퍼터베이션 분석에 의해 모델링될 수 있다.The intrinsic model and its equivalent circuit are shown in FIGS. 29 and 30. Inherent models represent the physical characteristics that predominantly determine FET performance. In particular, the DC and current voltage responses are described in " NONLINEAR CHARGE CONTROL IN in AlGaAs modulation-doped FETs, for example, by Hughes et al. AlGaAs MODULATION-DOPED FETs ", IEEE Bulletin, Electronic Devices (Vol. ED-34, No. 8), based on physical properties of the location and magnitude of intrinsic charges generally known in the art. Can be determined by analytical equations. Small signal model performance is modeled by taking the derivative of the appropriate charge or current control equation to derive various conditions such as RI, RJ, RDS, RGS, RGD, GM, TAU, CGS, CDS, and CGD. Such control equations are generally known in the art and are described in detail in the aforementioned Hughes et al., Which are incorporated herein by reference. Noise performance is described in "Noise Characteristics of Gallium Arsenide Field-Effect Transistors," by H. Statz et al., 1974, September . Vol. ED-21, No. 9, and by A. Van Der Ziel, March 1963, "Gate Noise in Field Effect Transistors at significantly higher frequencies. Moderately High Frequencies ”, ( PROC.IEEE , Vol. 51).
위에서 논의된 S-파라미터 마이크로스코피와 함께 사용하기 위한 기생 모델의 예는 도 31a 내지 도 38에 도시되어 있다. 비록 반도체 디바이스의 특정 실시예가 도시되고 설명되어 있지만, 본 발명의 원리는 여러 반도체 디바이스에 적용가능하다. 도 31a를 참조하면, PiFET 가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, PiFET 가 4개의 게이트 핑거를 가지고 있다. 4개의 핑거가 붙은 PiFET가 도 31b 에 모델링되어 있다. 특히, 도 31b는, 예를 들어, 에이지런트 테크놀로지에 의해 제조되는 바와 같이, LIBRA 6.1의, 알려진 CAD 프로그램에 의해 구현되는 바와 같이, 도 31a 에 도시된 PiFET에 대한 등가 회로 모델을 도시한다. 도시된 바와 같이, 등가 회로 모델이 기생 임베딩 모델을 구현하는 것과 연관된 네트워크 연결 또는 등가 회로 요소의 전부를 도시하는 것은 아니라, 오히려 최종 제품을 예시한다. 도 31b는 도 3 과의 유사성을 예증하기 위하여 심볼 도면으로 표시된다. 네트워크와 그 등가 회로 요소의 구성에 관한 실제 기술 정보는 통상적으로 개략적인 도면으로 제공된다.Examples of parasitic models for use with the S-parameter microscopy discussed above are shown in FIGS. 31A-38. Although certain embodiments of semiconductor devices are shown and described, the principles of the present invention are applicable to various semiconductor devices. Referring to FIG. 31A, a PiFET is shown. As shown, the PiFET has four gate fingers. A four-fingered PiFET is modeled in FIG. 31B. In particular, FIG. 31B shows an equivalent circuit model for the PiFET shown in FIG. 31A, as implemented by a known CAD program of LIBRA 6.1, for example as manufactured by Age Technologies. As shown, the equivalent circuit model does not depict all of the network connections or equivalent circuit elements associated with implementing the parasitic embedding model, but rather illustrates the final product. FIG. 31B is shown in a symbolic diagram to illustrate the similarity to FIG. 3. Actual technical information regarding the configuration of the network and its equivalent circuit elements is typically provided in a schematic drawing.
도 32 내지 도 38 은 S-파라미터 마이크로스코피와 함께 사용하기 위한 기생 모델의 어플리케이션을 예증한다. 본 발명의 중요한 양상은 다수의 게이트 핑거가 붙은 디바이스를 단일 게이트 핑거 디바이스로서 모델링하는 것에 관한 것이다. 여기에 사용되는 바와 같이, 단일 단위 디바이스 셀은 단일 게이트 핑거와 연관된 디바이스를 말한다. 예를 들어, 도 31a에 도시된 바와 같이, 4개의 핑거가 붙은 PiFET 는 4개의 단위 디바이스 셀로 모델링된다.32-38 illustrate the application of parasitic models for use with S-parameter microscopy. An important aspect of the present invention relates to modeling a device with multiple gate fingers as a single gate finger device. As used herein, a single unit device cell refers to a device associated with a single gate finger. For example, as shown in FIG. 31A, a four-finger PiFET is modeled as four unit device cells.
