SMIC公司0.18毫米CMOS技术在液氦温度下的建模与修正研究

本文标题为《Modelling and Kink Correction of 0.18mm Bulk CMOS at Liquid Helium Temperature》，发表于《Electronics Letters》期刊2019年7月11日刊（Vol. 55, No. 14, pp. 780–783），主要作者包括Zhen Li, Chao Luo, Tengteng Lu, Jun Xu, Weicheng Kong和Guoping Guo，研究工作主要在中国科学技术大学量子信息重点实验室以及Origin Quantum Computing Company完成。

研究背景

Cryogenic CMOS（低温CMOS）技术是一种为满足深冷环境应用而开发的半导体技术，具有广阔的应用前景，尤其是量子计算和红外焦平面阵列等领域。随着量子处理器和室温读出控制器之间的连接复杂性和成本不断增加，对深低温控制电子学的需求愈发明显。在量子计算中，量子处理器通常工作在稀释制冷机提供的几毫开尔文的极低温环境。然而，在液氦温度（4.2 K）下，散热要求得到放松，为CMOS技术的应用打开了可能性。

本文的研究聚焦于低温CMOS技术的首次详尽建模，对0.18毫米CMOS工艺从室温（300 K）到超低温（4.2 K）的物理特性进行了全面的实验测量和建模分析，并提出了一种补偿“kink effect（电流电压曲线拐点效应）”的方法。研究目标为：优化当前工业级SPICE模型（例如BSIM3v3）在深低温环境下的适用性，以支持未来量子计算读出和控制电路的设计与仿真需求。

研究方法与流程

样品制备与实验设置

该研究中，作者使用了若干基于SMIC 0.18毫米CMOS工艺制备的p型MOS（PMOS）和n型MOS（NMOS）晶体管，涵盖了不同宽长比（W/L）的器件。这代表了两种氧化层厚度（3.84 nm和11.9 nm）的器件，分别对应1.8 V和5 V的驱动电压标准。通过将芯片绑定到封装载体（chip-carriers），并用铝线键合后，将样品置于液氮温度（77 K）和液氦温度（4.2 K）环境进行测试。

测量实验包括使用Keysight B1500A半导体分析仪进行的多种电气特性测试，如转移特性曲线（transfer characteristics）、输出特性曲线（output characteristics）以及不同底部偏置电压（Vbs）条件下的IDS-VDS曲线。

数据建模与分析流程

1. 模型参数的提取
   使用基于BSIM3v3的半经验模型，通过BSIMProPlus工具对参数进行提取和校正：

   • 提取阈值电压参数（如Vth0, K1, K2），通过大尺寸器件（大W/L比）进行测量表示典型行为；
     
   • 提取载流子迁移率参数（如M0, MA, MB, MC）；
     
   • 提取短沟道效应参数（如DVT0, DVT1, DVT2, N-factor）；
     
   • 提取饱和速度参数和体效应参数。
     

2. 拐点效应的修正
   在低温下，LD（Lightly Doped）区的电荷冷冻效应以及衬底电位的浮动导致了晶体管的拐点现象。作者针对这一现象设计了一个附加电阻子电路仿真模型，该电阻模拟了LD区和衬底的特定非线性特性。建模过程中，通过多项式拟合方法提取了该“冻结电阻”的特性曲线。

3. 数据拟合分析与误差评估
   使用均方根误差（RMS Error）评估参数调节对测试数据与模拟结果的一致性改进情况。经过优化后，模型误差从默认情况下的13.37%降低至补偿校正后的1.71%。

实验结果

I-V曲线与阈值电压特性

作者发现，由于温度降低，CMOS晶体管的阈值电压Vth随温度呈线性增加。这一趋势与MOSFET通道区的载流子冷冻效应直接相关，导致需要更高的栅电压驱动电流注入。对于PMOS晶体管，这种线性关系表现更为显著。

从实验数据中，IDS的增加表明电荷迁移率和减小的系列电阻对低温性能起到正面影响。而LD区和衬底的冷冻在液氦温度下会引发局部的电压阈值变化，进一步导致拐点现象的产生。

电阻变化特性

芯片上的不同类型电阻随温度的变化表现如下：
- 高掺杂区域（例如n++、p++活性区）的接触电阻降低至室温值的1/3到2/3；
- 铝互连的电阻显著降低，体现出低温下金属导电率增强的优势。

拐点补偿模型的验证

在引入串联电阻后，通过对比IDs-VDS的实验和模拟数据，相较无补偿情况下的模型，补偿后IDS曲线与实验曲线高度吻合，验证了补偿模型的有效性。

研究结论

本文首次向学术界报告了SMIC 0.18毫米工艺CMOS晶体管及其集成电路从室温至4.2 K的低温特性研究，重点解决了BSIM3v3模型在低温环境下失效的问题，并通过掺入“冻结补偿电阻”大幅提高了模型的准确性。研究结论支持Cryo-CMOS技术在包括量子计算读出和控制系统在内的深低温应用中实现更精确的电路设计和仿真。

研究亮点

1. 本文为首个在4.2 K液氦温度下针对0.18毫米CMOS工艺完成建模和实验验证的研究，填补了BSIM3和深低温研究的空白。
   
2. 针对拐点现象设计的附加非线性子电路模型提供了新的理论框架，可推广至类似深低温半导体建模问题。
   
3. CMOS工艺研究从基础的I-V曲线表征到参数模型调节，均展示了系统性和创新性。
   

研究意义

随着量子计算技术的逐步发展，对集成电路低功耗、高精准低温性能的需求愈发重要。本文建立和验证的低温模型为高效的Cryo-CMOS电路设计铺平了道路，不仅推动了量子计算的工程化发展，也为冷冻电子学设备的其他应用领域提供了理论与实验依据。