如何實(shí)現(xiàn)CMOS工藝集成肖特基二極管的設(shè)計(jì)

　　隨著射頻無線通信事業(yè)的發(fā)展和移動通訊技術(shù)的進(jìn)步，射頻的性能與速度成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，市場對其的需求也日益增多。目前，CMOS工藝是數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的主要工藝選擇，對于模擬與射頻集成電路來說，選擇的途徑有多種，例如Si雙極工藝、GaAs工藝、CMOS工藝等，在設(shè)計(jì)中，性能、價格是主要的參考依據(jù)。除此以外，工藝的成熟度及集成度也是重要的考慮范疇。

　　對于射頻集成電路而言，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期與上市時間的縮短都是依賴仿真精確預(yù)測電路性能的設(shè)計(jì)環(huán)境的功能。為了使設(shè)計(jì)環(huán)境體現(xiàn)出高效率，精確的器件模型與互聯(lián)模型是必須要具備的，在設(shè)計(jì)工具中非常重要，對于射頻與模擬技術(shù)，器件模型決定了仿真的精度。采用CMOS工藝，在射頻集成電路上的應(yīng)用時間還補(bǔ)償，也使得在一些模型方面還不完善。對于射頻CMOS集成電路而言，對其影響最大的是寄生參數(shù)，在低頻環(huán)境下，由于對這些寄生參數(shù)的忽視，往往使電路的高頻性能受到影響。肖特基二極管具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢，例如快速開關(guān)速度和低正向壓降。由于這些優(yōu)異的高頻性能，他們有被廣泛應(yīng)用在開機(jī)檢測離子和微波網(wǎng)絡(luò)電路中。肖特基二極管通常制作的款式包括n型或p型半導(dǎo)體金屬材料，如砷GaAs和SiC.正向偏置的肖特基二極管的性能是由多數(shù)載流子器件，少數(shù)載流子主要是確定這些p型或n型二極管的屬性。為了改善高頻性能和集成電路的電源電壓減小到現(xiàn)代集成電路，集成的肖特基二極管是很重要的。但可以用于集成肖特基二極管的過程常常是沒有現(xiàn)成的，不能和CMOS電路單片集成。以往根據(jù)其設(shè)計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝基礎(chǔ)上制造出肖特基二極管。在本文中，主要針對集成肖特基二極管的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行描述，并且基于成本考慮，該標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝基礎(chǔ)上肖特基二極管生產(chǎn)工藝不需要任何修改。所測量的結(jié)果也符合要求，在SPICE仿真模型中得到驗(yàn)證。

　　近幾十年，因?yàn)镃MOS技術(shù)的發(fā)展，也使得在制造射頻集成電路時，采用CMOS技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。但是，因?yàn)镃MOS制造工藝通常是以數(shù)字電路作為導(dǎo)向。面向數(shù)字電路設(shè)計(jì)的CMOS首先由芯片代工廠研發(fā)出來，注重功率耗散與時速。在數(shù)字CMOS工藝快速發(fā)展成熟以后，在其基礎(chǔ)上，通過修改制程與添加掩膜層實(shí)現(xiàn)信號的混合及模擬射頻CMOS工藝。傳統(tǒng) CMOS工藝包含BJTs、MOSFETs以及各種電阻，如擴(kuò)散電阻、多晶硅電阻及N阱電阻。但是，對于CMOS工藝而言，還應(yīng)該涵蓋各種高頻無源器件，例如變?nèi)荻O管、MIM電容、高Q值電桿及變壓器等。同樣，作為肖特基二極管來說，也是CMOS工藝技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。例如，需要額外高能離子注入形成深注入N阱降低程度耦合與噪聲系數(shù)。需要注意的是，盡管射頻CMOS工藝是基于數(shù)字CMOS工藝而來，但其不僅僅是添加幾層掩膜來實(shí)現(xiàn)高頻無源器件，對于器件的性能而言，射頻工藝與數(shù)字工藝的優(yōu)化目標(biāo)是不同的，在進(jìn)行改進(jìn)的時候，也有可能與傳統(tǒng)的CMOS工藝發(fā)生沖突。

　　之所以金屬半導(dǎo)體能夠形成對壘，主要原因是由于不同的功函數(shù)引起的。將金屬的功函數(shù)定義為技術(shù)費(fèi)米能級與真空能級間的能量差，表示一個起始能量與費(fèi)米能級相等的電子由金屬內(nèi)部移向真空中所需要的最小能量。該能量需要克服金屬晶格與被拉電子與其它電子間的作用，還有一個作用是用來克服金屬表面存在的偶極矩。因此，功函數(shù)的大小在一定程度上可以表述電子在金屬中被束縛的強(qiáng)度。和金屬類似，半導(dǎo)體的功函數(shù)也被定義為費(fèi)米能級與真空能級間的能量差，因?yàn)榘雽?dǎo)體的費(fèi)米能級通常處于禁帶中，禁帶中一般沒有電子，因此該功函數(shù)的定義就可以看做是將電子帶導(dǎo)帶或者價帶移向真空能級需要的平均能量。對于半導(dǎo)體來說，還有一個很重要的參數(shù)，就是電子親和能，表示板代替導(dǎo)帶底的電子向外逸出所需要的最小能量。對于肖特基勢壘的形成而言，假設(shè)現(xiàn)有一塊n型半導(dǎo)體和一塊金屬，兩者具有相同的真空電子能級，假設(shè)半導(dǎo)體的功函數(shù)比金屬的功函數(shù)小，同時，假設(shè)半導(dǎo)體表面無表面態(tài)，那么其能帶到表面都是平直的。此時，兩者就形成一個統(tǒng)一的電子系統(tǒng)，因?yàn)榻饘俚馁M(fèi)米能級比半導(dǎo)體的費(fèi)米能級低，因此半導(dǎo)體中的電子就會流向金屬，這樣金屬表面就會帶負(fù)點(diǎn)，半導(dǎo)體帶正電。所帶電荷在數(shù)值上是等同的，因此對于整個系統(tǒng)來說，還是保持電中性，從而提高了半導(dǎo)體的電勢，降低了金屬的電勢。如果電勢發(fā)生變化，所有的電子能級及表面電子能級都會隨之變化，使之趨于平衡狀態(tài)，半導(dǎo)體和金屬的費(fèi)米能級在同一水平上時，電子的凈流動不會出現(xiàn)。原來的費(fèi)米能級的差異被二者之間的電勢差進(jìn)行補(bǔ)償，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級下降。