模拟集成电路版图基础ppt课件

1、Module 3 模拟集成电路幅员根底Lab3-1 CMOS 无源器件构造与幅员 知识单元： 1、电阻 2、电容 3、电阻和电容画法实例一、电阻：一、电阻：1、方块电阻、方块电阻方块电阻丈量方法：用poly 来做一个电阻，先做一个正方形，长，宽相等。经过在其两端加电压，丈量电流的方法，可以得到它的阻值。电阻衔接：假设最后所得结果是200ohms。接下来把这2 块用金属线连在一同，那么可以得到400ohms 加上连线阻值的丈量结果。一切资料都有阻值，金属也不例外，因此电阻的和会比400ohms 大一些。方块电阻方块电阻直接衔接：假设把这2 块直接连在一同，那么可以丈量得到阻值正好是400ohms

2、。电阻并联：会到达什么结果呢？200ohms。把四个200ohms 的方块组合成一个更大的方块，可以同样得到200ohms 的电阻值。可以把这个方块越做越大，但最终测得电阻值将一直为200ohms。对于不同大小的方块来说，阻值是一样的。由此可以用每方块多少电阻来讨论电阻大小200ohms/squares。只思索方块数，一切一样资料的方块有一样的电阻值。Poly 电阻：根本poly 电阻幅员poly 电阻表现方式：电阻表现方式：它的电阻可以从资料的宽度和它的电阻可以从资料的宽度和2 个引线孔之间的间隔来计算得到，这一部分个引线孔之间的间隔来计算得到，这一部分电阻称为体电阻，右图。电阻称为体电阻，

3、右图。电阻制造原那么：电阻制造原那么：实践上，电阻大小不确定性非常高，因此最终做出来的电阻大小不能够是完实践上，电阻大小不确定性非常高，因此最终做出来的电阻大小不能够是完全和全和CAD软件中所设计的大小一样，这里引入一个软件中所设计的大小一样，这里引入一个delta 的概念，称为偏向的概念，称为偏向补偿。在实践运用中，应该把电阻的宽度尽量做大，长度做长，这样补偿。在实践运用中，应该把电阻的宽度尽量做大，长度做长，这样delta 的影响就会很小。的影响就会很小。普通来说，长度取不小于普通来说，长度取不小于10um，宽度取不小于，宽度取不小于5um。这些措施可以获得更。这些措施可以获得更好的精度和

4、匹配。假设要获得更高的精度，可以把电阻作得更宽更长，由于好的精度和匹配。假设要获得更高的精度，可以把电阻作得更宽更长，由于delta 值是不变的，相应的它们的影响就变小了。值是不变的，相应的它们的影响就变小了。II、电阻的其他选项 高阻值低精度： 在有些设计中，能够会需求很大的电阻值，假设对它的精度并不是很介意，允许有15%左右的变化。那么也可以把电阻的宽度做到比引线孔的宽度还要小，这种电阻的外形非常象狗骨头。在高阻值，精度没有特殊要求的情况下，可以运用这种构造。蛇形电阻蛇形电阻 蛇形电阻的体电阻的计算： 有一些新的规定，每一个拐角计半个方块，由于电流流过拐角的时候它的实践通路如以下图图1-9

5、、1-10所示。低阻值高精度电阻的原那么低阻值高精度电阻的原那么 假设想要得到一个阻值极低的电阻，而精度要求假设想要得到一个阻值极低的电阻，而精度要求很高，可以选择用金属来做。大的面积将有助于很高，可以选择用金属来做。大的面积将有助于减少减少delta 的影响，从而保证精度。的影响，从而保证精度。3其他类型电阻 N+电阻： 无需增添任何新的掩模版或层，只是用原先已有的其他层来替代poly，就可以获得很多种电阻类型。 P+电阻： 普通来说是做在nwell 中，因此必需添加第三个的端点衔接nwell，而且必需衔接到最正的电平，普通来说是vdd。这样可以防止寄生PN 结的影响。直接直接nwell电阻

6、电阻 直接nwell电阻： 只不过需求2 个N+作为电阻头。 对于较大的阻值的电阻可用nwell 来做。 Nwell 掺杂低，经过光照，电阻值会降低，呈现不稳定的景象。 处置方法：在nwell 上覆盖金属，并将其电位接到电源电压上，假设无法接到电源电压时，可将其接到电阻两端较高电位端。 在nwell 电阻周围加电源电压，以降低电压系数。当well 电阻要接到pad，那么必需于外围环绕pseudo collector，电位接到地，以防止其对其他的电路呵斥latch-up。分散电阻与分散电阻与Poly电阻对比电阻对比 运用工艺中已有的层来做电阻，做一些较小的修正就可以得到所需求的方块电阻。分散电阻

