集成电路中的元器件

第第3 3章章 集成电路中的元器件集成电路中的元器件第第3 3章章 集成电路中的元器件集成电路中的元器件 体管MOS晶体管 双极晶体管双极晶体管 集成电阻器集成电阻器 集成电容器 集成电感器集成电感器 集成电路中的互连线 集成电阻器集成电阻器集成电阻器集成电阻器 常的种电结构常的种电结构常常用用的的几几种电种电阻阻结构结构 电阻器的版图设计电阻器的版图设计 电阻器的寄生效应电阻器的寄生效应电阻器的寄生效应电阻器的寄生效应 与与MOSMOS工艺兼容的工艺兼容的3 3种电阻结构种电阻结构与与MOSMOS工艺兼容的工艺兼容的3 3种电阻结构种电阻结构 +或 +扩散电阻n+或p+扩散电阻 实现小电阻实现小电阻 多晶硅电阻多晶硅电阻多晶硅电阻多晶硅电阻 实现较小电阻或高阻电阻实现较小电阻或高阻电阻 N N阱电阻阱电阻N N阱电阻阱电阻 实现较大电阻实现较大电阻 双极电路中的基区电阻双极电路中的基区电阻双极电路中的基区电阻双极电路中的基区电阻 实现中等或较大电阻实现中等或较大电阻 双极电路中的基区沟道电阻双极电路中的基区沟道电阻双极电路中的基区沟道电阻双极电路中的基区沟道电阻 用小面积实现较大电阻用小面积实现较大电阻用小面积实现较大电阻用小面积实现较大电阻 电阻器的版图设计电阻器的版图设计电阻器的版图设计电阻器的版图设计 LL , = LL RRR TWWT = ? 电阻器的几种图形电阻器的几种图形电阻器的几种图形电阻器的几种图形 胖形电阻胖形电阻 瘦形电阻瘦形电阻瘦形电阻瘦形电阻 折叠电阻折叠电阻 电阻器版图尺寸的确定电阻器版图尺寸的确定 电阻图形宽度的选择：电阻图形宽度的选择： 电阻器版图尺寸的确定电阻器版图尺寸的确定 1) 版图设计规则的最小宽度 2) 功耗限制的最小宽度IP 2) 功耗限制的最小宽度 扩散电阻的电流容量：扩散电阻的电流容量： 6 maxmax 2 max W , 5 10 m IP P WR = ? R(/ ) 60 100 200 Imax (mA/m ) 0.28 0.22 0.16 多晶硅电阻的电流容量大：多晶硅电阻的电流容量大：Imax =6x105(A/cm2)=6mA/um 3)电阻允许误差的限制:3)电阻允许误差的限制: (), WRW LWW R WR ? R WR R 电阻端头和拐角的修正电阻端头和拐角的修正电阻端头和拐角的修正电阻端头和拐角的修正 L 12 j 2 L RRknk Wax =+ + ? 12 1.6a kk = ：端头修正拐角修正， L 考虑到杂质分布剖面，则 12 j 2 0.55 L RRknk Wx =+ + ? 提高电阻的比值精度提高电阻的比值精度提高电阻的比值精度提高电阻的比值精度 () () 12 12R RRR R RRR = () 1212 1122 R RRR RWRW RWRW + ? ()() () 1122 112212, RWRW RRRRWWW R R = = = ? ? () () 12 1212 11R R W R RWW 用标准电阻组合实现不同阻值用标准电阻组合实现不同阻值用标准电阻组合实现不同阻值用标准电阻组合实现不同阻值 电阻器的寄生效应电阻器的寄生效应电阻器的寄生效应电阻器的寄生效应 扩散电阻（阱区电阻）存在寄生的结电容扩散电阻（阱区电阻）存在寄生的pn结电容 多晶硅电阻存在寄生的氧化层电容 0 8m CMOS0 8m CMOS工艺中电阻器的性能参数工艺中电阻器的性能参数0 0. .8m8m CMOSCMOS工艺中电阻器的性能参数工艺中电阻器的性能参数 元件类型数值范围 /? 匹配精度 % 温度系数 10-6/C 电压系数 10-6/V /?