Программное обеспечение для автоматизации измерений, деэмбеддинга и построения линейных моделей СВЧ полевых транзисторов

УДК 681.5.08

И.М. Добуш, А.В. Степачева, А.А. Коколов, А.С. Сальников, Л.И. Бабак

Программное обеспечение для автоматизации измерений, деэмбеддинга и построения линейных моделей СВЧ полевых транзисторов

Разработаны программные модули для автоматизации зондовых измерений вольт-амперных характеристик (ВАХ), параметров рассеяния, исключения паразитных влияний контактных площадок (деэмбеддинга) и построения малосигнальных моделей MESFET- и HEMT-транзисторов. Программы включены в состав системы INDESYS-MS, интегрированной с зондовой измерительной установкой.

Ключевые слова: автоматизация, зондовые СВЧ-измерения, деэмбеддинг, построение моделей, HEMT-транзистор, монолитная интегральная схема.

Ключевым этапом создания СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) являются зондовые измерения параметров активных и пассивных элементов на полупроводниковой пластине. При этом измерения позволяют не только проверить, удовлетворяют ли изготовленные компоненты и устройства поставленным требованиям, но также построить и верифицировать математические модели элементов МИС.

В частности, для построения нелинейных моделей СВЧ-транзисторов [1, 2] требуется выполнить измерения параметров рассеяния и произвести экстракцию малосигнальной эквивалентной схемы (ЭС) в различных рабочих точках. Проведение подобных измерений на зондовых станциях, оснащенных типовым программным обеспечением (ПО), является трудоемким и требует больших временных затрат.

При измерениях на подложке тестовая структура, помимо измеряемого компонента (например, транзистора), содержит такие элементы, как контактные площадки и подводящие линии, которые оказывают паразитное влияние на характеристики измеряемого устройства в СВЧ-диапазоне. Для исключения (деэмбеддинга) указанного влияния применяются специальные алгоритмы и программы.

В настоящей работе представлены программные модули, выполняющие все перечисленные операции, связанные с автоматизацией измерений, обработкой полученных данных и построением малосигнальных моделей СВЧ полевых транзисторов.

Программы входят в состав системы INDESYS-MS (Intelligent Design System - Measurement Suite) [3] и используются совместно со стендом на базе зондовой станции, обеспечивающим измерения параметров рассеяния СВЧ МИС в частотном диапазоне до 40 ГГц, а также вольт-амперных характеристик транзисторов. Стенд включает зондовую станцию Cascade Microtech серии Summit 11K, векторный анализатор цепей (ВАЦ) Rohde & Shwartz ZVA 40, двухканальный источник питания (ИП) Agilent E3646A и персональный компьютер (ПК).

Расширяемая программная система INDESYS-MS, реализованная на базе среды INDESYS [4], предназначена для автоматизации измерений (в том числе зондовых) СВЧ-устройств и приборов. В частности, она осуществляет автоматический поиск и идентификацию измерительных приборов, управление процессом измерений, обработку, отображение, хранение и статистический анализ результатов измерений, поддержку скриптов для реализации алгоритмов различной степени сложно -сти по управлению приборами и обработке данных непосредственно на участке измерений.

Программный модуль для автоматизации измерений. Упрощенная структурная схема установки для зондовых измерений вольт-амперных характеристик (ВАХ) и параметров рассеяния СВЧ-транзисторов на базе стенда приведена на рис. 1.

После установки режима (диапазон частот, количество точек, полоса измерительного фильтра, мощность сигнала), калибровки ВАЦ и установки СВЧ-зондов на исследуемый транзистор на персональном компьютере запускается программная среда INDESYS-MS для подключения измерительных приборов (ВАЦ и ИП) и диалог модуля автоматизации измерений Measurement. Процесс измерений включает два основных режима: «предустановка» и «измерение».

1. Режим «предустановка», когда оператор задает настройки измерений - наименование производителя и тип исследуемого транзистора, диапазон и шаг изменения значений напряжений (затвор-исток и сток-исток), ограничение по току для каждого канала ИП и тип характеристики в соответствующем диалоге программы (рис. 2).