7、和Poly 电阻的一样，也要思索delta 效应的影响。分散电阻是做在衬底上的，因此在边缘变化比较大，工艺上不那么好控制。而且在做的时候必需留意第三个端点的衔接。 Poly 电阻是由淀积在衬底外表上的多晶硅构成，其寄生电容最小且厚度准确，且长宽等都可以得到很好的控制。因此在能够的条件下，尽量选择poly 电阻。各种电阻的典型值各种电阻的典型值二、电容：电容根本原理二、电容：电容根本原理 电容电容: 是一个有才干存储一定量电荷一定数量的电子的器件。是一个有才干存储一定量电荷一定数量的电子的器件。 电容存储电荷的才干称为容性。电容存储电荷的才干称为容性。 它的丈量单位是法拉。它的丈量单位是法拉。

8、电容是由一个称为电介质的绝缘资料分隔两个导电薄片构电容是由一个称为电介质的绝缘资料分隔两个导电薄片构成的。电荷存储在电介质上。成的。电荷存储在电介质上。 电容的值的决议要素：电容的值的决议要素： 绝缘体的厚度、绝缘体的厚度、 绝缘体的质量用电介质常数来量度、绝缘体的质量用电介质常数来量度、 两个薄片相互覆盖的面积来决议。两个薄片相互覆盖的面积来决议。阱电容阱电容 在场效应管的栅极和衬底之间，存在寄生电容。称之为恶性寄生。但是，假设正好需求电容，这个寄生是需求的。金属电容金属电容 分散电容缺陷： 传送噪声：分散电容在PN 结上会有一个寄生电容。任何输入到分散电容底部平行板上的信号将会自动耦合到衬

9、底上。在电路设计中有些情况，需求一个电容器阻断直流信号，但是允许交流信号传输到下个电路块。 金属电容 大多数信号电容会由金属制成。这可以消除PN 结，可以消除寄生二极管带来的电容。电容依赖性也将得到消除。金属电容金属电容为了保证上部平行板和下部平行板没有短接，几乎一切的IC 工艺都有一个非常厚的金属介质层。由于添加了厚度，等式中的电容常数将会有点不同。除此之外，金属电容和分散电容的公式完全一样，虽然有非常厚的电介质。由于金属之间通常坚持的非常远，为了得到和分散电容一样的电容值，金属电容面积必需非常大。金属-金属电容比分散电容占用更大的面积。多层金属：多层金属可以制造所谓的层叠电容。多层金属像一

10、叠饼一样在彼此的上面层叠起来，每两层之间都有电容，直到最上层。一片金属被连成手指形与另一片金属的手指交叉。现实上，交叉金属可以在单位芯片面积上得到更大的电容。POLY 电容 POLY 电容是最正确的选择: 它不仅具有寄生效应小 与偏置电压无关 低的温度系数 单位面积的电容值很高。 在制造固定面积金属电容中，交叉金属来得到更大电容的方法同样可以用在POLY 电容中，我们笼统的称之为“三明治电容几种集成电容的比较几种集成电容的比较电阻电容画法实例电阻电容画法实例: 电阻画法实例电阻画法实例 如今以1.5K 和250的Poly 电阻为例，引见一下电阻的画法。 首先查到Poly 的方块电阻值为25/

11、先做一个电阻单元，Poly 宽为2u,长为40u,两端经过引线孔用金属引出。此电阻阻值为500。电阻画法实例电阻画法实例 要得到1.5K 的电阻，只需求把3 个单元电阻串联起来，就得到所需阻值的电阻，如图1-19所示。电阻画法实例电阻画法实例 把两个500的电阻单元并联起来，就得到了所需的250的电阻，如图1-20 所示电容画法实例电容画法实例 以1pF poly 电容为例: 先画底层Poly1，做电容的下级板，如图1-21 所示; 然后在Poly1上覆盖一层Poly2，做电容的上极板，如图1-22 所示。l接着在Poly1 和Poly2 上加上金属通孔，如图1-23，1-24 所示。l最后，

