[论文解读] Cryogenic Characerization and Modeling of Standard CMOS down to Liquid Helium Temperature for Quantum Computing

Zhen Li, Chao Luo+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2018

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 19被引用 4

一句话总结

本论文展示了对0.18 µm CMOS工艺（1.8V与5V）在300 K至4.2 K温度范围内的低温特性表征及紧凑型SPICE建模，采用基于BSIM3v3的参数提取方法，并通过子电路模型校正kink效应。该模型在液氦温度下实现I-V拟合的亚2%均方根误差，可实现对低温CMOS电路的精确仿真，支持量子计算控制系统的设计。

ABSTRACT

Cryogenic characterization and modeling of 0.18um CMOS technology (1.8V and 5V) are presented in this paper. Several PMOS and NMOS transistors with different width to length ratios(W/L) were extensively characterized under various bias conditions at temperatures ranging from 300K down to 4.2K. We extracted their fundamental physical parameters and developed a compact model based on BSIM3V3. In addition to their I-V characteristics, threshold voltage(Vth) values, on/off current ratio, transconductance of the MOS transistors, and resistors on chips are measured at temperatures from 300K down to 4.2K. A simple subcircuit was built to correct the kink effect. This work provides experimental evidence for implementation of cryogenic CMOS technology, a valid industrial tape-out process model, and romotes the application of integrated circuits in cryogenic environments, including quantum measurement and control systems for quantum chips at very low temperatures.

研究动机与目标

• 通过将标准SPICE建模方法扩展至液氦温度，实现面向量子计算的可靠低温CMOS电路设计。
• 系统表征0.18 µm CMOS晶体管（NMOS与PMOS）在300 K至4.2 K温度范围内，不同W/L比例与偏置条件下的特性。
• 基于BSIM3v3提取并修正温度相关的SPICE模型参数，以准确反映低温器件行为。
• 通过包含非线性电阻模型的子电路模型，校正低温I-V特性中的kink效应。
• 为EDA工具提供经验证的、工业级的紧凑模型，支持低温集成电路的流片设计。

提出的方法

• 使用基于杜瓦管的低温测试装置，结合液氦与液氮，对36个CMOS器件（不同W/L、氧化层厚度与电压）在300 K至4.2 K温度范围内进行直流I-V测量。
• 采用自研低温测试装置，包含真空法兰连接的钢制管道、DIP插座及Rh-Fe温度传感器，实现稳定低温测量。
• 从全温度范围内的实测数据中提取关键器件参数（Vth、Ion/Ioff、Gm,max、电阻率）。
• 通过基于物理机理的半经验提取方法与局部优化，修正BSIM3v3模型参数，重点关注阈值电压、迁移率、短沟道效应与体效应。
• 通过MATLAB中的多项式拟合提取电阻值，构建包含串联非线性电阻的子电路模型，以校正kink效应。
• 采用模拟与实测I-V曲线之间的均方根误差评估模型精度，设定Ith为最大实测电流。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准0.18 µm CMOS工艺能否在低至4.2 K的温度下实现可靠表征与建模？
• RQ2 关键MOSFET参数（阈值电压、导通/截止电流比、跨导）从300 K至4.2 K随温度如何变化？
• RQ3 标准BSIM3v3模型在低温下失效的程度如何？如何进行修正？
• RQ4 包含非线性电阻的子电路模型能否有效缓解低温CMOS器件中的kink效应？
• RQ5 修正后的模型是否具备足够精度，可应用于低温集成电路EDA仿真？

主要发现

• 首次测量并获得了0.18 µm CMOS的阈值电压（Vth）与沟道区电阻在300 K至4.2 K温度范围内的数据。
• 在参数修正与kink效应校正后，模拟与实测I-V特性之间的均方根误差由默认BSIM3v3模型的60%以上降低至2%以下。
• 对于薄氧化层NMOS（W/L = 10 µm/0.16 µm），在VBS = 0 V偏置下，4.2 K时校正模型的均方根误差为1.71%。
• 对于厚氧化层PMOS（W/L = 10 µm/10 µm），在VBB = 4 V偏置下，4.2 K时校正模型的均方根误差为0.96%。
• 通过包含非线性电阻的子电路模型有效校正了kink效应，该效应在低VDS时导致I-V曲线偏离，其物理机制对应LDD区域的冻结合效应。
• 所获得的紧凑型SPICE模型是首个基于BSIM3v3、适用于标准CMOS工艺并有效至4.2 K的模型，可直接用于EDA仿真，支持低温IC设计。