CN101441670B - 肖特基二极管等效电路模型及其参数提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肖特基二极管等效电路模型，不仅包括肖特基二极管的单体部分模型，同时包括和肖特基二极管的单体部分串联的寄生电阻和寄生电感部分。在模型的二个端口部分，分别并联了寄生PN结结构以及寄生的硅衬底结构。该模型完整地包括了涉及肖特基二极管物理结构的各个部分对肖特基二极管直流及高频电学特性的影响，因此可直接用于肖特基二极管直流及高频的电路仿真，可方便地用来模拟肖特基二极管直流及高频的电学特性。本发明还提出了基于上述模型的测试流程和参数提取方法，可较大地提高肖特基二极管等效电路电学模型参数的提取效率和模型对器件电学特性的拟合效果。

Description

肖特基二极管等效电路模型及其参数提取方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的等效电路电学模型，具体涉及一种肖特基二极管等效电路模型。本发明还涉及一种基于上述模型的参数提取方法。

背景技术

肖特基二极管是现代半导体集成电路中所采用的器件之一。特别在射频集成电路的设计中，该器件有广泛的应用。所以，肖特基二极管常被分类为射频器件。如图1所示，现有常见的肖特基二极管在结构上主要包括由金属和金属硅化物组成的阳极端，及由欧姆接触、N+阴极层和N阱组成的阴极端，肖特基势垒由图中金属和N阱构成。

在现代集成电路的应用中，电路设计的精度往往取决于各器件的电学模型的精度。加之射频集成电路常工作在较高的频率以上，其设计的精度对射频器件的电学模型的精度依赖性更大。因此，肖特基二极管等效电路电学模型及模型参数提取方法是射频集成电路领域中一个重要的研发领域。然而，此前开发的肖特基二极管等效电路电学模型往往过于简单，在射频领域的模拟精度还达不到射频集成电路设计精度的要求。同时，和等效电路电学模型相关的模型参数提取方法还远未完善，其效率和实用性还有待提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种肖特基二极管等效电路模型，它可以克服现有的肖特基二极管等效电路电学模型往往过于简单的缺点，提高模型对器件电学特性的拟合效果，同时也能够有效提高模型参数提取的效率性和实用性。为此，本发明还要提供一种基于上述模型的测试流程和参数提取方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种肖特基二极管等效电路模型，包括：N阱端和金属端之间依次串联电感L1、电阻R1、单体肖特基二极管D1、电阻R2、电感L2；单体肖特基二极管D1两端并联一个肖特基二极管寄生电容C4；N阱端经过反向的N阱与P衬底寄生二极管D2及并联的硅衬底寄生电阻R3和硅衬底寄生电容C1与地连接；金属端经过布线介质寄生电容C3及并联的硅衬底寄生电阻R4和硅衬底寄生电容C2与地连接。

本发明另提供了一种肖特基二极管等效电路模型的参数提取方法，包括如下步骤：(1)利用所述单体肖特基二极管D1和N阱与P衬底寄生二极管D2的直流测试，根据在不同温度下的测试结果，确定单体肖特基二极管D1和N阱与P衬底寄生二极管D2相关的二极管直流模型参数；(2)利用基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，提取出肖特基二极管寄生电容与其偏压的关系，进一步微调并确定和肖特基二极管D1相关的寄生电容模型参数；(3)利用基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，提取出肖特基二极管的射频品质因数，进而根据该射频品质因数确定电感L1和电感L2的参数；(4)利用基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，提取出肖特基二极管的高频寄生电阻，进而根据该肖特基二极管的高频寄生电阻确定电阻R1和电阻R2；(5)利用肖特基二极管的工艺参数确定硅衬底寄生电容C1、硅衬底寄生电容C2、布线介质寄生电容C3、硅衬底寄生电阻R3和硅衬底寄生电阻R4的值；(6)利用肖特基二极管等效电路模型对射频信号的正向传输效率S21的拟合程度来确定肖特基二极管寄生电容C4的值。