초기에, 도 31a 에 도시된 4개의 핑거가 붙은 PiFET 은 도 32 및 도 33에 도시된 바와 같이, 고유 모델(102)을 갖는 단일 핑거 단위 디바이스 셀(100)로서 모델링된다. 특히, PiFET 고유 FET 모델(104)은 제 1 임베딩 레벨을 정의하는 블록(102)과 대체된다. 도 33에 도시된 바와 같이, PiFET 고유 모델에 대한 파라미터 값은 단일 핑거가 붙은 단위 디바이스 셀 고유 모델에 대한 파라미터 값과 서로 더해진다. 고유 디바이스 모델(104)은 위에 논의된 바와 같이, S-파라미터 마이크로스코피에 의해 전개(developed)될 수 있다. 그 다음으로, 도 34에 도시된 바와 같이, 상호접속 레이아웃 기생 요소는 제 2 임베딩 레벨을 정의하는 단일 단위 디바이스 셀을 형성하기 위해 적절한 회로 요소의 값에 모델 항(model term)을 단순히 추가함으로써 등가 모델에 추가된다. 일단 단일 단위 디바이스 셀이 명확히 형성(formulated)되면, 이 디바이스는 다수의 핑거가 붙은 디바이스에 대한 모델을 구성하는데 사용된다. 이 경우에, 4개의 게이트 핑거를 갖는 PiFET 는 도 35에 도시된 바와 같이 4 개의 단일 핑거 디바이스 단위 셀로 모델링된다. 이후에, 오프메사 레이아웃 기생 요소는 도 36에 도시된 바와 같이, 제 3 임베딩 레벨을 정의하는 다수의 핑거가 붙은 레이아웃에 연결된다. 참조번호 108 및 110으로 일반적으로 식별된 이들 오프메사 레이아웃 기생 요소는 등가 회로 구조의 주요 외부 노드에 연결된 새로운 회로 요소로서 구현된다. 이후에, 제 4 임베딩 레벨은 도 40에 일반적으로 도시된 바와 같이 구현된다. 특히, 인덕터 모델은 도 37에 일반적으로 도시된 바와 같이, 금속 브리지 상호접속을 나타내도록 여러가지 단위 디바이스 셀의 각 소스에 연결된다. 마지막으로, 도 39 에 도시된 바와 같이, 피드 전극 모델(114 및 116)이 분산형 요소(즉, 마이크로스트립 라인 및 접합) 뿐만 아니라 집중형 선형 요소(커패시터, 인덕터)로서 모델링되는 제 5 임베딩 레벨이 도 38에 도시된 게이트 피드 및 드레인 접속을 형성하도록 구현된다. 도시된 바와 같이, 분산형 요소는 LIBRA 6.1에 구현된 바와 같이, 마이크로스트립 요소에 대한 분산형 모델이다.Initially, the four fingered PiFETs shown in FIG. 31A are modeled as a single finger unit device cell 100 with a unique model 102, as shown in FIGS. 32 and 33. In particular, the PiFET native FET model 104 is replaced with block 102 defining the first embedding level. As shown in FIG. 33, the parameter values for the PiFET eigen model are added together with the parameter values for the unit device cell eigen model with a single finger. The unique device model 104 may be developed by S-parameter microscopy, as discussed above. Next, as shown in FIG. 34, the interconnect layout parasitic element is equivalent by simply adding a model term to the value of the appropriate circuit element to form a single unit device cell defining the second embedding level. Is added to the model. Once a single unit device cell has been formulated, the device is used to construct a model for multiple fingered devices. In this case, a PiFET with four gate fingers is modeled as four single finger device unit cells as shown in FIG. The off mesa layout parasitic element is then connected to a plurality of fingered layouts that define the third embedding level, as shown in FIG. 36. These off-mesa layout parasitic elements, generally identified 108 and 110, are implemented as new circuit elements connected to major external nodes of the equivalent circuit structure. Thereafter, the fourth embedding level is implemented as generally shown in FIG. 40. In particular, the inductor model is connected to each source of the various unit device cells to represent a metal bridge interconnect, as generally shown in FIG. 37. Finally, as shown in FIG. 39, the fifth embedding level in which the feed electrode models 114 and 116 are modeled as distributed linear elements (ie microstrip lines and junctions) as well as lumped linear elements (capacitors, inductors). This is implemented to form the gate feed and drain connections shown in FIG. As shown, the distributed element is a distributed model for microstrip elements, as implemented in LIBRA 6.1.
