TSMC0-國研院晶片中心.docVIP

0.25um CMOS MIM Capacitor and Varactor testkey design IC 編號：M25-90A-14 指導教授：周復芳 交通大學電信工程研究所教授 電話：03-5712121 ext.54545 傳真：03-5710116 E-mail:christ@.tw 設計者：鄭光偉、 電話：03-5712121 ext.54591 傳真：03-5710116E-mail:cliffcgw@.tw 一、摘要 本次下線製作的testkey，改良原先TSMC提供的架構，並且增加新型閘極可變電容，以及差動可變電容，並和傳統的p-n接面可變電容做比較，並藉由元件量測建立RF model運用在VCO電路設計。 MIM電容的高頻效應會影響模型的準確性，另外為了配合佈局，可能會用到大電容或細電容，這些在本次下線皆有作量測，供建立準確實用的MIM電容模型。 關鍵字：閘極可變電容、、p-n、、 計劃緣由與目的 目前個人無線通訊系統發展日益增加，舉凡手機應用GSM 900MHz 與1800MHz的工作頻率，藍芽Bluetooth和無線區域網路WLNA IEEE802.11b 操作在2.4GHz的頻段，以往使用傳統CMOS製程的元件模型，也將因為工作在高頻產生而外的基板損耗以及寄生電容電感等效應，使得在設計電路時模型的準確度降低，因此需要再額外製作元件在高頻操作下的RF model。 TSMC 0.25um CMOS已經建立出主動被動元件的RF model，但是在可變電容部分只建立一組，調變範圍在7pF至25pF之間，以設計一個2.4GHz頻率的壓控震盪器來看，在採用LC做為共振腔時，電感值使用約在1~5nH，而可變電容值約在0.5~5pF之間，因此TSMC提供的可變電容值明顯的過大不敷使用，因此這次下線製作適用的可變電容，並進一步建立等效RF model，提高在CMOS製程上設計高頻電路的可行性。 在MIM電容部分只有25x25um、、、、、 3.1設計原理與方法 此次設計四種形式可變電容： (1)Accumulation-mode Varactor 結構同TSMC提供的型式(圖一)，並且改良縮小widtht長度減少高頻turn on時間圖二。 (2)Gated Varactor 依據論文[2]形式設計，屬於三端元件，電容 值由gate capacitance，the junction capacitance和 parasitic capacitance組成，特性High capacitance per unit area of 2.875 fF/um 2，Tuning range ±53%。 (3)Differential MOS varactor 依據論文[3]形式設計，特性High tuning range 42%，缺少central n+ 產生產生較小的 accumulation layer串聯電阻。 (4)P-N junction varactor 傳統接面可變電容，和以上三種結構的可變電容作比較驗證用。 MIM電容由小到大有10x10um到200x200um，細長形MIM電容有25x10um到200x10um，及底部加NWELL隔絕外部基板的MIM電容由10x10um 到200x200um。 3.2佈局 改變TSMC layout結構製圖，在PAD方面是採用Pitch 200um GSG 共平面的架構,並且另外有Layout一組OPEN PAD提供De-embed，因為Pad的雜散電容效應在高頻時會影響量測結果,因此需要將空Pad轉成Y參數再將其扣掉. 3.3測試 測試方面由NDL高頻元件量測實驗室中的20 GHz件元高頻 S 參數量測系統。 四、實測結果 目前完成Accumulation-mode Varactor S參數量測見(圖三)，轉化成等效電路見(圖二)，並求取出，串聯等效電容(圖四)和串聯等效電阻(圖五)，算出Q值(圖六)，調變電容值範圍0.07~0.15pF，Q值在30附近。 MIM電容的量測見(圖七)。 五、結論與討論 由量測結果可得知設計的可變電容值turning range為36.36%，但是在等效電阻部分，偏壓在deplection regiong時明顯增加，使得Q值在降到30以下，而可調電容值小於1pF，這是單個varactor cell 所量測到的數值，如果要應用更高電容值的話可以直接並聯cell起來，電容值可以等倍增加，未來應用在高頻電路上面可直接引入S parameter進行模擬