第5章集成电路元器件及其SPICE模型.

集成电路设计技术与工具第五章集成电路元器件及其SPICE模型基本要求掌握集成电阻、集成电容和集成电感等无源器件的SPICE模型，掌握二极管的电路模型和噪声模型，掌握双极型晶体管EM模型和GP模型，掌握MOS场效应晶体管的MOS1模型和BSIM模型，了解模型参数的提取方法和基本原理内容提要5.1引言5.2集成无源元件及其SPICE模型5.3二极管及其SPICE模型5.4双极型晶体管及其SPICE模型5.5MOS场效应晶体管及其SPICE模型5.6模型参数提取技术5.7本章小结5.1引言从电路的观点来看，集成电路可以认为是由元器件组成的。所谓元件（Element）是电阻、电容和电感等结构简单，性能可用一个简单方程描述的单元。而器件（Device）是晶体管类结构相对复杂，性能要用多个方程才能描述的单元。从某种意义上说，器件可以由多个元件构成。器件可以由多个元件构成。在设计电路的时候需要非常准确地预测出电路的性能。为了做到这一点，需要对电路尽可能地进行精确的性能分析（Analysis）。因为集成电路元器件无法用实物构建，必须首先建立器件模型，然后对用这些元器件模型所设计的集成电路进行以分析计算为基础的电路仿真（Simulation）。在集成电路的晶体管级仿真方面，SPICE是主要的电路仿真程序，并已成为工业标准。因此，集成电路设计工程师，特别是模拟和数字混合信号集成电路设计工程师必须掌握SPICE的应用。本章首先讨论集成元器件的SPICE等效电路模型和模型的主要参数。5.2集成无源器件及其SPICE模型集成电路元器件可以分为无源和有源两类。无源元件包括电阻、电容、电感、互连线、传输线等，有源器件就是各类晶体管。前面的章节已经介绍了在集成电路设计中起着决定性作用的有源器件的工作原理和制造工艺。事实上，利用这些工艺，可以同时实现大部分结构的无源元器件。下面将对电阻、电容和电感等基本无源元器件的集成实现形式及其数学描述加以介绍。一、集成电阻SPICE程序中有专用的语句定义电阻元件R，其主要参数为：电阻值R0和电阻温度系数。高频应用时，电阻等效模型还需要考虑其寄生电容和寄生电感值。下面首先介绍集成电阻的制造方法，然后讨论其版图几何图形设计、阻值计算、温度系数以及高频等效电路模型。与标准集成电路工艺技术兼容的制造电阻的方法很多，但阻值和精度不同。常见的集成电阻有：多晶硅电阻、掺杂半导体电阻、N阱（或P阱）电阻、和合金电阻等。集成电阻的类型1）多晶硅电阻与CMOS，BiCMOS等硅基集成电路的制造工艺兼容。被厚道氧化物包围，其阻值取决于掺杂浓度。MOS柵极的多晶硅：重掺杂；多晶硅电阻：轻掺杂。掺杂半导体具有电阻特性，且不同的掺杂浓度具有不同的电阻率。根据掺杂方式：扩散电阻和离子注入电阻。扩散电阻是指对半导体进行热扩散掺杂而形成的电阻：工艺简单（优点）；精度差（缺点）。离子注入电阻结构与扩散电阻类似，精度高。2）掺杂半导体电阻引出端1引出端2+V金属wLN+N-SiSiO2P扩散电阻结构示意图集成电阻的类型3）阱电阻阱电阻有N阱或P阱电阻两种。阱电阻的阻值大但精度差。4）合金电阻常用的合金材料有：钽（Ta）、镍铬（Ni-Cr）、氧化锌（SnO2）和铬硅氧（CrSiO）。具有较低的温度系数和较大的电流承载能力，且精度较高。集成电阻的几何图形设计1）几何形状b直线宽条电阻c弯折窄条电阻a直线窄条电阻e分段弯折宽条电阻d弯折宽条电阻选择电阻形状的依据：一般电阻采用窄条结构，精度要求高的采用宽条结构；小电阻采用直条形，大电阻采用折线形。在光刻工艺加工过程中，由于过于细长的条状图形容易引起变形，同时考虑到版图布局等因素，对于高阻值的电阻通常采用弯折形的几何图案结构。由于在拐角处的电流密度不均匀将产生误差，所以，高精度电阻也常采用长条电阻串联的形式。2）几何尺寸设计在电阻的制作过程中，由加工引起的误差，如制版和光刻过程中的图形宽度误差等，会使电阻的实际尺寸偏离设计尺寸，导致电阻值的误差。