肖特基二極體等效電路模型及其參數提取方法
2023-06-12 13:19:31 3
專利名稱：肖特基二極體等效電路模型及其參數提取方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件的等效電路電學模型，具體涉及一種肖特 基二極體等效電路模型。本發明還涉及一種基於上述模型的參數提取方 法。
背景技術：
肖特基二極體是現代半導體集成電路中所採用的器件之一。特別在射 頻集成電路的設計中，該器件有廣泛的應用。所以，肖特基二極體常被分 類為射頻器件。如圖1所示，現有常見的肖特基二極體在結構上主要包括
由金屬和金屬矽化物組成的陽極端，及由歐姆接觸、N+陰極層和N阱組成 的陰極端，肖特基勢壘由圖中金屬和N阱構成。
在現代集成電路的應用中，電路設計的精度往往取決於各器件的電學 模型的精度。加之射頻集成電路常工作在較高的頻率以上，其設計的精度 對射頻器件的電學模型的精度依賴性更大。因此，肖特基二極體等效電路 電學模型及模型參數提取方法是射頻集成電路領域中一個重要的研發領 域。然而，此前開發的肖特基二極體等效電路電學模型往往過於簡單，在 射頻領域的模擬精度還達不到射頻集成電路設計精度的要求。同時，和等 效電路電學模型相關的模型參數提取方法還遠未完善，其效率和實用性還 有待提高
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種肖特基二極體等效電路模 型，它可以克服現有的肖特基二極體等效電路電學模型往往過於簡單的缺 點，提高模型對器件電學特性的擬合效果，同時也能夠有效提高模型參數 提取的效率性和實用性。為此，本發明還要提供一種基於上述模型的測試 流程和參數提取方法。
為了解決以上技術問題，本發明提供了一種肖特基二極體等效電路模 型，包括N阱端和金屬端之間依次串聯電感L1、電阻R1、單體肖特基
二極體D1、電阻R2、電感L2;單體肖特基二極體D1兩端並聯一個肖特 基二極體寄生電容C4; N阱端經過反向的N阱與P襯底寄生二極體D2及 並聯的矽襯底寄生電阻R3和矽襯底寄生電容Cl與地連接;金屬端經過布 線介質寄生電容C3及並聯的矽襯底寄生電阻R4和矽襯底寄生電容C2與 地連接。
本發明另提供了 一種肖特基二極體等效電路模型的參數提取方法，包 括如下步驟(1)利用所述單體肖特基二極體Dl和N阱與P襯底寄生二 極管D2的直流測試，根據在不同溫度下的測試結果，確定單體肖特基二 極管Dl和N阱與P襯底寄生二極體D2相關的二極體直流模型參數；(2) 利用基於肖特基二極體射頻結構的射頻測試的結果，提取出肖特基二極體 寄生電容與其偏壓的關係，進一步微調並確定和肖特基二極體Dl相關的 寄生電容模型參數；(3)利用基於肖特基二極體射頻結構的射頻測試的結 果，提取出肖特基二極體的射頻品質因數，進而根據該射頻品質因數確定 電感Ll和電感L2的參數；(4)利用基於肖特基二極體射頻結構的射頻測 試的結果，提取出肖特基二極體的高頻寄生電阻，進而根據該肖特基二極體的高頻寄生電阻確定電阻R1和電阻R2; (5)利用肖特基二極體的工藝 參數確定矽襯底寄生電容Cl、矽襯底寄生電容C2、布線介質寄生電容C3、 矽襯底寄生電阻R3和矽襯底寄生電阻R4的值；(6)利用肖特基二極體 等效電路模型對射頻信號的正向傳輸效率S21的擬合程度來確定肖特基 二極體寄生電容C4的值。
因為本發明的肖特基二極體等效電路模型包括了涉及肖特基二極體 物理結構的各個部分對肖特基二極體直流及高頻特性的影響，因此，可直 接用於肖特基二極體直流及高頻的電路仿真，可方便地用來模擬肖特基二 極管直流及高頻的電學特性。在此等效電路電學模型基礎上，本發明的肖 特基二極體等效電路模型的參數提取方法，較大地提高了肖特基二極體等 效電路電學模型參數的提取效率和模型對器件電學特性的擬合效果。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖1是現有肖特基二極體的結構示意圖2是本發明的肖特基二極體等效電路模型。