FET 등가 회로 모델의 유니크한 결정을 위한 추출 방법Extraction Method for Unique Determination of FET Equivalent Circuit Model
위에 논의된 바와 같이 FET 등가 회로 파라미터를 결정하는 방법이 도 39 내지 도 44에 도시되어 있다. 본 방법은 도 8에 도시된 소스 공통 FET 등가 회로 모델과 같은 등가 회로 모델에 기초하고 있다. 도 39a 를 참조하면, 모델은 단계(122)에서 초기에 생성된다. 도 8에 도시된 모델은 FET에 대한 소 신호 모델로서 사용된다. 이 알고리즘의 중요한 측면에 따라, 등가 회로 파라미터는 측정된 FET S-파라미터에 기초한다. 반도체 디바이스의 S-파라미터의 측정은 이 기술분야에서 잘 알려져 있다. 도 42a 는 0.05 내지 40.05 GHz 사이의 주파수에 대해 예시적으로 측정된 S-파라미터(S11, S12, 및 S22)를 도시하는 스미스 차트이다. 도 42b는 0.05 내지 40.0 GHz의 주파수로부터 측정된 S-파라미터(S21)에 대한 크기 각의 차트(magnitude angle chart)를 나타낸다. 단계(124)에 개시된 바와 같이(도 39a), S-파라미터가 측정된 후, 측정이 단계(126)에 적합한지 여부를 확증한다. 이것은 편차(anomalies)에 대한 테스트 결과를 수동적으로 검사함으로써 또는 테스트 세트를 검증하는 알고리즘 중 어느하나에 의하여 수행된다. 만약 측정이 적합하다면, S-파라미터 측정이 단계(128)에서 저장된다.As discussed above, a method of determining FET equivalent circuit parameters is shown in FIGS. 39-44. The method is based on an equivalent circuit model, such as the source common FET equivalent circuit model shown in FIG. Referring to FIG. 39A, a model is initially generated at step 122. The model shown in FIG. 8 is used as a small signal model for the FET. According to an important aspect of this algorithm, the equivalent circuit parameters are based on the measured FET S-parameters. Measurement of S-parameters of semiconductor devices is well known in the art. 42A is a Smith chart showing S-parameters S11, S12, and S22 measured by example for frequencies between 0.05 and 40.05 GHz. FIG. 42B shows a magnitude angle chart for S-parameter S21 measured from a frequency of 0.05-40.0 GHz. As disclosed in step 124 (FIG. 39A), after the S-parameter is measured, it is confirmed whether the measurement is suitable for step 126. This is done by manually checking the test results for anomalies or by either algorithm that verifies the test set. If the measurement is suitable, the S-parameter measurement is stored at step 128.