2. Режим «измерение», который проходит в автоматическом режиме и завершается сохранением результатов в стандартные файлы (*.іу^ *^2р, *.т<ИТ) или в базу данных [5].

Управление измерением ПК (программные средства):

- управление приборами;

- сбор данных;

- обработка данных;

- сохранение результатов.

ма втулки

Векторный питания Источник

анализатор цепей питания

Порт 1

Порт 2

Кабель СВЧ

Кабель СВЧ

Зонд 1

Зондовая станция

Зонд 2

Исследуемое

устройство

Рис. 1. Структурная схема установки для измерения ВАХ и параметров рассеяния СВЧ-транзисторов

Рис. 2. Диалоговое окно программного модуля Measurement

Программный модуль деэмбеддинга. Произвести исключение паразитных влияний контактных площадок позволяет дальнейшая обработка измеренных параметров рассеяния с использованием программы Deembedding. В ней реализовано четыре метода деэмбеддинга, которые охватывают частотный диапазон до 50 ГГц: «Open», «Open-Short», «Pad-Open-Short» и «L-2L». В диалоговом режиме (рис. 3) оператор выбирает метод деэмбеддинга и загружает измеренные параметры рассеяния транзистора в различных рабочих точках.

Рис. 3. Диалоговое окно программного модуля Deembedding

Далее необходимо измерить или загрузить параметры рассеяния тестовых структур (стандартов), количество и тип которых зависят от выбранного метода деэмбеддинга. Полученные результаты сохраняются в формате *.s2p.

Программный модуль для построения линейных моделей СВЧ полевых транзисторов. Программа Extraction (рис. 4) позволяет построить малосигнальную модель MESFET- или HEMT-транзистора по измеренным параметрам рассеяния в различных рабочих точках. В ней используются три метода экстракции параметров ЭС транзистора, применяемых в диапазоне частот до 60 ГГц: Jeon, Dambrine и оригинальный метод «LICS» [2].

Н Extraction

Choose type extraction |llCS v|

Extrinsic parameters Small signal model of HEMT transistor

Choose s2p in cold mode with Vgs sightly below Vpreh-off

|de_Q_T4x40um2_0V_QmA_-lV5.s2p Pl|Me«we ]|

Intrinsic parameter*

Choose s2p in coW mode with Vgs > 0

|de_Q_T4x4Qum2_0V_3mA_l V_9mA. s2p____________________________[^[Measure |

Choose s2p in "cokT mode with Vgs-Vpinch-off

••• Measure

Rg, [Ohm] 1.1193 Rd,[Ohm] 3.554 Rs, [Ohm] 1.5592

Lg, [nH] 0.010759 Ld, [nH] 0.030947 Ls, [nH] 0.0051944

Cpg,[pF] 0 Cpd, [pF] 0

Intrinsic parameters

I Loads2p...

Load Fies RJ, [Ohm] Cgd, [pF] Cgs, [pF] gm, [mS] t, [ps] Rds, [Ohm] Cds, [pF] ±

de_0_T4x40um2_2V5_l 5mA_-0V5... 5.497474... 0.025179... 0.172082... 47.1709... 1.477... 470.60753... 0.023966...

de_0_T4x40um2_l V5_6mA_-0V7.... 7.037596... 0.035755... 0.108311... 29.0711... 1.115.., 540.08894... 0.024464...

de_0_T4x40um2_l V5_9mA_-0V6.... 5.867203... 0.033929... 0.124659... 39.6505... 1.048... 398.50191... 0.025137...

de_0_T4x40um2_lV5_l 3mA_-0V5... 5.005122... 0.031719... 0.139096.., 48.1468... 1.006... 335.26476... 0.025481...

de_0_T4x40um2_l V5_18mA_*0V4... 4.838478... 0.029347... 0.149311... 52.5461... 1.019... 314.85242... 0.025270...

de_0_T4x40um2_l V5_23mA_-0V3... 4.587447... 0.027206... 0.154921... 53.2707... 1.046... 316.50998... 0.025099...

de_0_T4 x40um2_ 1 V5_28mA_-0V2... 4.501211... 0.025766... 0.156296... 51.5661... 1.045... 321.89038... 0.025222...

de_0_T 4 x4 0um2_2V5_7mA_-0V7.... 7.831148... 0.029177... 0.135250... 31.4778... 1.546... 653.09279... 0.023635...