%10 6/ C 10-6/V p扩散 电阻 80-1500.41500200 n扩散 电阻 50-800.41500200 Poly电阻20-400.41500100y电阻 nwell 电阻 1-2k8000200 电阻 第第3 3章章 集成电路中的元器件集成电路中的元器件第第3 3章章 集成电路中的元器件集成电路中的元器件 MOS晶体管晶体管 双极晶体管双极晶体管双极晶体管双极晶体管 集成电阻器集成电阻器 集成电容器集成电容器集成电容器集成电容器 集成电感器集成电感器 集成电路中的互连线集成电路中的互连线 集成电容器集成电容器集成电容器集成电容器 常用的种电容结构常用的种电容结构常用的常用的几几种电容结构种电容结构 电容器的版图设计电容器的版图设计 电容器的寄生效应电容器的寄生效应 几种电容结构几种电容结构几种电容结构几种电容结构 电容MOS电容 双层多晶硅（金属） 叠置电容叠置电容 阱区MOS电容阱区MOS电容 多层金属垂直电容和水平电容多层金属垂直电容和水平电容多层金属垂直电容和水平电容多层金属垂直电容和水平电容 电容器的版图设计电容器的版图设计电容器的版图设计电容器的版图设计 电容器的版图设计电容器的版图设计电容器的版图设计电容器的版图设计 电容器的寄生效应电容器的寄生效应电容器的寄生效应电容器的寄生效应 电容器的寄生效应电容器的寄生效应电容器的寄生效应电容器的寄生效应 0 8m CMOS0 8m CMOS工艺中电容器的性能参数工艺中电容器的性能参数0 0. .8m8m CMOSCMOS工艺中电容器的性能参数工艺中电容器的性能参数 元件类型数值范围匹配精度温度系数电压系数元件类型数值范围 fF/m2 匹配精度 % 温度系数 10-6/C 电压系数 10-6/V MOS电容2.2-2.70.055050 Poly/poly 电容 0.8-1.00.055050 M1Poly 电容 0.021- 0.025 1.5 M2M1 电容 0.021- 0.025 1.5 M3M20 0211 5M3M2 电容 0.021- 0.025 1.5 第第3 3章章 集成电路中的元器件集成电路中的元器件第第3 3章章 集成电路中的元器件集成电路中的元器件 MOS晶体管晶体管 双极晶体管双极晶体管双极晶体管双极晶体管 集成电阻器集成电阻器 集成电容器集成电容器集成电容器集成电容器 集成电感器集成电感器(不要求不要求) 集成电路中的互连线集成电路中的互连线 连线寄生效应的影响连线寄生效应的影响连线寄生效应的影响连线寄生效应的影响 连线存在着寄生电阻连线存在着寄生电阻电容电容连线存在着寄生电阻连线存在着寄生电阻、电容电容。 由于金属的电阻率是基本不变的由于金属的电阻率是基本不变的，这将导致这将导致由于金属的电阻率是基本不变的由于金属的电阻率是基本不变的，这将导致这将导致 按比例缩小后电路内连线的电阻增大。按比例缩小后电路内连线的电阻增大。 芯片面积增大使连线长度增加，连线芯片面积增大使连线长度增加，连线RC延迟延迟 影响加大影响加大。影响加大影响加大。 连线寄生效应对电路可靠性和速度带来影响。连线寄生效应对电路可靠性和速度带来影响。 连线的寄生电容连线的寄生电容连线的寄生电容连线的寄生电容 WL H C ox0 v = H 边缘效应和侧壁电容的影响边缘效应和侧壁电容的影响边缘效应和侧壁电容的影响边缘效应和侧壁电容的影响 W WS T T E E 硅衬底 H H T 硅衬底 硅衬底 TL S CWL H C oxox 0 m 0 v ,= SH () mvl 2CCkC+() 0 8m0 8m工艺连线寄生电容的典型值工艺连线寄生电容的典型值0 0. .8m8m工艺连线寄生电容的典型值工艺连线寄生电容的典型值 