예를 들어, 표 4 에 도시된 바와 같이, 시험적인 시작 피드백 임피던스 포인트 값의 공간이 선택된다. 이때, 미나시안 알고리즘(Minasian algorithm)으로 알려져 있는 직접적인 모델 유인 알고리즘(direct model attraction algorithm)은 시작 피드백 임피던스의 각 값에 대해 등가 회로 모델 파라미터에 대한 예비 값을 생성하는데 사용된다. 이러한 추출 알고리즘은 예를 들어, 1980년, 7월, 베로스(M. Berroth) 등에 의한, "FET 소 등가 소 신호 회로의 광대역 결정(Broadband Determination of the FET Small Equivalent Small Signal Circuit)", (IEEE-MTT, Vol. 38, No. 7)에서 개시된 바와 같이, 이 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 모델 파라미터 값은 표 4에 도시된 시작 임피던스 포인트 값의 각각에 대해 결정된다. 특히, 도 39a를 참조하면, 표 4의 각 임피던스 포인트는 에러 메트릭(error metric)을 전개하기 위하여 임피던스 포인트 각각에 대한 모델 파라미터 값을 전개하도록 블록(130, 132 등)에 의해 처리되며, 이 에러 메트릭은 차례로 아래에서 논의되는 바와 같이, 유니크한 소 신호 디바이스 모델을 전개하는데 사용된다. 각 블록(130, 132)에서의 프로세싱은 유사하다. 그리하여, 단일 블록(130)만이 표 4에도시된 예시적인 임피던스 포인트에 대해 논의된다. 이 예에서, 1.7Ω의 소스 저항(Rs)과 0.0045 pH의 소스 인덕턴스(Ls)와 상관하는 임피던스 포인트(17)가 사용된다.For example, as shown in Table 4, the space of the experimental starting feedback impedance point value is selected. At this point, a direct model attraction algorithm, known as the Minasian algorithm, is used to generate a preliminary value for the equivalent circuit model parameter for each value of the starting feedback impedance. This extraction algorithm, e.g., 1980, July, Kerberos (M. Berroth), "FET small crystal of broadband small-signal equivalent circuit (Broadband Determination of the FET Small Small Signal Equivalent Circuit)" due to, (IEEE- As disclosed in MTT , Vol. 38, No. 7), it is well known in the art. Model parameter values are determined for each of the starting impedance point values shown in Table 4. In particular, referring to FIG. 39A, each impedance point in Table 4 is processed by blocks 130, 132, etc. to develop model parameter values for each impedance point in order to develop an error metric. The metrics are in turn used to develop a unique small signal device model, as discussed below. The processing at each block 130, 132 is similar. Thus, only a single block 130 is discussed for the example impedance points shown in Table 4. In this example, an impedance point 17 is used that correlates the source resistance Rs of 1.7 Ω and the source inductance Ls of 0.0045 pH.
선택된 값 Rs=1.7Ω에 대하여, 초기 고유 등가 회로 파라미터와 초기 기생 등가 회로 파라미터는 예를 들어, 앞서 언급된 미나시안 알고리즘에 의해 결정되며, 단계(134 및 136)에 개시된 바와 같이, 표 5 및 표 6에 도시되어 있다.단계(138)에서, 시뮬레이팅된 회로 파라미터는 예를 들어, 도 43a 및 43b에 도시된 바와 같이, 측정된 S-파라미터와 비교된다. 프로세싱 블록(130 및 132 등)의 각각은 6개의 완성 사이클을 통과한다. 그러한 것으로서, 시스템은 6개의 사이클이 완성되었는지 여부를 단계(140)에서 결정한다.For the selected value Rs = 1.7 Ω, the initial intrinsic equivalent circuit parameters and the initial parasitic equivalent circuit parameters are determined, for example, by the Minasian algorithm mentioned above, as disclosed in steps 134 and 136, as shown in Table 5 and It is shown in Table 6. In step 138, the simulated circuit parameters are compared with the measured S-parameters, as shown, for example, in FIGS. 43A and 43B. Each of the processing blocks 130, 132, etc., passes through six completion cycles. As such, the system determines in step 140 whether six cycles have been completed.