因为本发明的肖特基二极管等效电路模型包括了涉及肖特基二极管物理结构的各个部分对肖特基二极管直流及高频特性的影响，因此，可直接用于肖特基二极管直流及高频的电路仿真，可方便地用来模拟肖特基二极管直流及高频的电学特性。在此等效电路电学模型基础上，本发明的肖特基二极管等效电路模型的参数提取方法，较大地提高了肖特基二极管等效电路电学模型参数的提取效率和模型对器件电学特性的拟合效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是现有肖特基二极管的结构示意图；

图2是本发明的肖特基二极管等效电路模型。

具体实施方式

本发明的肖特基二极管等效电路模型如图2所示，包括：N阱端和金属端之间依次串联电感L1、电阻R1、单体肖特基二极管D1、电阻R2、电感L2，其中单体肖特基二极管D1两端并联一个肖特基二极管寄生电容C4。另外N阱端经过反向的N阱与P衬底寄生二极管D2及并联的硅衬底寄生电阻R3和硅衬底寄生电容C1与地连接；金属端经过布线介质寄生电容C3及并联的硅衬底寄生电阻R4和硅衬底寄生电容C2与地连接。

本发明的肖特基二极管等效电路模型的测试流程，包括：(1)单体肖特基二极管D1和N阱与P衬底寄生二极管D2的直流测试；(2)基于肖特基二极管射频结构的射频测试。其中对单体肖特基二极管D1和N阱与P衬底寄生二极管D2的直流测试包括正向和反向特性，对肖特基二极管射频结构的射频测试，是N阱端和金属端两端口扫描从负压到正压的一组电压，同时扫描一组频率，从而得到不同频率点上的高频参数。

另外本发明还提供了一种肖特基二极管等效电路模型的参数提取方法，包括如下步骤：

(1)利用所述单体肖特基二极管D1和N阱与P衬底寄生二极管D2的直流测试，根据在不同温度下的测试结果，确定单体肖特基二极管D1和N阱与P衬底寄生二极管D2相关的二极管直流模型参数。

通常在-40℃～150℃范围内取低温、常温、及高温状态的温度值分别测试，例如取-40℃、25℃、150℃时分别测试单体肖特基二极管D1和N阱与P衬底寄生二极管D2的直流电流与电压的测试结果，进而确定单体肖特基二极管D1和N阱与P衬底寄生二极管D2相关的二极管直流模型参数。

(2)利用基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，提取出肖特基二极管寄生电容与其偏压的关系，进一步微调并确定和肖特基二极管D1相关的寄生电容模型参数。

具体方法为：由零偏压下的寄生电容数值，可确定寄生电容模型参数Cj，Cj在物理意义上代表零偏压电容值。而根据二极管寄生电容与其偏压的关系曲线，可进一步微调并确定寄生电容模型参数mj和vj，mj在物理意义上代表关系曲线的斜率，vj在物理意义上代表电容电压关系的电压系数。

(3)利用基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，提取出肖特基二极管的射频品质因数，进而根据该射频品质因数确定电感L1和电感L2的参数。

具体方法为：基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，可得到肖特基二极管的射频品质因数与频率的关系曲线。电感L1和电感L2主要影响射频品质因数衰减为零时的频率数值，由此，可进一步微调并确定电感L1和电感L2的数值。

(4)利用基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，提取出肖特基二极管的高频寄生电阻，进而根据该肖特基二极管的高频寄生电阻确定电阻R1和电阻R2。

具体方法为：基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，可得到肖特基二极管的高频寄生电阻与频率的关系曲线。电阻R1和电阻R2主要影响高频寄生电阻的数值，由此，可进一步微调并确定电阻R1和电阻R2的数值。