[All Extraction I [save Files... | [Export Files... | Count of iterations |l ] [ Optmze |

П Output error tables

Help I I Close

Рис. 4. Диалоговое окно программного модуля Extraction

Входными данными являются параметры рассеяния транзистора, измеренные в холодных режимах (их количество зависит от выбранного алгоритма экстракции), и в нескольких рабочих точках. В результате работы программы определяется малосигнальная модель транзистора в виде ЭС с рассчитанными внешними и внутренними параметрами, при этом последние могут дополнительно оптимизироваться.

Оператор может сохранить полученные параметры моделей транзистора в текстовый файл либо экспортировать ЭС в пакет Microwave Office. Кроме того, пользователь имеет возможность сравнить параметры рассеяния транзистора и полученной модели по значениям абсолютной и относительной ошибок.

Применение программных модулей в задачах измерения и моделирования СВЧ-транзис-

тора. Опишем процесс автоматизированного измерения, деэмбеддинга и экстракции параметров ЭС гетероструктурного СВЧ полевого транзистора в различных рабочих точках с использованием разработанных программных модулей.

а б

Рис. З. Измеряемый GaAs-pHEMT-транзистор

3

Vds, В

Рис. б. Выходная ВАХ GaAs pHEMT c шириной затвора 4x4ö мкм

На рис. 5, а представлена фотография исследуемого транзистора изготовленного по 0,3 мкм GaAs-pHEMT-технологии ОАО «НИИ1III» (г. Томск) с шириной затвора 4*40 мкм.

Как правило, анализ работы активного элемента начинается с измерения его ВАХ. На рис. 2 настройки диалога программы Measurement соответствуют режиму измерения выходных ВАХ транзистора: диапазоны напряжений сток-исток Vds = 0...1 В (шаг AVds = 0,2 В), Vds = 1.3 В (шаг AVds = 0,5 В) и напряжений затвор-исток Vgs = -1,6.. .0,8 В (шаг AVgs = 0,2 В). Полученная ВАХ исследуемого транзистора приведена на рис. 6. После этого выбираем интересующие рабочие точки транзистора для измерения его малосигнальных параметров.

Необходимо отметить, что для построения табличных нелинейных моделей СВЧ-транзис-торов может использоваться полная ВАХ и количество рабочих точек может превышать более 200, измерение которых типовым ПО может потребовать несколько часов.

В качестве примера выберем участок ВАХ транзистора характерный для малошумящих усилителей (ток стока (Ids) 10-30 мА) в диапазоне напряжений: Vds=1,5.3 В (шаг AVds= 0,5 В), Vgs= -0,7.-0,2 В (шаг AVgs= 0,1 В), на рис. 6 указанный участок отмечен штриховкой. Используя диалог Measurement (см. рис. 2) и применяя соответствующие настройки, проводим измерения ^-параметров транзистора в 24 рабочих точках в частотном диапазоне 0,1-40 ГГц.

Далее производим исключение паразитных

влияний контактных площадок программой Deembedding, в диалоговом режиме (см. рис. 3) выбираем метод «Open» и загружаем измеренные параметры рассеяния транзистора в различных рабочих точках, после чего необходимо измерить или загрузить параметры рассеяния тестовой структуры «OPEN» (см. рис. 5, б). Таким образом, получаем обработанные результаты измерений S'-параметров для 24 режимов работы транзистора. Для демонстрации полученных результатов в табл. 1 приведены значения модуля коэффициента усиления (|S21|), максимального коэффициента усиления по мощности (Gmax) и коэффициента передачи по току (|#21|) GaAs-pHEMT-транзистора (Vds = 2,5 В; Ids = 15 мА; Vg s= -0,5 В) на нескольких частотах до и после устранения влияния контактных площадок.