프로세싱 블록(130)의 각 사이클은, 일정 수의 최적화 반복, 예를 들어, 60번의 최적화 반복으로 최적화에 의해 후속되는 직접 추출로 구성된다. 최적화 반복의 수에 따라 추출 최적화 사이클의 수를 고정시킴으로써, 모델 솔루션이 도출되어야 하는, 고정된 "거리" 또는 계산 시간이 한정된다. 이와 같이, 알고리즘은 고정된 계산 시간에 걸쳐 최저의 피팅 에러를 달성하여, "레이스(race)" 기준이 구현되게 함으로써, 각 시험적인 모델 솔루션이 서로에 대하여 경쟁하는 환경을 구성함으로써 전체 에러 메트릭의 수렴 속도 요건을 구현하는데, 여기서, "수렴 속도"는 각 프로세싱 블록(130, 132, 등)에 대해 암시적으로 계산된다.Each cycle of processing block 130 consists of a direct extraction followed by optimization with a certain number of optimization iterations, eg, 60 optimization iterations. By fixing the number of extraction optimization cycles according to the number of optimization iterations, the fixed "distance" or calculation time, from which the model solution should be derived, is defined. As such, the algorithm achieves the lowest fitting error over a fixed computational time so that the "race" criterion is implemented, thereby constructing an environment in which each experimental model solution competes with each other to determine the overall error metric. Implement the convergence rate requirement, where the "convergence rate" is implicitly calculated for each processing block 130, 132, and so on.
단계(140)에서 레이싱(racing)이 완료되었는지 여부를 시스템이 결정한 후, 그 시스템은 블록(142)으로 진행하고 모델 파라미터를 최적화한다. 여러 상업 소프트웨어 프로그램도 이용가능하다. 예를 들어, HP-eesof에 의해 제조되는 바와 같은, 상업적으로 이용가능한, LIBRA 3.5 소프트웨어도 함수를 최적화하는데 뿐만 아니라 회로 시뮬레이션을 위해 모두 사용될 수 있다. 피드백 저항(Rs)을 고정된 값으로 고정시키는 것 외에도 표 7에 개시되어 있는 제한조건에 따라 최적화가 수행된다.After the system determines whether racing has completed in step 140, the system proceeds to block 142 and optimizes the model parameters. Several commercial software programs are also available. Commercially available LIBRA 3.5 software, such as, for example, manufactured by HP-eesof, can be used both for circuit simulation as well as for optimizing functions. In addition to fixing the feedback resistor Rs to a fixed value, optimization is performed in accordance with the constraints described in Table 7.
Rs에 대한 값을 고정시킴으로써, 알고리즘의 이 세그먼트는 시험 모델 솔루션이 시작되는 시험적인 피드백 임피던스 포인트에 대해서만 시험적인 모델 솔루션을 생성하는 것으로 한정되었다. 표 8은 LIBRA 3.5와 같은, 상업적으로 이용가능한 소프트웨어를 사용하여 최적화된 고유 등가 파라미터 값을 도시한다. 표 9에 예시된, 최적화된 기생 값과 함께 이들 값은 제 1 추출-최적화 사이클(즉, 6개 중에 하나)에 대한 제 1 최적화된 모델 솔루션을 형성한다. 최적화된 모델 파라미터는 이후 함수 블록(134 및 136)(도 39a)으로 피드백되며, 새로운 초기 모델 솔루션에 사용된다. 이들 값은 도 43a 및 43b에 도시되어 있는 바와 같은 측정된 S-파라미터 값과 비교된다. 그 시스템은 위에 언급된 바와 같은 유사한 방식으로 6개의 사이클 동안 이 사이클을 반복한다. 6개의 추출-최적화 사이클 후에, 시험 임피던스 포인트(17)에 대한 최종 시험 모델 솔루션이 새로운 에러 메트릭(144)을 형성하도록 측정된 데이터에 대한 최종 피팅 에러와 함께 완성된다. 중요 측면에 따라, 추출-최적화 알고리즘은 각 포인트에 대한 최종 최적화 피팅 에러가 측정된 에러 대 모델 피팅 에러 및 수렴 속도에 관한 정보를 가지게 한다. 이 알고리즘은 여러 시험 모델 솔루션 사이의 경쟁적 레이스를 구성하는 고정되어 있는 최적화 시간의 구속조건(fixed optimization time constraint)에 의해 그렇게 한다.By fixing the value for Rs, this segment of the algorithm was limited to creating a test model solution only for the test feedback impedance point at which the test model solution begins. Table 8 shows the intrinsic equivalent parameter values optimized using commercially available software, such as LIBRA 3.5. These values along with the optimized parasitic values, illustrated in Table 9, form the first optimized model solution for the first extraction-optimization cycle (ie, one of six). The optimized model parameters are then fed back to function blocks 134 and 136 (FIG. 39A) and used for the new initial model solution. These values are compared with the measured S-parameter values as shown in FIGS. 43A and 43B. The system repeats this cycle for six cycles in a similar manner as mentioned above. After six extraction-optimization cycles, the final test model solution for the test impedance point 17 is completed with the final fitting error for the measured data to form a new error metric 144. According to an important aspect, the extraction-optimization algorithm allows the final optimization fitting error for each point to have information about the measured error versus model fitting error and convergence rate. This algorithm does so by a fixed optimization time constraint that constitutes a competitive race between several test model solutions.
