A simple de-embedding method for on-wafer RF CMOS FET using two microstrip lines

H. J. Saavedra-Gómez^a, J. R. Loo-Yau^a, J. A. Reynoso-Hernández^b, P. Moreno^a, F. Sandoval-Ibarra^a, S. Ortega-Cisneros^a 

^a Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Unidad Guadalajara, Jalisco, México, e-mail: hsaavedra@gdl.cinvestav.mx.

^b Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Ensenada, B. C., México, e-mail: apolinar@cicese.mx.

Abstract

This letter deals with the de-embedding of on-wafer CMOS FETs embedded in symmetrical and reciprocals pads. A de-embedding method, that uses a calibrated vector network analyzer and two microstrip lines fabricated on a lossy SiO₂-Si substrate, is introduced. The proposed method not only allows the characterization on the interconnection lines but also allows the characterization of the CMOS pads. Our results demonstrate that a shunt admittance does not suffice to properly model CMOS pads. Experimental S-parameters data of on-wafer CMOS FETs de-embedded with the proposed L-L method, Mangan and the Pad-Open-Short De-embedded (PSOD) methods are compared. The S-parameter data, de-embedded with the PSOD and the proposed two-tier L-L show high correlation, validating the proposed de-embedding method.

Keywords: Electrical measurement; microwave circuits; field effect devices; high speed techniques.

Resumen

En este trabajo se presenta un método para desincrustar transistores CMOS de efecto de campo embebidos en pads simétricos y recíprocos. El método de desincrustación propuesto utiliza como estándares de calibración dos líneas de microcinta, fabricadas sobre un substrato de Si con pérdidas. El método propuesto no solo permite la caracterización de las líneas de interconexión sino también de los pads CMOS. Los resultados experimentales demuestran que una simple admitancia no es la manera apropiada para modelar los pads CMOS. Se comparan datos experimentales de parámetros S de transistores de efecto de campo CMOS en oblea desincrustados con el método propuesto L-L, el de Mangan y el Pad-Open-Short De-embededded (PSOD). Los datos de los parámetros S desincrustados con los métodos PSOD y el propuesto muestran una alta correlación, validando el método de desincrustación que se reporta en este trabajo.

Descriptores: Mediciones eléctricas; circuitos de microondas; dispositivos de efecto de campo; técnica de alta velocidad.

PACS: 84.37.+q; 84.40.Dc; 85.30Tv; 06.60.Jn

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Acknowledgements

This work was supported by project number INFR-2011-1-163272 from CONACyT (Mexico). Authors wish to thank the anonymous reviewer for both helpful comments and critical review. One of the authors (HJSG) wishes to thank CONACyT (Mexico) for its financial support.

References

1. Reydezel Torres-Torres, Roberto Murphy-Arteaga, IEEE Transaction on Electron Devices 52 (2005) 1335-1342.         [ Links ]

2. M. Koolen, J. Geelen, and M. Versleijen, IEEE Bipolar Circuits and Technology Meeting (1991) 188-191.         [ Links ]

3. T. Emil Kolding, IEEE Transaction on Electron Devices 47 (2000) 734-740.         [ Links ]

4. M. Ferndahl, C. Fager, K. Andersson, P. Linner, Hans-Olof Vickes, H. Zirath, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 56 (2008) 2692-2700.         [ Links ]

5. Hanjin Cho and Dorothea E. Burk, IEEE Transaction on Electron Devices 38 (1991) 1371-1375.         [ Links ]

6. Ming-Hsiang Cho, David Chen, Ryan Lee, An-Sam Peng, Lin-Kun Wu, Chune-Sin Yeh, IEEE Transaction on Electron Devices, 56 (2009) 299-305.         [ Links ]

7. A. Hamidipour, . Jahn, F. Starzer, X. Wang, A. Stelzer, On-Wafer Passives De-Embedding Based on Open-Pad and Transmission Line Measurement, IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (2010) 102-105.         [ Links ]

8. Alain M. Mangan, Sorin P. Voinigescu, Ming-Ta Yang and Mihai Tazlauanu, IEEE Transactions on Electron Devices 53 (2006) 235-241.         [ Links ]

9. Han Sangwook, Kim Jooyong, D.P. Neikirk, IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures (2006) 76-81.         [ Links ]

10. J. E. Zúñiga-Juarez, J. A. Reynoso-Hernández and J. R. Loo Yau, Two tier L-L De-embedding Method for S-Parameters Measurements of Devices Mounted in Test Fixture, 73rd ARFTG Microwave Measurement Conference (2009) 1-5.         [ Links ]

11. J.E. Zúñiga-Juárez, J.A. Reynoso-Hernández, J.R. Loo-Yau, M.C. Maya-Sánchez, An Improved Two-tier L-L Method for Characterizing Symmetrical Microwave Test Fixtures, Measurement 44 (2011), 1491-1498.         [ Links ]

12. Adem Aktas and Mohammed Ismail, IEEE Circuits and Devices Magazine X (2001) 8 -11.         [ Links ]

13. Hsiao-Tsung Yen, Tzu-Jin Yeh, and Sally Liu, A Physical De-embedding Method for Silicon-based Device Applications, PIERS online 5 (2009) 301-305.         [ Links ]

14. Hideki Hasegawa et al. MTT 19 (1971) 869-881.         [ Links ]

15. E. A. M. Klumperink et al. "Transmission Lines in CMOS an Explorative Study', 12^th Annual Workshop on Circuits, Systems and Signal Processing, Veldhove/Netherlands (2001), pp. 440-445.         [ Links ]

16. Michael Steer, Microwave and RF Design: A system approach, (Raleigh NC: Sitech publishing, Inc, 2010), ISBN: 9781891121883.         [ Links ]

17. J.A. Reynoso-Hernández, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 13 (2003) 351-353.         [ Links ]

18. A. Mangan, Millimeter-Wave Device Characterization for Nano CMOS IC Design, Master's Thesis, (Univ. Toronto 2005).         [ Links ]

19. H. J. Saavedra-Gómez, J. R. Loo-Yau, Brenda Edith Figueroa-Resendiz and J. A. Reynoso-Hernández, IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), (Montreal, Canada, 2012) pp. 417-420.         [ Links ]