Таблица 1

Значения параметров |S'2i|, Gmax и |H2]

Частоты, ГГц 1^21 , дБ ДБ IH21I, дБ

до после до после до после

1 11,92 11,93 23,62 23,79 29,64 30,47

10 9,29 9,66 14,05 14,38 10,61 11,37

20 5,55 6,24 11,17 11,52 4,89 5,59

30 2,70 3,53 9,46 9,76 2,14 2,71

40 0,79 1,62 8,84 9,09 0,37 0,90

ds

Поиск значений элементов ЭС для вышеуказанных режимов работы GaAs-pHEMT-трагоистора осуществим при помощи модуля Extraction. Для этого в диалоговом режиме (см. рис. 4) выбираем метод «LICS» и на первом этапе проводим измерения (или загружаем файлы) транзистора в «холодных» режимах для расчета внешних

(паразитных) элементов ЭС транзистора 4x40 мкм параметров ЭС Ля, Яс, Я, Ьг, Ьс, (рис. 7), которые являются общими для всех режимов работы транзистора.

Согласно методике, описанной в [2], для расчета паразитных элементов (табл. 2) использовались ^-параметры транзистора при нулевом напряжении сток-исток (К* = 0 В) и напряжениях затвор-исток ниже напряжения отсечки (Уях= -1,5 В), а также при положительном напряжении смещения

(У* = 1 В).

Затвор

O—nnn—w

Rd Ld Сток

лл/'—nnr'—О

Исток

Рис. 7. Малосигнальная модель полевого транзистора

Т аблица 2

м О , Rd, Ом Rs, Ом Lg, нГн Ld, нГн Ls, нГн

1,12 3,55 1,56 0,0107 0,0309 0,0052

На втором этапе, загружая S-параметры для 24 режимов работы транзистора, произведем экстракцию внутренних элементов ЭС для каждой рабочей точки, результаты расчета заносятся в таблицу (см. рис. 4).

В качестве примера, для анализа полученных результатов, произведем экспорт параметров ЭС (табл. 3) GaAs-pHEMT-транзистора с шириной затвора 4x40 мкм для режима V^ = 2,5 В; IcLs = 15 мА; Vgs = -0,5 В в САПР AWR Microwave Office.

Т аблица 3

Внутренние элементы ЭС GaAs-pHEMT-транзистора 4x40 мкм

Rgs, Ом Cd пФ CgS, пФ gm мСм t, пс Rds, Ом п Ф

5,5 0,025 0,172 47,14 1,47 470 0,024

На рис. 8 показаны частотные зависимости ^-параметров измеренного транзистора в диапазоне частот до 40 ГГц и его модели.

Из графиков на рис. 8 видно, что измеренные и полученные при помощи модели параметры рассеяния имеют хорошее совпадение с результатами измерений.

Для численной интерпретации полученных результатов имеется возможность сравнить параметры рассеяния транзистора и полученной модели по значениям абсолютной и относительной ошибок как на всём частотном диапазоне, так и для максимального значения у заданной характеристики. На рис. 9 показан пример для |521| исследуемого транзистора = 2,5 В; 1Сб. = 15 мА;

^= -0,5 В), где максимальное значение относительной ошибки составляет 6,4% (на частоте 32,4 ГГц).

Повысить точность экстракции параметров ЭС транзистора, при необходимости, можно использованием встроенных инструментов параметрической оптимизации внутренних элементов.

Рис. 8. Частотные зависимости ^-параметров измеренного ваАБ-рНЕМТ-транзистора (4*40 мкм) и полученной модели для режима V* = 2,5 В; I^ = 15 мА; У№ = -0,5 В

Заключение. Использование разработанного ПО в составе системы ШВЕБУБ-МБ позволяет:

1. Значительно сократить временные затраты и упростить измерения.

2. Обеспечить оперативную обработку результатов измерений, в частности выполнить исключение паразитных влияний контактных площадок для поиска реальных параметров измеряемого компонента.

3. Произвести экстракцию параметров малосигнальной ЭС транзистора в различных режимах работы по постоянному току.

