如何實現(xiàn)CMOS工藝集成肖特基二極管的設計

　　隨著射頻無線通信事業(yè)的發(fā)展和移動通訊技術的進步，射頻的性能與速度成為人們關注的重點，市場對其的需求也日益增多。目前，CMOS工藝是數(shù)字集成電路設計的主要工藝選擇，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，在設計中，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，產品的設計周期與上市時間的縮短都是依賴仿真精確預測電路性能的設計環(huán)境的功能。為了使設計環(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，在設計工具中非常重要，對于射頻與模擬技術，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用時間還補償，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特的優(yōu)勢，例如快速開關速度和低正向壓降。由于這些優(yōu)異的高頻性能，他們有被廣泛應用在開機檢測離子和微波網絡電路中。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)其設計，在標準CMOS工藝基礎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計及實現(xiàn)進行描述，并且基于成本考慮，該標準CMOS工藝基礎上肖特基二極管生產工藝不需要任何修改。所測量的結果也符合要求，在SPICE仿真模型中得到驗證。

　　近幾十年，因為CMOS技術的發(fā)展，也使得在制造射頻集成電路時，采用CMOS技術得以實現(xiàn)。但是，因為CMOS制造工藝通常是以數(shù)字電路作為導向。面向數(shù)字電路設計的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，在其基礎上，通過修改制程與添加掩膜層實現(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，如擴散電阻、多晶硅電阻及N阱電阻。但是，對于CMOS工藝而言，還應該涵蓋各種高頻無源器件，例如變容二極管、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)化目標是不同的，在進行改進的時候，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)定義為技術費米能級與真空能級間的能量差，表示一個起始能量與費米能級相等的電子由金屬內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度。和金屬類似，半導體的功函數(shù)也被定義為費米能級與真空能級間的能量差，因為半導體的費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帶或者價帶移向真空能級需要的平均能量。對于半導體來說，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，假設現(xiàn)有一塊n型半導體和一塊金屬，兩者具有相同的真空電子能級，假設半導體的功函數(shù)比金屬的功函數(shù)小，同時，假設半導體表面無表面態(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)，因為金屬的費米能級比半導體的費米能級低，因此半導體中的電子就會流向金屬，這樣金屬表面就會帶負點，半導體帶正電。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)，半導體和金屬的費米能級在同一水平上時，電子的凈流動不會出現(xiàn)。原來的費米能級的差異被二者之間的電勢差進行補償，半導體的費米能級下降。