电阻条图形的宽度w越宽，相对误差△w/w就越小，反之则越大。与宽度相比，长度的相对误差△l/l则可忽略。因此，对于有精度要求的电阻，其宽度选择不仅要考虑能够承受的电流外，还要考虑精度要求。集成电阻的阻值计算为了便于计算集成电阻的阻值，人们引入了方块电阻的概念。电流方向lwh图5.3方块电阻的几何图形hwlRhRRwl1口wlRR口表5.10.5~1.0mMOS工艺中导电层材料的典型方块电阻值（单位:Ω/口）材料最小值典型值最大值互连金属0.050.070.1顶层金属0.030.040.05多晶硅152030硅-金属氧化物236扩散层1025100硅氧化物扩散2410N阱（或P阱）1k2k5k不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子电阻温度系数电阻温度系数TC是指温度每升高1℃时，阻值相对变化量。TRRTCdd12nomnomtnom211）－（＋－＋ttTCttTCRR在SPICE程序中，考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为集成电阻的高频双端口等效电路C2CpRLC1L为电阻引线与电阻条的电感，Cp为反映两电极之间电场耦合的电容，C1和C2为两电极对地电容。P-subN型外延层N+PnSabbanSRbanSRCsubCb2Cb2（a）物理结构剖面图（b）等效的器件级模型（c）等效的集总参数模型图5.6基区电阻等效模型有源电阻除了薄层集成电阻外，工作在特定偏置条件下并作适当连接的晶体管表现出电阻特性，可用作电路中的电阻元件，并称之为有源电阻。DVSGIIDSVTNVVGSIO+-IDSVTPVVGSIODSG+-IV增强型NMOS作有源电阻增强型PMOS作有源电阻DSVBIDSVVGSIOoRonrdsVTNVDSG栅极加偏置的NMOS有源电阻及其电流-电压曲线直流电阻vs.交流电阻DSVBGDSGDSGDSVBGGDS几种MOS有源电阻的连接形式二、集成电容器在集成电路中，有多种电容结构：1）金属-绝缘体-金属（MIM）结构；2）多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构；3）金属叉指结构4）PN结电容；5）MOS电容。这些结构的电容可以是有意设计的电容元件，也可能是不可避免的寄生电容。平板电容SPICE程序中定义的电容元件C是以平板电容为标准的，主要参数为：电容值C0、电容温度系数与高频寄生参数。集成电路中可以采用多种材料结构的平板电容。最标准的是金属-绝缘体-金属（MIM）结构，其他包括金属-绝缘体-多晶硅结构和金属-绝缘体-重掺杂半导体结构等。制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构dlwCor平板电容计算公式：单位面积电容的定义：dCoxorSPICE程序中，考虑温度系数时的电容计算式：2nomnom211ttTCttTCACCox大多数硅氮氧化物的相对介质常数在3.5~6.5之间。MIM结构的单位面积电容值通常为pF或fF数量级。C2CRLC1G电容高频等效模型对于MIM电容，它的下极板寄生电容值为主电容值的1/10；而对于多晶硅-扩散电容，其下极板寄生电容和主电容为同一数量级。任何电容仅在低于f0的频率上才会起电容作用。经验准则是让电容工作在f0/3以下。金属叉指结构电容优点：不需要额外的工艺。特征尺寸急剧降低，金属线条的宽度和厚度之比大大减小，叉指的侧面电容占主导地位。PN结电容利用PN结电容的优点也是不需要额外的工艺，但所实现的电容有一个极性问题。所有的PN结电容都是非线性的，电容值是两端电压的函数。在大信号线性放大器中，PN结电容的非线性会引起电路的非线性失真。任何PN结都有漏电流和从结面到金属连线的体电阻，因而，结电容的品质因数通常比较低。