4. Совместно с дополнительными измерениями получить набор экспериментальных данных для построения шумовых и нелинейных моделей полевых транзисторов.

5. Сохранять результаты измерений в стандартные форматы данных для дальнейшего их использования в коммерческих САПР СВЧ-устройств.

Работа выполнялась в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлениям «Создание электронной компонентной базы» (14.740.11.1261), «Микроэлектроника» (П669, П499, 16.740.11.0092, 14.740.11.1136) и «Проведение исследований коллективами НОЦ по направлению «Микроэлектроника» (14.740.11.0135).

Литература

1. Дмитриенко К. С. Построение табличной нелинейной модели рНЕМТ-транзистора / К.С. Дмитриенко, Л.И. Бабак // Сб. трудов 19-й Междунар. Крым. конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - 2009. - Т. 1. - С. 119-120.

2. Коколов А.А. Методика построения малосигнальной модели СВЧ-транзистора с высокой подвижностью электронов / А. А. Коколов, Л.И. Бабак // Доклады ТУСУРа. - 2010. - № 2 (22). -С.153-156.

3. Автоматизация зондовых измерений параметров рассеяния и вольт-амперных характеристик транзисторов с использованием программной среды 1^еБуБ-М8 / А.С. Сальников, И.М. Добуш, С.Е. Кошевой, Ф.И. Шеерман // Доклады ТУСУРа. - 2010. - № 2 (22). - С. 140-144.

I Integral Measurements

Real Measurement

Name Measurements Frequency Value

¡RelErrMax 12VS_15mA_-0V5.s2p : |S(2,1)I; 32.419 6.399149

AbsErrMax 2VS_15mA_-OVS.s2p : Ang(S(2,l)); 30.6235 6.99020921

Edit measurement ) [ Remove measurement

Complex Measurement

Name

Measurements Re

Im

Mod

measurement ~) Г Remove measurement

Add Measurement

Рис. 9. Диалоговое окно вывода максимальных значений абсолютной и относительной ошибок

4. Интеллектуальная система автоматизированного проектирования СВЧ-устройств ШВЕБУБ / М.А. Песков, С.Ю. Дорофеев, А.С. Барышников и др. // Информационные технологии. - 2010. -№2. - С. 42-48.

5. Сальников А.С. Программы для хранения и статистического анализа результатов измерений СВЧ монолитных интегральных схем / А.С. Сальников, Е.П. Каратаев, И.М. Добуш // Сб. трудов 21-й Междунар. Крым. конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - 2011. - Т. 1. -С. 212-213.

Добуш Игорь Мирославович

Аспирант каф. КСУП ТУСУРа

Тел.: +7 (3S2-2) 4i-47-i7

Эл. почта: igadobush@gmail.com

Степачева Алеся Викторовна

Инженер ТУСУРа

Тел.: +7 (3S2-2) 4i-47-i7

Эл. почта: amaya_S9@sibmail.com

Коколов Андрей Александрович М.н.с. каф. КСУП ТУСУРа Тел.: +7 (3S2-2) 4i-47-i7 Эл. почта: kokolovaa@gmail.com

Сальников Андрей Сергеевич М.н.с. каф. КСУП ТУСУРа Тел.: +7 (3S2-2) 4i-47-i7 Эл. почта: ansalnikov@gmail.com

Бабак Леонид Иванович

Канд. техн. наук, зам. директора НОЦ «Нанотехнологии»,

доцент каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа

Тел.: +7 (3S2-2) 4i-47-i7

Эл. почта: leonid.babak@rambler.ru

Dobush I.M., Stepacheva A.V., Kokolov A.A., Salnikov A.S., Babak L.I.

Software for measurement automation, deembedding and small-signal FET model extraction

Software modules for on-wafer measurement automation of multibias S-parameters, deembedding, and extraction of MESFET and HEMT small-signal models is developed. The modules are included into software system INDESYS-MS that is integrated with on-wafer measurement setup.

Keywords: automation, on-wafer measurement, deembedding, model extraction, MMIC, MESFET, HEMT.