具體實施例方式
本發明的肖特基二極體等效電路模型如圖2所示，包括N阱端和金 屬端之間依次串聯電感L1、電阻R1、單體肖特基二極體D1、電阻R2、電 感L2，其中單體肖特基二極體Dl兩端並聯一個肖特基二極體寄生電容C4。 另外N阱端經過反向的N阱與P襯底寄生二極體D2及並聯的矽襯底寄生 電阻R3和矽襯底寄生電容Cl與地連接；金屬端經過布線介質寄生電容 C3及並聯的矽襯底寄生電阻R4和矽襯底寄生電容C2與地連接。本發明的肖特基二極體等效電路模型的測試流程，包括(l)單體肖 特基二極體Dl和N阱與P襯底寄生二極體D2的直流測試；(2)基於肖特
基二極體射頻結構的射頻測試。其中對單體肖特基二極體Dl和N阱與P 襯底寄生二極體D2的直流測試包括正向和反向特性，對肖特基二極體射 頻結構的射頻測試，是N阱端和金屬端兩埠掃描從負壓到正壓的一組電 壓，同時掃描一組頻率，從而得到不同頻率點上的高頻參數。
另外本發明還提供了一種肖特基二極體等效電路模型的參數提取方
法，包括如下步驟
(1) 利用所述單體肖特基二極體Dl和N阱與P襯底寄生二極體D2 的直流測試，根據在不同溫度下的測試結果，確定單體肖特基二極體Dl 和N阱與P襯底寄生二極體D2相關的二極體直流模型參數。
通常在-40。C 15(TC範圍內取低溫、常溫、及高溫狀態的溫度值分別 測試，例如取-4CTC、 25°C、 150。C時分別p試單體肖特基二極體Dl和N 阱與P襯底寄生二極體D2的直流電流與電壓的測試結果，進而確定單體 肖特基二極體Dl和N阱與P襯底寄生二極體D2相關的二極體直流模型參 數。
(2) 利用基於肖特基二極體射頻結構的射頻測試的結果，提取出肖 特基二極體寄生電容與其偏壓的關係，進一步微調並確定和肖特基二極體 Dl相關的寄生電容模型參數。
具體方法為由零偏壓下的寄生電容數值，可確定寄生電容模型參數
Cj， Cj在物理意義上代表零偏壓電容值。而根據二極體寄生電容與其偏 壓的關係曲線，可進一步微調並確定寄生電容模型參數mj和vj， mj在物理意義上代表關係曲線的斜率，Vj在物理意義上代表電容電壓關係的電 壓係數。
(3) 利用基於肖特基二極體射頻結構的射頻測試的結果，提取出肖
特基二極體的射頻品質因數，進而根據該射頻品質因數確定電感u和電
感L2的參數。
具體方法為基於肖特基二極體射頻結構的射頻測試的結果，可得到
肖特基二極體的射頻品質因數與頻率的關係曲線。電感Ll和電感L2主要 影響射頻品質因數衰減為零時的頻率數值，由此，可進一步微調並確定電 感L1和電感L2的數值。
(4) 利用基於肖特基二極體射頻結構的射頻測試的結果，提取出肖 特基二極體的高頻寄生電阻，進而根據該肖特基二極體的高頻寄生電阻確 定電阻R1和電阻R2。
具體方法為基於肖特基二極體射頻結構的射頻測試的結果，可得到 肖特基二極體的高頻寄生電阻與頻率的關係曲線。電阻R1和電阻R2主要 影響高頻寄生電阻的數值，由此，可進一步微調並確定電阻R1和電阻R2 的數值。
(5) 利用肖特基二極體的工藝參數確定矽襯底寄生電容C1、矽襯底 寄生電容C2、布線介質寄生電容C3、矽襯底寄生電阻R3和矽襯底寄生 電阻R4的值。
工藝條件首先包括矽襯底的電阻率，介電常數和矽片厚度。利用 以上參數以及常規電容(C = *， C為電容，e為介電常數，A為電容
的有效面積，D為電容的有效厚度)與電阻(R-41， R為電阻，P為電阻率，S為電阻的有效面積，L為電阻的有效長度)的計算公式，可 確定矽襯底寄生電容C1、矽襯底寄生電容C2，矽襯底寄生電阻R3和矽 襯底寄生電阻R4的值。