结电容的参数可以采用二极管和晶体管结电容同样的方法进行计算，其SPICE模型直接运用相关二极管或三极管器件的模型。MOS结构电容MOS结构电容的SPICE模型就直接运用MOS器件的模型。与平板电容和PN结电容都不相同的是，MOS核心部分，即金属-氧化物-半导体层结构的电容具有独特的性质，其栅极与衬底之间的电容Cgb与栅极电压Vgb之间的关系取决于半导体表面的状态。随着栅极电压的变化，表面可处于积累区耗尽区反型区沟道沟道耗尽层P型衬底++++++GGCoCdeptoxdVssVss1.00.2耗尽区积累区反型区VgsCgbCo0（a）物理结构（b）电容与Vgs的函数关系三、集成电感在集成电路开始出现以后很长一段时间内，人们一直认为电感是不能集成在芯片上的。因为那时集成电路工作的最高频率在兆赫量级，芯片上金属线的电感效应非常小。现在的情况就不同了，首先，近二十年来集成电路的速度越来越高，射频集成电路（RFIC）已经有了很大的发展，芯片上金属结构的电感效应变得越来越明显。芯片电感的实现成为可能。单匝线圈电感版图）（pH]2)/8[ln(26.1waaLa，w取微米单位集总电感多匝线圈的实物照片GaAs和InP等半绝缘体上的电感的高频模型与集成电阻的模型类似。传输线电感获得单端口电感的另一种方法是使用长度ll/4λ波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在l/4λll/2λ范围内的开路传输线。ltgjZlZ0)(0000'/422tanh'tan'2'/lZZLllZlc双端口电感与键合线电感短路负载：0ZjZctgl开路负载：Z0——特征阻抗c0——光速——传播相位——工作频率当ll/4λ时，l’=l当l/4λll/2λ时，l’=l-l/4λ四、分布参数元件集总元件和分布元件随着工作频率的增加，一些诸如互连线的IC元件的尺寸变得很大，以致它们可以与传输信号的波长相比。这时，集总元件模型就不能有效地描述那些大尺寸元件的性能，应该定义为分布元件。微带线覆盖钝化膜的微带线微带线的剖面01/2,40rwh传输TEM波微带线设计416608ln1412012.420.441reffLreffh•微带线设计需要的主要电参数阻抗、衰减、无载Q、波长、迟延常数。•微带线阻抗计算•微带线衰减α：导线损耗和介质损耗•形成微带线的基本条件：介质衬底的背面完全被低欧姆金属覆盖并接地，使行波的电场主要集中在微带线下面的介质中。共面波导(CPWCPW的阻抗)CPW传输TEM波的条件)40/(2/10rdCPW的阻抗2120ln20.17301/ln20.171/reffLreffdwwdZwdwdwdCPW的优缺点CPW的优点1）工艺简单，费用低，因为所有接地线均在上表面而不需接触孔。2）在相邻的CPW之间有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。3）比金属孔有更低的接地电感。4）低的阻抗和速度色散。CPW的缺点1）衰减相对高一些，在50GHz时，CPW的衰减是0.5dB/mm;2）由于厚的介质层，导热能力差，不利于大功率放大器的实现。5.3二极管及其SPICE模型PN结是微电子器件的基本结构之一，集成电路和半导体器件的大多数特性都是PN结相互作用的结果。如果通过某种方法使半导体中一部分区域为P型，另一部分区域为N型，则在其交界面就形成了PN结。一般的二极管就是由一个PN结构成的，以PN结构成的二极管的最基本的电学行为是具有单向导电性，这在实际中有非常大的用处。二极管等效电路模型IDRSCjCdVVD+-+_Cj和Cd分别代表PN结的势垒电容和扩散电容。RS代表从外电极到结的路径上通常是半导体材料的电阻，称之为体电阻。SDDRIVV1DSDtVnVIIeqkTVtAJISSm0Dj0j1VVCCtTTVnIdVdIdVdQCDDDDdττ参数名公式中符号SPICE中符