12、在整个电容幅员上加上一层CAP 层，做为标识层用，整个电容的幅员如图1-25 所示。Lab3-2 CMOS 有源器件构造与幅员 知识单元： 1、特殊MOS 构造与幅员画法 2、三级管构造与幅员画法特殊特殊MOS 构造与幅员画法构造与幅员画法 Bend-gate-MOSLONG LENGTH MOS 特点：倒比管，LW，常用来做电阻，如图2-3 所示CLOSED GATE TRANSISTOR 特点： 可以提高开关速度及频率呼应，漏端寄生电容小，如下图。三级管构造与幅员画法三级管构造与幅员画法 1三极管原理三极管原理 三极管可分类：三极管可分类：NPN 和和PNP。 由两个由两个PN构呵斥构呵斥

13、 PN结根底 在PN 结两端加正偏压，就会产生由P 向N 的电流，PN 结导通，思索载流子的话，就是电子由N 向P，空穴由P 向N。 假设在PN 结加反偏压，就会在PN 结产生一个势垒，没有电流流过，也就是PN 结截止。2、垂直NPN 垂直NPN 管 和一样程度工艺相比较，基极面积很小，从而就会有比较高的速度。 NPN 的P 区这是在工艺中控制的，因此要更方便容易一些。 横向NPN 管 NPN 做成横向的构造，由于P 区必需求经过引线孔才干把信号接出来，由于设计规那么的限制，P 区面积不能够做到最小，这就完全毁掉了他的优点。因此，对于NPN 来说一定是垂直器件。横向横向PNP 管管 PNP 和

14、NPN 是互补的，其符号如图2-9 所示。 普通来说，PNP 管没有方法做成和NPN 一样的垂直构造，横向PNP 是最为常见的。 它的幅员图2-10会发现有2 个环。 对于PNP 的基极来说，寄生电阻的影响也比较大，因此有些工艺中采用分散N 掺杂来取代离子注入的工艺，从而获得较低的电阻。Lab 3-3 模拟幅员寄生效应 知识单元： 1、电容和电阻的公式； 2、寄生电阻； 3、寄生电容。 集成电路是由很多层组成的，比如poly 层，nwell 层，metal1 层，metal2 层等等。当布线的时候，metal2 层能够会从metal1 层上经过，这时metal1 和metal2 就会构成一个寄

15、生电容。 同样的，MOS 是在衬底上制造出来的，也会构成寄生电容。我们甚至可以说，寄生电容无所不在。同样的，由于资料都具有电阻率，因此寄生电阻和寄生电容一样，是必需面对的问题。当电路要求高频、低功耗、低噪声的时候，如何减少寄生电容和寄生电阻将会是设计师面临的挑战。电容和电阻的公式电容和电阻的公式 两块平行金属板构成的电容相关公式如下：二、寄生电容二、寄生电容 在集成电路板图中，寄生电容无处不在。我们无法消除它的影响。 假设忽略它，将会给电路呵斥一些费事，能够对普通电路没有多少影响，但对于追求高频率，高速度的今天，忽略就意味着将呵斥损失。 寄生电容普通可分为与衬底有关的寄生电容、层与层间的寄生电

16、容、MOS 器件中的寄生电容。与衬底有关的寄生电容与衬底有关的寄生电容 CMOS 电路制造在衬底上，因此无法消除这种与衬底有关的寄生电容。这种寄生电容能够带来很大的费事。 由于寄生电容的存在，衬底上总是存在杂乱无章的噪声。它们会沿着衬底，传到衬底的每个角落，对需求低噪声的电路产生灾难性的影响。 噪声严重的circuit1，由于寄生电容的存在，将噪声传到了要求低噪声的circuit2，从而影响了circuit2 的任务。为了防止这种情况的发生，可以采用guard ring 的构造。 与衬底有关的寄生电容中最值得留意的是金属连线和衬底间的寄生电容。 减少金属和衬底间寄生电容的影响的措施 一种方法是

17、尽量减小金属连线的长度。假设控制金属连线的长度，金属连线和衬底之间的相交面积就会减少。 另一种方法是取决于工艺，尽能够的采用顶层金属来作为连线。从上面电容公式中可以看出，寄生电容的大小与极板的间隔是成反比的。由于顶层的金属和衬底间的氧化层厚度是最大的，因此顶层金属和衬底间的寄生电容是最小的。层与层间的寄生电容层与层间的寄生电容寄生包括：寄生包括：层对衬底构成寄生，层与层之间，层与层的侧面之间等等。层对衬底构成寄生，层与层之间，层与层的侧面之间等等。在在ASIC 设计中，会用到自动规划布线工具，有些金属连线经常直接设计中，会用到自动规划布线工具，有些金属连线经常直接从某个功能块上经过，如图从某个