电容类型单位面积电容 （fF/m2） 单位周长电容 （fF/m） 金属1 衬底0 0300 044金属1-衬底0.0300.044 多晶硅-衬底0.0660.046 金属2-衬底0.0160.042 金属1 多晶硅0 0530 051金属1-多晶硅0.0530.051 金属2-多晶硅0.0210.045 金属2-金属10.0350.051 互连线寄生电容随特征尺寸减小的变化互连线寄生电容随特征尺寸减小的变化互连线寄生电容随特征尺寸减小的变化互连线寄生电容随特征尺寸减小的变化 特征尺寸减小线间电容增大特征尺寸减小线间电容增大特征尺寸减小线间电容增大特征尺寸减小线间电容增大 连线的寄生电阻连线的寄生电阻连线的寄生电阻连线的寄生电阻 连线电阻: R=RL/W,R=/T 接触孔电阻: c R co R wl 0 25um0 25um不同材料的薄层电阻不同材料的薄层电阻0 0. .25um25um不同材料的薄层电阻不同材料的薄层电阻 () 材料 ()? ? /R 材料 n阱或p阱1000-1500 n+，p+扩散区50-150 n+，p+扩散区加硅化物3-5n+，p+扩散区加硅化物3 5 n+，p+多晶硅150-200 多晶硅加硅化物n+，p+多晶硅加硅化物4-5 铝0.05-0.1 几种硅化物的性质几种硅化物的性质几种硅化物的性质几种硅化物的性质 材料熔点（）电阻率（ ）材料熔点（）电阻率（.cm） MoSi2198090 WSi2215070 TaSi222003545 2 CoSi213261820 TiSi154013 20TiSi215401320 n+Poly-Si600800 Al6602.7 互连线寄生效应的影响互连线寄生效应的影响互连线寄生效应的影响互连线寄生效应的影响 1、线间电容引起的串话1、线间电容引起的串话 M1 V m m M2 V CC C V + = ( )V67. 15 . 2 4080 80 2M = + =V 2 2、连线电阻的欧姆压降问题连线电阻的欧姆压降问题2 2、连线电阻的欧姆压降问题连线电阻的欧姆压降问题 DD VV V V 3 3、连线的连线的RCRC延迟问题延迟问题3 3、连线的连线的RCRC延迟问题延迟问题 d d outinout VVV C tR = () ( )1 e, t outDD VtVRC = 50% 0.69 90% 2.2 outDD outDD VVt VVt = = outDD 连线的分布连线的分布RCRC延迟模型延迟模型连线的分布连线的分布RCRC延迟模型延迟模型 ()() 11iiii i i VVVVV C tRR + = ， NCCi/= 1 / ii RRR N + = 1 i ii tRR + = Ni j N ij N iN RCCR 近似的近似的RC延迟模型延迟模型 () + = 2 1NN CR ii RC 2 1 = =ijj j i j i111 近似的近似的RC延迟模型延迟模型 2 2 分布分布RCRC模型与集总模型与集总RCRC模型的差别模型的差别分布分布RCRC模型与集总模型与集总RCRC模型的差别模型的差别 电压变化范围集总RC模型分布RC模型电压变化范围集总RC模型分布RC模型 0 50% (tpd) 0.69RC 0.38RC 0 63% () RC 0.5RC 10% 90% (t)2 2RC0 89RC10% 90% (tr) 2.2RC 0.89RC 用用SPICESPICE模拟的多晶硅线的传输延迟模拟的多晶硅线的传输延迟用用SPICESPICE模拟的多晶硅线的传输延迟模拟的多晶硅线的传输延迟 芯片面积增大引起的连线变化芯片面积增大引起的连线变化芯片面积