吳鈺鑫，劉 軍，汪國(guó)芳，羅 琳

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

0 引 言

二十世紀(jì)末起，隨著衛(wèi)星系統(tǒng)、深空、高能物理、量子計(jì)算、超導(dǎo)、天文探測(cè)等眾多領(lǐng)域的快速發(fā)展，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，COMS)在極低溫下的運(yùn)用需求不斷增加。為了滿足電路在極低溫下復(fù)雜多樣的應(yīng)用需求，業(yè)界對(duì)各類器件如異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(Heterojunction Bipolar Transistor，HBT)、高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)、鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Fin Field-Effect Transistor，F(xiàn)inFET)在極低溫下的特性研究越來(lái)越多[1-2]。低溫環(huán)境下，器件的性能變化較大，得到這些性能參數(shù)必須進(jìn)行多次流片，浪費(fèi)大量的時(shí)間和成本，所以，建立精準(zhǔn)的低溫器件模型極其必要。建立精準(zhǔn)的低溫FinFET器件模型必須先了解低溫下FinFET的直流(Direct Current，DC)和射頻(Radio Frequency，RF)特性。目前關(guān)于FinFET在低溫下的電學(xué)特性的研究，主要集中在面向數(shù)字和模擬應(yīng)用的DC特性方面，對(duì)于RF特性的研究比較少[3-4]。所以，本文研究N溝道FinFETs和P溝道FinFETs在溫度范圍77 K至300 K內(nèi)DC特性參數(shù)溫度依賴性和RF特性參數(shù)的溫度依賴性，分析其基本電參數(shù)關(guān)于溫度的變化規(guī)律，為建立低溫器件模型提供參考。

1 低溫測(cè)試

為得到器件準(zhǔn)確的低溫特性，在5組不同環(huán)境溫度(77 K，120 K，200 K，250 K，300 K)下對(duì)待測(cè)試器件進(jìn)行在片測(cè)試。

本文所使用的待測(cè)器件是采用16 nm Bulk FinFET工藝制造的4種尺寸N溝道 FinFETs和P溝道 FinFETs，具體器件參數(shù)信息如表1所示。測(cè)試儀器主要包括Keysight IC-CAP建模軟件、型號(hào)為Agilent 4156C的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀、型號(hào)為ST-500-2的Janis低溫真空探測(cè)針臺(tái)及配套的低溫探針、型號(hào)為Agilent N5247A的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及還有用來(lái)存儲(chǔ)液氮的杜瓦瓶。測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。

測(cè)試器件時(shí)，首先測(cè)量DC參數(shù)，然后測(cè)量S參數(shù)及對(duì)應(yīng)的open，short結(jié)構(gòu)，測(cè)試完成后進(jìn)行open-short的去嵌以得到去除寄生參數(shù)影響的數(shù)據(jù)。

圖1 低溫測(cè)試臺(tái)

表1 4種待測(cè)器件參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)將低溫下測(cè)得的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，得到器件性能參數(shù)如閾值電壓，亞閾值斜率等，再將這些低溫下器件的性能參數(shù)值和常溫(300 K)時(shí)的性能參數(shù)進(jìn)行比較，本文將從DC和RF兩方面進(jìn)行分析。

2.1 DC參數(shù)

通過(guò)圖2(a)的線性坐標(biāo)曲線可以觀察到：零溫度系數(shù)(Zero Temperature Coefficient，ZTC)點(diǎn)，隨著溫度的升高閾值電壓降低導(dǎo)致漏極電流增加，而當(dāng)溫度升高的時(shí)候因?yàn)槁曌由⑸湓鰪?qiáng)引起遷移率降低，漏極電流降低，遷移率和閾值電壓隨溫度變化的共同作用正好在這個(gè)點(diǎn)抵消了漏極電流受溫度的影響，所以呈現(xiàn)ZTC點(diǎn)。還可以觀察到：在低溫下，P溝道FinFET的ZTC點(diǎn)高于N溝道FinFET的ZTC點(diǎn)。ZTC點(diǎn)對(duì)電路設(shè)計(jì)很重要，因?yàn)樗灰暈榈蜔崞谱兓睦硐肫命c(diǎn)[6]。4種器件ZTC值及其它重要參數(shù)如表2所示。