由於目前矽的後道工藝為多層介質布線，所以，工藝條件還包括 每一層布線介質所對應的介電常數與介質厚度。利用以上參數以及常規電 容與電阻的計算公式，可確定布線介質寄生電容C3的值。
(6)利用肖特基二極體等效電路模型對射頻信號的正向傳輸效率 S21的擬合程度來確定肖特基二極體寄生電容C4的值。
器件的射頻參數主要是S參數，S參數包括四類特性，g卩Sll， S12， S22和S21。其中，S21在物理上代表射頻信號的正向傳輸效率。C4的 位置處於射頻信號的正向傳輸路徑上，因此，C4的數值對S21的影響很 大。在等效電路的其他模型參數都已確定之後，根據C4的不同取值對器 件S參數中S21特性的不同的擬合程度，即可確定C4最終合適的數值。
權利要求
1、一種肖特基二極體等效電路模型；其特徵在於，包括N阱端和金屬端之間依次串聯電感L1、電阻R1、單體肖特基二極體D1、電阻R2、電感L2；所述單體肖特基二極體D1兩端並聯一個肖特基二極體寄生電容C4；所述的N阱端經過反向的N阱與P襯底寄生二極體D2及並聯的矽襯底寄生電阻R3和矽襯底寄生電容C1與地連接；所述的金屬端經過布線介質寄生電容C3及並聯的矽襯底寄生電阻R4和矽襯底寄生電容C2與地連接。
2、 一種肖特基二極體等效電路模型的參數提取方法；其特徵在於， 包括如下步驟(1) 利用單體肖特基二極體Dl和N阱與P襯底寄生二極體D2的直 流測試，根據在不同溫度下的測試結果，確定單體肖特基二極體D1和N 阱與P襯底寄生二極體D2相關的二極體直流模型參數；(2) 利用基於肖特基二極體射頻結構的射頻測試的結果，提取出肖 特基二極體寄生電容與其偏壓的關係，進一步微調並確定和肖特基二極體 Dl相關的寄生電容模型參數；(3) 利用基於肖特基二極體射頻結構的射頻測試的結果，提取出肖 特基二極體的射頻品質因數，進而根據所述的射頻品質因數確定電感Ll 和電感L2的參數；(4) 利用基於肖特基二極體射頻結構的射頻測試的結果，提取出肖 特基二極體的高頻寄生電阻，進而根據所述的肖特基二極體的高頻寄生電阻確定電阻R1和電阻R2;(5) 利用肖特基二極體的工藝參數確定矽襯底寄生電容C1、矽襯底 寄生電容C2、布線介質寄生電容C3、矽襯底寄生電阻R3和矽襯底寄生 電阻R4的值；(6) 利用肖特基二極體等效電路模型對射頻信號的正向傳輸效率 S21的擬合程度來確定肖特基二極體寄生電容C4的值。
3、 根據權利要求2所述的肖特基二極體等效電路模型的參數提取 方法，其特徵在於，步驟(1)所述的不同溫度是指在-4(TC 150。C範圍 內分別取低溫、常溫、及高溫狀態的溫度值。
4、 根據權利要求2所述的肖特基二極體等效電路模型的參數提取 方法，其特徵在於，步驟(5)所述的工藝參數包括矽襯底的電阻率， 介電常數、矽片厚度、電容的有效面積、電阻率、電阻的有效面積、及電 阻的有效長度。
全文摘要
本發明公開了一種肖特基二極體等效電路模型，不僅包括肖特基二極體的單體部分模型，同時包括和肖特基二極體的單體部分串聯的寄生電阻和寄生電感部分。在模型的二個埠部分，分別並聯了寄生PN結結構以及寄生的矽襯底結構。該模型完整地包括了涉及肖特基二極體物理結構的各個部分對肖特基二極體直流及高頻電學特性的影響，因此可直接用於肖特基二極體直流及高頻的電路仿真，可方便地用來模擬肖特基二極體直流及高頻的電學特性。本發明還提出了基於上述模型的測試流程和參數提取方法，可較大地提高肖特基二極體等效電路電學模型參數的提取效率和模型對器件電學特性的擬合效果。
文檔編號G06F17/50GK101441670SQ20071009424
公開日2009年5月27日 申請日期2007年11月19日 優先權日2007年11月19日
發明者周天舒 申請人:上海華虹Nec電子有限公司