Программное обеспечение для автоматизации измерений, деэмбеддинга и построения линейных моделей СВЧ полевых транзисторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

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 (а) и тестовая структура OPEN (б)

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 (Vds = 2,5 В; Vgs = -0,5 В)

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

| Edit n

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: [email protected]

Степачева Алеся Викторовна

Инженер ТУСУРа

Тел.: +7 (3S2-2) 4i-47-i7

Эл. почта: [email protected]

Коколов Андрей Александрович М.н.с. каф. КСУП ТУСУРа Тел.: +7 (3S2-2) 4i-47-i7 Эл. почта: [email protected]

Сальников Андрей Сергеевич М.н.с. каф. КСУП ТУСУРа Тел.: +7 (3S2-2) 4i-47-i7 Эл. почта: [email protected]

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: [email protected]

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.