第六章_电阻版图设计

1、华侨大学信息学院电子工程系厦门专用集成电路系统重点实验室IC工艺和版图设计第六章 电阻版图设计主讲：莫冰Email：Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室参考文献1 . Alan Hastings著 . 张为 译 . 模拟电路版图的艺术.第二版 . 电子工业出版社 . CH5CH7Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室目的电阻材料的选择会对电路的性能产生巨大的影响，选择合适的电阻类型进行版图设计。Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻用来提供明确或可控的电阻值，模拟电路中

2、通常包含很多的电阻。大部分工艺中提供了多种不同的电阻材料以供选择，有些材料适合制作高阻值电阻，有些材料适合制作低阻值电阻。不同的材料的精度和温度特性会有较大的区别，电路设计者和版图设计者通常需要为每个电阻选择合适的材料。电阻材料的选择会对电路的性能产生巨大的影响，因此没有经过仔细考虑后果的情况下不易随便替换电阻材料。Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室本章主要内容6.16.36.56.26.46.6电阻版图电阻寄生效应微调电阻电阻率和方块电阻电阻变化不同类型电阻比较电阻匹配6.7材料电阻率（欧.cm）铜（块状）-61.7 x 10金（块状）-62.4

3、x 10铝（薄膜）-62.7 x 10铝（掺2%硅）-63.8 x 10硅化铂-53.0 x 1018N型硅（Nd= 10 cm-3）0.2515N型硅（Nd= 10 cm-3）48本征硅52.5 x 10二氧化硅1410电阻率和方块电阻华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻材料Copyright by Mo Bing= RS ( ) = R ( )Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻率和方块电阻L L LWt W WR = 方块电阻Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻率和方块电阻1.深亚微米工艺中

4、一般使用填充金属（如铂）来减小接触孔的电阻而且可以防止接触孔断路2.在进行金属淀积之前使用CMP来避免金属爬坡3.使用SiO2来做绝缘层电阻率和方块电阻华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室接触孔电阻Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室本章主要内容6.16.36.56.26.46.6电阻版图电阻寄生效应微调电阻电阻率和方块电阻电阻变化不同类型电阻比较电阻匹配6.7Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻版图电阻类型PolySiO2M1Poly电阻Copyright by

5、Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻版图电阻类型N阱N+N+SiO2M1阱电阻Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻版图电阻类型N+P-sub电阻版图矩形拐角R = R (2 A + B ) / W + 1.12华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室折叠版图圆型拐角R = R (2C / W + 2.96)Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室Dummy电阻版图华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室Nwell电阻Copyright by Mo Bing

6、电阻版图华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室Nwell电阻Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室NwellN+电阻版图M1Nwell电阻M1N+P-sub电阻版图华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室Poly电阻Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻版图Poly电阻M1场氧绝缘层PolyP-sub电阻版图华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室N+电阻Copyright by Mo Bing电阻版图华侨大学厦门专用集成电路系统重点实

7、验室N+电阻Copyright by Mo Bing电阻版图华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室N+电阻M1N+P-subCopyright by Mo Bing电阻版图华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室狗骨型电阻Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻版图狗骨型电阻狗骨电阻和折叠电阻可以看出大的端头会降低布局密度Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室本章主要内容6.16.36.56.26.46.6电阻版图电阻寄生效应微调电阻电阻率和方块电阻电阻变化不同类型电阻比较电

8、阻匹配6.7Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻阻值变化工艺变化电阻阻值取决于其方块电阻和尺寸。方块电阻会随薄膜厚度、掺杂浓度。掺杂分布和退火条件的波动变化，电阻的尺寸也会随着光刻误差和刻蚀速率的不一致而发生变化。电阻类型尺寸方块电阻阻值偏差电阻类型尺寸方块电阻阻值偏差MinTypMaxMinTypMaxN阱100/109001000110010%100/10N+6065708%P+1551701859%Poly115192323%Poly248556213%HPoly2_180/109101080125015%HPoly2_280/1017002

9、100250025%HPoly2_340005500700030%HPoly2_47000110001500037%M 1/2100/0.600.080.2-M3100/0.800.020.12-Poly1 Cont0.5X0.50310-Poly2 Cont0.5X0.501220-N + Cont025100-P + Cont090200-Via10.55X0.55X10000110-Via20.6X0.6X100000.510-Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻阻值变化工艺变化CSMC 0.5 DPTM 方块电阻Copyright by M

10、o Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻阻值变化工艺变化现代工艺的方块电阻误差基本都可以维持在20%以内，以CSMC 0.5um工艺为例，N+和P+的扩散电阻均可维持在10%偏差内，Poly1和poly2电阻在20%误差内，带阻挡层的高阻HPoly的偏差基本也可以控制在30%以内。Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻阻值变化在工艺中，用线宽控制来做光刻和工艺尺寸的度量。一般线宽控制用特征尺寸的百分比来衡量，现代工艺中大部分工艺都可以保证线宽控制在其最小特征尺寸的20%以内。电阻容差可由以下关系进行估算。CL 0.2WminWuse W