圖2 器件A的轉(zhuǎn)移特性曲線

表2 4種器件不同溫度下的重要參數(shù)

表2列出并比較了77 K和300 K時(shí)的DC特性參數(shù)(均未進(jìn)行歸一化處理)。會(huì)影響模擬和RF電路性能的參數(shù)都有所改善。隨著溫度降低，最大gm的增加將導(dǎo)致在相同功率預(yù)算下帶寬更寬，亞閾值斜率減小和歸一化Ioff的降低對(duì)開(kāi)關(guān)電路有利，從而導(dǎo)致亞閾值區(qū)速度的提高和較低的靜態(tài)功耗。

當(dāng)VGS=VDS=0.75 V時(shí)，器件A的輸出特性曲線如圖3(a)所示。圖3(b)和(c)顯示了線性和飽和區(qū)域中導(dǎo)通電流的溫度依賴性。值得注意的是，對(duì)于所有器件，線性溫度范圍內(nèi)的導(dǎo)通電流都是隨著溫度的降低而增加，但是飽和區(qū)域內(nèi)的P溝道FinFET卻顯示出相反的變化。這種現(xiàn)象被稱為熱效應(yīng)反轉(zhuǎn)[7-8]。

圖3(d)顯示了VGS=0 V和VDS=0.75 V時(shí)關(guān)斷電流的溫度依賴性。為了進(jìn)行定量比較，將關(guān)斷電流以NFin和NGF歸一化。據(jù)觀察，對(duì)于多指結(jié)構(gòu)，截止電流成倍增加，這可能與亞閾值擺幅波動(dòng)有關(guān)，因?yàn)閷?duì)于RF器件來(lái)說(shuō)更多的柵指數(shù)，相對(duì)應(yīng)的總寬度就會(huì)增加，對(duì)應(yīng)的電流就會(huì)增大。在圖2線性區(qū)和飽和區(qū)的對(duì)數(shù)坐標(biāo)中也能明顯的看出亞閾值斜率越陡則截止電流就會(huì)越小。陡峭的亞閾值斜率允許在相同的關(guān)斷電流下具有較低的Vth，進(jìn)而允許在較低的電源電壓下使用這些器件，從而吸引低功率應(yīng)用設(shè)計(jì)者對(duì)其的關(guān)注?？梢钥闯觯瑢?duì)于亞閾值斜率接近理想值的器件C，其泄漏電流較小。

圖4 不同溫度下的FinFET器件重要參數(shù)

2.2 RF參數(shù)

圖5表示了在器件A，B，C和D的最佳漏極電流下，最大電流增益截止頻率(fT)與溫度的關(guān)系。fT是從MAG(H21)提取的，斜率為-20 dB/DEC[10]。為了進(jìn)行定量比較，將相應(yīng)的電流通過(guò)NFin和NGF歸一化?？梢钥闯?，隨著N溝道FinFET中溫度的升高，fT的峰值下降了約20%，而隨著環(huán)境溫度的升高，fT的峰值上升了約25%。P溝道FinFET中fT的相反趨勢(shì)是由電流的熱效應(yīng)反轉(zhuǎn)引起的，這也將導(dǎo)致fT中具有零溫度系數(shù)的唯一點(diǎn)。

圖5 最佳電流時(shí)，fT關(guān)于溫度的變化曲線

圖6 fmax關(guān)于溫度的變化曲線

如圖6所示為提取的最大振蕩頻率(fmax)隨著溫度變化的情況，當(dāng)溫度從室溫降低到77 K，fmax增大約20%。在所有的測(cè)試器件中fmax都隨溫度變化而呈現(xiàn)線性變化。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究77～300 K的溫度范圍內(nèi)，體硅N溝道和P溝道FinFET的DC和RF特性與溫度的關(guān)系。相對(duì)于室溫在低溫條件下，閾值電壓、亞閾值斜率、開(kāi)/關(guān)電流比和fT/fmax等器件特性有一定的改善，說(shuō)明FinFET可應(yīng)用于低溫集成電路設(shè)計(jì)。但是，由于測(cè)試器件的數(shù)量不夠多，不足以建立低溫器件模型庫(kù)，下一步將充實(shí)低溫FinFET器件的測(cè)試數(shù)據(jù)，建立真正適用于低溫電路設(shè)計(jì)的低溫器件模型庫(kù)。