淺述射頻微波集成電路在片去嵌技術(shù)

吳健 南京恒電電子有限公司

淺述射頻微波集成電路在片去嵌技術(shù)

吳健 南京恒電電子有限公司

去嵌技術(shù)能夠用來對(duì)射頻微波集成電路進(jìn)行在片測(cè)試，本文對(duì)開路去嵌法以及開路短路去嵌法這兩種去嵌技術(shù)進(jìn)行介紹，進(jìn)行了去嵌結(jié)果的比較，并兩者的適用范圍進(jìn)行了說明。

在片測(cè)試 測(cè)試結(jié)構(gòu) 開路短路去嵌

近年來，以CMOS技術(shù)為依托的集成電路在射頻微波電路中已經(jīng)得到應(yīng)用[1,2]。為加快集成電路產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和上市，在設(shè)計(jì)時(shí)需要采用精密的射頻微波器件模型來保證產(chǎn)品的有效性。為了對(duì)被測(cè)器件的微波特性進(jìn)行測(cè)量，可以在晶圓上設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)來對(duì)被測(cè)器件（DUT）的散射S參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)構(gòu)能使DUT和GSG微波探針（GSG Probe）被連接起來，包括三個(gè)組成部分：探針焊盤（Probe Pads）、被測(cè)器件和金屬互連線。探針與被測(cè)器件通過探針焊盤進(jìn)行連接，而探針焊盤又通過金屬互連線與被測(cè)器件進(jìn)行連接。焊盤使測(cè)試結(jié)構(gòu)產(chǎn)生寄生電容，互連線又使其產(chǎn)生寄生電阻和電感。所以，在表征微波器件特性的時(shí)候必須將焊盤和互連線帶來的影響從S參數(shù)中剝離，該步驟為去嵌。將S參數(shù)去嵌后所得數(shù)據(jù)反映出的電氣特性更加準(zhǔn)確[3]。

1 去嵌方法

1.1 開路去嵌法

開路去嵌法在1987年由P．J．van Wijnen提出，此法不但考慮了焊盤與接地面的并聯(lián)寄生效應(yīng)，還對(duì)輸入輸出耦合效應(yīng)也加以考慮，其在小于10GHz頻率的在片測(cè)量中有理想的應(yīng)用效果，目前應(yīng)用仍然普遍。首先測(cè)量S參數(shù)，被測(cè)器件得到SDUT，開路測(cè)試結(jié)構(gòu)得到SOPEN，將兩者換算為Y參數(shù)矩陣，分別得到Y(jié)DUT，和YOPEN，接著被測(cè)器件自身的Y參數(shù)矩陣就能通過公式算出，該器件的等效電路模型就可以按照YINT來建立：

YINT=YDUT-YOPEN

1.2 開路短路去嵌法

當(dāng)工作頻率升高時(shí)，互連線所導(dǎo)致的串聯(lián)寄生阻抗有著顯著的影響，而開路去嵌法卻忽略了這點(diǎn)，由此開路短路去嵌法被提出。此法在開路測(cè)試結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了短路測(cè)試結(jié)構(gòu)，兩者相互獨(dú)立。此結(jié)構(gòu)通過直接短路測(cè)試結(jié)構(gòu)與被測(cè)器件的三個(gè)連接點(diǎn)來完成。

（1）首先測(cè)量S參數(shù)，被測(cè)器件得到SDUT，開路測(cè)試結(jié)構(gòu)得到SOPEN，短路測(cè)試結(jié)構(gòu)得到SSHORT，將三者換算為Y參數(shù)矩陣，分別得到Y(jié)DUT、YOPEN和YSHORT，接著采用以下公式來從中剝離焊盤寄生效應(yīng)：

YDUT_O=YDUT-YOPEN

YSHORT_O=YSHORT-YOPEN

（2）此時(shí)的Y參數(shù)矩陣YDUT_O指的是從被測(cè)器件中剝離焊盤寄生效應(yīng)而得到的Y參數(shù)，然而互連線寄生阻抗仍然存在。YSHORT_O指的是從短路測(cè)試結(jié)構(gòu)中剝離焊盤寄生效應(yīng)而得到的Y參數(shù)。將兩個(gè)Y參數(shù)轉(zhuǎn)換成Z參數(shù)矩陣后再從中剝離互連線阻抗：

ZINT=ZDUT_O-ZSHORT_O

此時(shí)可以獲得被測(cè)器件的Z參數(shù)矩陣ZINT，該器件的等效電路模型就可以按照轉(zhuǎn)換得到的YINT來建立。

2 去嵌方法比較

兩種去嵌方法去嵌之前和去嵌之后的參數(shù)Y11和Y22的曲線如圖2所示。MOSFET為0．13μm的柵長和5μm的柵寬，柵指數(shù)是4。由比較曲線可知，對(duì)于兩種方法而言，去嵌之前和之后所得數(shù)據(jù)都有著顯著的差異，這說明測(cè)試結(jié)構(gòu)對(duì)射頻微波MOSFET模型有很大的影響，必須將之消除。并且，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作頻率不超過10GHz時(shí)，兩種方法去嵌后所得數(shù)據(jù)差別很小，這是因?yàn)榈皖l率時(shí)互連線自身的寄生效應(yīng)小至可忽略。然而，頻率慢慢增大，互連線自身的寄生效應(yīng)也在逐漸增大，兩種去嵌方法所得去嵌后數(shù)據(jù)間有著越來越大的差別。所以，在實(shí)際工作中，對(duì)于大于10GHz的工作頻率，去嵌只能通過開路短路去嵌法來進(jìn)行。

圖1 去嵌方法對(duì)比圖（a）兩種去嵌方法去嵌前后參數(shù)Y11對(duì)比曲線；（b）兩種去嵌方法去嵌前后參數(shù)Y22對(duì)比曲線

3 結(jié)論

為了更好地對(duì)射頻微波MOSFET特性進(jìn)行表征，本文對(duì)開路去嵌法和開路短路去嵌法這兩種去嵌方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。此外，對(duì)兩者的去嵌精度進(jìn)行了比較，當(dāng)在不超過10GHz的頻率下工作時(shí)，兩種方法得到的去嵌結(jié)果比較一致，而在超過10GHz的頻率下工作時(shí)則必須通過開路短路去嵌法去嵌。

［1］Kenneth H. K. Yau, Eric Dacquay, Ioannis Sarkas, et al., Device and IC Characterization above 100GHz[J]. Microwave Magazine, IEEE, vol. 13, pp. 30-54, 2012.

［2］G. Crupi and D. Schreurs, Microwave De -embedding:From Theory to Applications [M]. Academic Press, 2013.

［3］程 加 力.射 頻 微 波 MOS 器 件 參 數(shù) 提 取 與 建模 技 術(shù) 研 究[D].華 東 師 范 大 學(xué), 2012.

吳健，1989.10，男，漢，鹽城建湖，本科，助理工程師，目前從事微波射頻電路方面的研究。