11、use例如：1.方块电阻偏差25%，有效线宽2um,线宽控制0.25um,则电阻容差为38%。2.方块电阻偏差25%，有效线宽2um,特征尺寸0.5um,则电阻容差为30%。注意：阱电阻除了考虑线宽控制外，还需考虑横向扩散。在CSMC0.5DPTM工艺中典型阱深2.7um.工艺变化Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻阻值变化电阻设计规则：1.在容差不重要的情况下，电阻可以使用最小宽度，这样期望的阻值容差为线宽控制20%加上方块电阻变化值。但是注意扩散电阻不能窄于结深的150%。2.需要中等精度的容差时，电阻宽度为最小特征尺寸的23倍，期望容差为10

12、%加上方块电阻变化值。3.需要高精度电阻时，可以选用最小特征尺寸的5倍以上的宽度，期望容差为4%加上方块电阻变化值。工艺变化偏差偏差MinTypMaxMinTypMaxN阱9001000110010%N+6065708%P+1551701859%Poly115192323%Poly248556213%HPoly2_180/109101080Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室温度变化温度系数 TCR ppm/+3800+4000+3700+1500+600+2500+3000-1000+1000+6000材料铝（块状）铜（块状）金（块状）160 /基区

13、扩散7 /发射区扩散5K /基区收缩扩散2K /高值薄膜电阻（P型）500 /多晶硅电阻（4KAN型）25/多晶硅电阻（4KA N型）10K /N阱电阻阻值变化几种材料在25时的典型温度系数Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻阻值变化非线性多晶电阻制作于场氧上方，场氧在多晶和衬底之间起绝缘作用，散热性差，所以多晶电阻容易受自加热的影响。使用多晶电阻时绘制长度不能太短，减小多晶晶粒非线性的影响。电阻类型尺寸方块电阻阻值偏差电阻类型尺寸方块电阻阻值偏差MinTypMaxMinTypMaxPoly1 Cont0.5X0.50310-Poly2 Cont0

14、.5X0.501220-N + Cont025100-P + Cont090200-Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻阻值变化接触电阻每个电阻至少有两个接触孔，每个接触孔都会增加电阻的阻值。Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻阻值变化接触电阻M1绝缘层Poly场氧P-subpoly1的接触电阻典型值为3欧姆， poly2的接触电阻典型值为12欧姆Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室N+M1M1N+N+P-subM1P-subP-subP+M1NwellN+N+

15、接触电阻典型为25NwellN+接触电阻典型为25P+接触电阻典型为90Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室本章主要内容6.16.36.56.26.46.6电阻版图电阻寄生效应微调电阻电阻率和方块电阻电阻变化不同类型电阻比较电阻匹配6.7电阻寄生效应T1Poly模型多晶硅电阻电路模型华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室多晶硅电阻的寄生效应T2夹层氧化物场氧衬底2模型Copyright by Mo Bing电阻寄生效应多晶硅电阻的寄生效应多晶电阻的四周被绝缘物包围，这样的结构导致了多晶硅会和绝缘层和衬底构成寄生电容（Poly-绝缘层-衬底）。其分布电容

16、可以使用模型或多模型来估计。此外跨越多晶硅的导线会引入额外的寄生电容，这样的寄生电容有可能会将噪声耦合到高阻抗回路。因而在精密模拟电路中，信号线不能布在多晶电阻上。夹层氧化物场氧衬底Copyright by Mo BingPoly华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室电阻寄生效应扩散电阻模型Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室本章主要内容6.16.36.56.26.46.6电阻版图电阻寄生效应微调电阻电阻率和方块电阻电阻变化不同类型电阻比较电阻匹配6.7Copyright b

17、y Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室不同类型电阻比较Poly电阻工艺类型：polycide: 降低栅极电阻silicide： 降低源漏电阻salicide： 既能降低栅极电阻，又能降低源漏电阻Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室不同类型电阻比较Poly电阻Poly电阻是集成电路设计中常用的一种电阻，它是由用制作MOSFET的Poly层来制作的电阻。Poly电阻一般有以下几种：1.掺杂硅化的Poly电阻2.掺杂非硅化的Poly电阻EX：多晶硅栅EX：多晶硅电阻3.非掺杂非硅化的Poly电阻 EX：阻止栅注入的多晶电阻Copyright

18、 by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室不同类型电阻比较Poly电阻掺杂硅化的Poly电阻多晶硅淀积工艺中淀积的多晶硅薄层电阻是比较大的，为了改善导电性能一般对其进行重掺杂以减小其方块电阻。此时多晶硅的电阻率在几十到一百多欧姆之间。为了进一步减小其电阻，现代短沟道工艺中使用Polysilicide工序，在制作栅极的Poly层上淀积导电的硅化物，将多晶硅的方块电阻降至2欧姆左右。一般用于制作栅或互连线。掺杂硅化的Poly栅和电阻不同类型电阻比较掺杂非硅化的Poly电阻对电阻而言，硅化物不仅降低了方块电阻，而且由于晶圆淀积的厚度不一样，所以电阻随工艺波动很大，同一晶圆上电阻的匹