(5)利用肖特基二极管的工艺参数确定硅衬底寄生电容C1、硅衬底寄生电容C2、布线介质寄生电容C3、硅衬底寄生电阻R3和硅衬底寄生电阻R4的值。

工艺条件首先包括：硅衬底的电阻率，介电常数和硅片厚度。利用以上参数以及常规电容( $C=\frac{\mathrm{\ϵA}}{D},$ C为电容，ε为介电常数，A为电容的有效面积，D为电容的有效厚度)与电阻( $R=\frac{\mathrm{\ρL}}{S},$ R为电阻，ρ为电阻率，S为电阻的有效面积，L为电阻的有效长度)的计算公式，可确定硅衬底寄生电容C1、硅衬底寄生电容C2，硅衬底寄生电阻R3和硅衬底寄生电阻R4的值。

由于目前硅的后道工艺为多层介质布线，所以，工艺条件还包括：每一层布线介质所对应的介电常数与介质厚度。利用以上参数以及常规电容与电阻的计算公式，可确定布线介质寄生电容C3的值。

(6)利用肖特基二极管等效电路模型对射频信号的正向传输效率S21的拟合程度来确定肖特基二极管寄生电容C4的值。

器件的射频参数主要是S参数，S参数包括四类特性，即：S11，S12，S22和S21。其中，S21在物理上代表射频信号的正向传输效率。C4的位置处于射频信号的正向传输路径上，因此，C4的数值对S21的影响很大。在等效电路的其他模型参数都已确定之后，根据C4的不同取值对器件S参数中S21特性的不同的拟合程度，即可确定C4最终合适的数值。

Claims (4)

1.一种肖特基二极管等效电路模型；其特征在于，包括：

N阱端和金属端之间依次串联电感L1、电阻R1、单体肖特基二极管D1、电阻R2、电感L2；

所述单体肖特基二极管D1两端并联一个肖特基二极管寄生电容C4；

所述的N阱端经过反向的N阱与P衬底寄生二极管D2及并联的硅衬底寄生电阻R3和硅衬底寄生电容C1与地连接；

所述的金属端经过布线介质寄生电容C3及并联的硅衬底寄生电阻R4和硅衬底寄生电容C2与地连接。

2.一种肖特基二极管等效电路模型的参数提取方法；其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用单体肖特基二极管D1和N阱与P衬底寄生二极管D2的直流测试，根据在-40℃～150℃之间不同温度下的测试结果，确定单体肖特基二极管D1和N阱与P衬底寄生二极管D2相关的二极管直流模型参数；

(2)利用基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，提取出肖特基二极管寄生电容与其偏压的关系，进一步微调并确定和肖特基二极管D1相关的寄生电容模型参数；

(3)利用基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，提取出肖特基二极管的射频品质因数，进而根据所述的射频品质因数确定电感L1和电感L2的参数；

(4)利用基于肖特基二极管射频结构的射频测试的结果，提取出肖特基二极管的高频寄生电阻，进而根据所述的肖特基二极管的高频寄生电 阻确定电阻R1和电阻R2；

(5)利用肖特基二极管的工艺参数确定硅衬底寄生电容C1、硅衬底寄生电容C2、布线介质寄生电容C3、硅衬底寄生电阻R3和硅衬底寄生电阻R4的值；

(6)利用肖特基二极管等效电路模型对射频信号的正向传输效率S21的拟合程度来确定肖特基二极管寄生电容C4的值。

3.根据权利要求2所述的肖特基二极管等效电路模型的参数提取方法，其特征在于，步骤(1)所述的不同温度是指在-40℃～150℃范围内分别取低温-40℃、常温25℃、及高温150℃状态的温度值。

4.根据权利要求2所述的肖特基二极管等效电路模型的参数提取方法，其特征在于，步骤(5)所述的工艺参数包括：硅衬底的电阻率，介电常数、硅片厚度、电容的有效面积、电阻率、电阻的有效面积、及电阻的有效长度。 

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