18、功能块上经过，如图3-3 所示。这是由于，数字集成电路为了所示。这是由于，数字集成电路为了节约芯片面积，减少流片本钱，而不得已为之。节约芯片面积，减少流片本钱，而不得已为之。在模拟集成电路中：在模拟集成电路中：经常需求把敏感的信号线相互隔分开来，使它们不会相互影响。经常需求把敏感的信号线相互隔分开来，使它们不会相互影响。所以为了减少寄生对电路的干扰，就需求在作幅员时，最好不要四处所以为了减少寄生对电路的干扰，就需求在作幅员时，最好不要四处布线，杂乱无章。布线，杂乱无章。也尽量防止从也尽量防止从MOS(或重要电路或重要电路)上过线，尽量从电路的周围绕道而行，上过线，尽量从电路的周围绕道而行，如图

19、如图3-4 所示。所示。器件中的寄生电容器件中的寄生电容 图3-5 和图3-6 是NMOS 和NPN 管的寄生电容的表示图。 以NMOS 为例，在栅极和衬底，源漏和衬底，源漏和栅极间都存在寄生电容，同时，栅极上还存在寄生的串联电阻。这些寄生电容和电阻是无法防止的。 独一可减小的CMOS 寄生器件是减小栅的串联电阻，由此减小栅的RC 常数，改良器件速度。常用的方法是把栅分成多指状，把大的器件分割成小的器件和源漏合并，来改良CMOS 晶体管的寄生影响。寄生电阻寄生电阻 在布线时，根据电流的大小来选择布线的宽度 假设metal1 1 微米可以承载0.5 毫安电流。假设电路需求载流1 毫安的电流时，就

20、选择布线宽度为2 微米。 IR DROP 假设连结两部分电路的布线长度为1000 微米，按照这样连线，结果出现了问题，这是为什么呢？ 首先假设金属的方块电阻值为 0.05 ohms/，可以得到1000 微米长的金属线的电阻值为R=(1000/2)*0.05=25 ohm 再根据V=IR 公式，可以计算得出 V=IR=1 * 25 =25mV 可以看出 ，在1000 微米的金属连线上，电压出现了偏移。这就是IR 效应。 处理方法： 可以利用电阻并联的特性和添加线宽，减少金属方块电阻数量等方法，来减少寄生电阻的阻值。譬如，上面的例子中，就可以添加线宽至5 微米，来减小寄生电阻的影响。IR DROP

21、：电源走线：电源走线 普通而言，受寄生电阻影响最大的是电源走线。 走线战略： 顶层电路中，经常把电源线分成假设干条，提供应不同的模块。 可根据分支电流的大小来安排电源线的宽度，电流大的相应的线宽也要大。 假设有足够的空间，对于大电流的电源线，可以用较粗的金属线单独走线。 同时在pad 处用三层平行金属上下打通，类似于三层金属线并联，来减小大电流引起的寄生电阻，而且可以节省幅员面积。图3-7 给出了一个复杂的晶体管电阻模型，其中含有金属电阻、接触孔电阻、有源电阻、栅电阻等等，并且描画了横跨这个晶体管的不同电流通道。察看图3-7 可以发现，有源区电阻是主要的晶体管寄生电阻，是金属电阻的1000 倍

22、，是金属接触电阻的10 多倍。因此在幅员设计中，尽量减少有源区电阻。Lab3-4 模拟幅员匹配效应 知识单元： 1、匹配的重要性； 2、MOS 管的匹配； 3、电阻的匹配； 4、电容的匹配。匹配的重要性匹配的重要性 匹配是幅员设计中重要的技巧其中之一。 匹配就意味着对称，包括： 器件对称 规划布线对称等等。 简单来说，对于两个器件，它们周围的环境是一致的，就可以说它们是匹配的，对称的。l 图4-1 所示的带隙基准电路就是常见的一种。图中的M1 和M2，M3 和M4 分别组成电流源，要让它们具有很好的对称性，否那么会呵斥电路两边电流不相等，从而影响电路性能。这种情况称之为失配。对于图4-1 的电

23、路，器件的对称性尤为重要。布线匹配布线匹配 对于匹配，不仅是在思索器件之间的对称性，还好思索诸如布线的长度，走势，规划程度还是垂直等等，方方面面都有思索对称的必要性。 器件A 与器件B 有两条线相连，其中一条net01 因有其他器件妨碍，所以要绕道，从而添加线的长度。 net01 和net02 有很大的区别，net01 走线长，还附带出线上的寄生电容和寄生电阻等不良要素，因此信号从net01 和从net02 上传输时，就产生的差别。二、二、MOS 管的匹配：栅阴影效应管的匹配：栅阴影效应在消费过程中，由于光刻及晶圆加工中许多步骤沿不同轴向加工，这样晶片会在某个方向上存在差别性，这便导致了晶体管