추출 최적화 사이클의 구현은, 가장 우수하며 가장 빠른 해결 솔루션이 도 40 및 도 41에서 일반적으로 도시되어 있는 바와 같이 시험 임피던스 포인트 모두의 단계(146)에서 최종 피팅 에러에 대한 전체 최소값으로 나타나게 한다. 보다 구체적으로, 도 40을 참조하면, 새로운 에러 메트릭을 사용하는 전체 최소값 솔루션은 Rs=1.7Ω 주변에서 발견된다. 표 10 및 표 11은, 단계(148)(도 39b)에서 개시되어 있는 바와 같이, 고유 및 기생 파라미터를 포함하여, 이러한 전체 솔루션에 대한 최종 모델 등가 회로 파라미터를 리스트 한다.The implementation of the extraction optimization cycle allows the best and fastest solution to be represented by the overall minimum value for the final fitting error at step 146 of both test impedance points as generally shown in FIGS. 40 and 41. More specifically, referring to FIG. 40, the overall minimum solution using the new error metric is found around Rs = 1.7Ω. Tables 10 and 11 list the final model equivalent circuit parameters for this overall solution, including the eigen and parasitic parameters, as disclosed in step 148 (FIG. 39B).
이 솔루션의 정확도를 테스트하기 위하여, 솔루션에 대한 최종 모델은 도 44a 및 44b에 도시된 바와 같은 측정된 S-파라미터 값과 비교된다. 도시된 바와 같이, 시뮬레이팅된 모델 값과 측정된 S-파라미터 값 사이의 양호한 상관 관계가 있으며, 그리하여 시뮬레이팅된 모델 값이 비교적 정확하며 유니크한 소 신호 디바이스 모델을 나타낸다는 것을 검증해준다.To test the accuracy of this solution, the final model for the solution is compared with the measured S-parameter values as shown in FIGS. 44A and 44B. As shown, there is a good correlation between the simulated model values and the measured S-parameter values, thus verifying that the simulated model values are relatively accurate and represent a unique small signal device model.
명백하게, 본 발명의 많은 변형과 변경이 위 설명으로부터 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위의 범주 내에서, 본 발명은 위에서 구체적으로 기술된 바와는 다르게 실행될 수도 있다.Obviously, many modifications and variations of the present invention will be possible from the above description. Accordingly, within the scope of the appended claims, the invention may be practiced otherwise than as specifically described above.
특허문헌에 의해 포함되고자 하여 청구하는 바는 아래 청구범위와 같다.Claims to be made by the patent literature are as follows.
전술한 바와 같이, 본 발명은 반도체 디바이스 기술을 모델링하는 방법에 사용가능하고, 더욱 상세하게는 고 전자 이동성 트랜지스터가 하나의 유형인 전계 효과 트랜지스터 같은 반도체 디바이스를 모델링하는 방법에 사용가능하다.As mentioned above, the present invention is applicable to a method of modeling semiconductor device technology, and more particularly, to a method of modeling a semiconductor device, such as a field effect transistor, in which a high electron mobility transistor is one type.
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