19、配性能也不如非硅化的Poly电阻。所以为了制造更加精确的电阻，许多工艺提供“硅化物阻挡层”，即在制作电阻的多晶上覆盖一层硅化物阻挡层，防止Poly被硅化。这种电阻称为掺杂非硅化的Poly电阻。华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室Poly电阻掺杂非硅化的Poly电阻Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室不同类型电阻比较Poly电阻1.匹配性能好：掺杂非硅化的Poly电阻比阱电阻和N+/P+电阻小，由多晶电阻的等效模型可知，由于不会存在寄生二极管，所以不会有反型层的影响，具有较高的线性度。所以在标准CMOS工艺中，其

20、匹配性能最好，一般用来做高精电阻。2.寄生电容小：掺杂非硅化电阻的寄生电容基本和阱电阻的相当，但是Poly电阻不存在边缘电容，所以一般小面积电阻，Poly电阻的寄生电容会比阱电阻的寄生电容小，大面积的电阻的话电容可能会稍微大一点。但是在两种情况下都远小于P+/N+寄生电容。3.温度特性好：Poly电阻的温度特性也比较好，轻掺杂多晶硅具有负温度系数，重掺杂多晶则有正温度系数，在一定掺杂浓度下（如 4KA 200欧姆 /）时具有零温度系数，一般可以将温度系数控制在250ppm/范围内，其温度特性远优于扩散电阻。Poly电阻非掺杂非硅化的Poly电阻Copyright by Mo Bing不同类型电

21、阻比较非掺杂非硅化的Poly电阻CMOS工艺中为了能制造高阻值电阻，有些工艺提供阻止Poly被硅化的同时防止对Poly进行离子注入工序，这样的薄层Poly电阻比阱电阻的方块电阻值更大。方块电阻非常高，一般可以达到12K/左右，寄生电容、温度系数、线性度等都和非硅化的Poly电阻相当。华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室不同类型电阻比较阱电阻阱电阻即用阱来做电阻主体，在P衬底工艺下阱电阻一般使用NWell来实现，有时候工艺线没有提供高阻值薄层多晶电阻，此时高阻值的电阻可以用长条型的N阱来制作，电阻的两端使用N+进行连

22、接。阱电阻的方块电阻值比较大，通常都在几百欧姆以上。但是方块电阻不RCopyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室不同类型电阻比较阱电阻N阱电阻的方块值还随阱到衬底的电压变化而剧烈变化，这导致了电阻呈现严重肺线性。这是由于阱电阻底部和衬底间的反型层厚度变化比较大，影响了N阱的单位长度电阻值。所以N阱电阻难以确定阻值大小，匹配起来也比较困难。此外阱电阻的温度系数也比较差（6000ppm/）。不同类型电阻比较N阱电阻华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室阱电阻P+P+NwellPsub带PSD收缩层的N阱电阻Copyright by Mo BingCopyright

23、 by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室不同类型电阻比较N+/P+电阻P+/N+电阻是在衬底或阱中用P+扩散区或N+扩散区制造而成的电阻，这种电阻和阱电阻的区别从本质来说是掺杂浓度不同，阱和衬底的掺杂要远低于P+/N+扩散区。P+/N+电阻的掺杂浓度高于阱电阻，因而其方块电阻要比阱电阻小，通常在100200欧姆 /左右。P+/N+电阻的方块电阻对于扩散区到阱或衬底的电压变化不像阱电阻那样敏感，因为P+/N+电阻的掺杂浓度高，对于特定电压变化，反型层厚度变化较小，因而P+/N+电阻的匹配性要比Nwell好。P+/N+电阻具有较大的寄生电容，其寄生电容比Nwell的寄生电容大。

24、Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室不同类型电阻比较金属薄膜电阻集成电阻通常采用的是为其它用途而优化的材料制作，因而性能不如分立电阻元件。现代工艺中也有专用电阻材料可以淀积在集成电路表面形成薄膜，且这种薄膜电阻性能也优于扩散电阻和多晶硅电阻。这种电阻温度系数小于100ppm/，且具有理想的线性，甚至通过激光校正电阻容差可由控制在0.1%以内。缺点是所需要的特殊工艺成本较高，在一定程度上限制了其应用。Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室本章主要内容6.16.36.56.26.46.6电阻版图电阻寄生效应微调电阻电

25、阻率和方块电阻电阻变化不同类型电阻比较电阻匹配6.7Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室微调电阻滑动接触孔Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室微调电阻滑动端头Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室微调电阻长号式滑动调整电阻Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室微调电阻金属选择Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室微调电阻Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室微调电阻Copyright by Mo Bing华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室本章主要内容6.16.36.56.26.46.6电阻版图电阻寄生效应微调电阻电阻率和方块电阻电阻变化不同类型电阻比较