24、的差别。在源漏的离子注入时，常把注入方向或者圆片方向倾斜7 度左右，这样栅极就会阻挠一部分离子，构成阴影区。结果，在源区或者漏区有一条窄条区，它接受的注入较少，从而注入区退火后，使源区和漏区边缘的分散产生了细微的不同，如图4-3 所示。这就是所谓的栅阴影效应。假设阴影区出如今源区或者漏区，这个MOS 管不会由于阴影区而导致失配。而图4-4b 中，两个MOS 的失配比较严重，由于M1 的源区右边是M2 管，而M2 的源区右边是场氧。同样的，M1 和M2 左边的构造也不一样。简单的说，M1 和M2 周围的环境不同导致了它们的失配。处理方法：我们可以采取类似图4-5 中的dummy MOS 的方法，

25、使M1 和M2 周围的环境一样。为了减小失配，可以采用共中心的规划方法。这种规划方法将两个MOS 管各分为原来的一半，沿对角线放置且并联衔接，如图4-8 所示。它的根本思想就是将器件平均分割，依中心位置进展陈列。这种规划方法经常用于运算放大器的差分管的幅员中，可以减小差分管的失调电压。对于更大的宽长比的MOS 差分管，图4-9 给出了一些幅员局的方案，可以减少失配的影响。布线呵斥的失配布线呵斥的失配 对于中心对称规划，强调的是对称轴两边坚持一样的环境。在实践幅员中； 金属走线的不恰当，往往也会导致失配的发生。如图4-10 中，M2 管旁边有一根金属走线经过，而M1管旁边没有，这样会降低对称性，

26、增大M1 和M2 之间的失配。处理的方法是在M1 旁边也放置一条无用的金属走线，这样会大大提高对称性同样的； 图4-11 中左边的规划对称性很差，到功能块A 和功能块B 的金属走线长度不同，会导致寄生电阻不同，从而导致失配。而右边的规划采用了中心对称，匹配很好。电阻的匹配电阻的匹配在晶圆加工时，由于过度刻蚀和掺杂不均，会导致电阻阻值的失配。对于过度刻蚀，可以用dummy device 的方法来防止，这里值得提出的是，dummy电阻也必需和其他的电阻，在宽度和间距上坚持一致，这样才干保证，电阻周围的环境是一样的。电阻的规划有两种方式，一种是叉指式，如图4-12a 所示。另一种是中心对称式，如图4

27、-12b 所示。由于掺杂不均，导致在X 轴上方块电阻值的不同。因此对于匹配而言，中心对称式是最正确的选择。电阻计算电阻计算 电阻的计算，是以1 个方块电阻为多少计算，常见的如poly1 电阻1 个方块电阻为8-11，nwell 电阻1 方块电阻为1K。最小组件的选择最小组件的选择 对于一组电阻值为2K,1K 和500 的电阻，不同的人，就会有不同的画法，如图4-13 所示。之所以会出现上图这几种画法，缘由在于所采用的最小组件不同，变化就产生了。 最小组件的选择。 选定最小组件后，再进展中心对称，到达合理的规划。 同时在画电阻时，还要要思索到节点的问题，由于节点寄生电阻的存在，无疑加大了电阻的阻

28、值。可以采用电阻并联的特性，将节点电阻进展并联，从而减少节点寄生电阻。 因此图4-13 中D 即思索了对称性，又思索到节点电阻的问题，是最好的选择。 从思索节点电阻来看，组件的选择不是最小最好，适用才是最好，主要还是按实践情况而定。四、电容的匹配四、电容的匹配 电容的幅员设计中匹配的思索，类似于电阻中的匹配思索。也要留意到氧化层的不均匀，和过度刻蚀的问题，处理的方法和电阻差不多，见图4-14，图4-15。 多电容值的规划和电阻思索的方法一样，采用最小组件和共中心规划方法，见图4-16 所示。模拟幅员噪声效应模拟幅员噪声效应 知识单元 1、衬底噪声； 2、金属线之间的串扰； 噪声在集成电路中不断是一个比较难以处理的问题，特别在高速和敏感电路中，它更需求小心对待。这里所讨论的噪声景象不