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集成电路版图设计基础basicsofIClayoutdesigninstructor:ZhangQihuie-mail:qhzhang07@gmail.com河南大学HenanUniversityschoolofphyebasicsoficlayoutdesign2第二章基本IC单元版图设计基本IC单元版图电阻电容电感二极管CMOS版图双极晶体管schoolofphyebasicsoficlayoutdesign3电阻材料：常用的电阻材料是多晶硅。较厚的多晶硅薄层有较低的电阻值（有较多的空间让电流流过，传导电流的能力较强），较薄的多晶硅薄层有较大的电阻值。其他因素，如材料的类型、长度、宽度等也将改变电阻值。对于一个给定的集成电路工艺，可以认为薄膜厚度是常数，它是我们不能改变的参数之一。对于一个给定的材料，我们能够改变的只有长度和宽度。基本IC单元版图设计–电阻WLH(厚度)I=电流schoolofphyebasicsoficlayoutdesign4方块/薄层电阻：每方欧姆是IC中电阻的基本单位。每方欧姆数值也被称为材料的薄层电阻。材料可以是poly，也可以是金属，或者任何其他采用的材料。可以根据任意矩形计算方数。“方数=L/W”方数并不一定是整数，可以含有小数，如4.28方。例如，设材料是“80x10”大小（任何可能单位），则80/10=8方。基本IC单元版图设计–电阻123456788010电流schoolofphyebasicsoficlayoutdesign5方块/薄层电阻：-设计/工艺/规则手册：薄层电阻（率）ρ-对于薄层电阻，同一种材料层，不同制造商的数值会有所不同，其中一个可能的原因是厚度的不同。-用“四探针测试”法探测每方欧姆数值（R=V/I）。-ic中典型的电阻值：poly栅：2~3欧姆/方metal层：20~100m欧姆/方diffusion：2~200欧姆/方-工艺中的任何材料都可以做电阻。常用的材料有poly和diffusion。常用电阻器阻值范围：10~50欧姆100~2k欧姆2k~100k欧姆-电阻值计算公式：R=（L/W）*ρ基本IC单元版图设计–电阻schoolofphyebasicsoficlayoutdesign6多晶硅电阻公式：基本电阻器版图-以硅片作为衬底材料，在衬底上淀积一层多晶硅，再在多晶硅层上覆盖一层氧化层，形成隔离的绝缘层，然后在氧化层上刻蚀出用于连接的接触孔。一般接触孔位于多晶硅的两头。体区电阻公式：rb=（Lb/Wb）*ρb基本IC单元版图设计–电阻LWtopviewcrosssectionalviewsubstratepolyoxidemetalcontactschoolofphyebasicsoficlayoutdesign7多晶硅电阻公式：考虑接触电阻rc-由于有接触电阻的存在，所以R=rb+2rc（rc为两个接触端的接触电阻）-接触区被认为是有固定长度的。如果接触区的宽度增大，接触电阻将变小；如果接触区的宽度减小，接触电阻将变大。-总接触电阻Rcontact=rc=Rc/Wc=Ω*um/um（Rc是由接触所决定的电阻因子，单位“Ω*um”；Wc为接触区宽度）-接触区的宽度可能并不一定和电阻器的宽度相同，它取决于工艺的设计规则，可能会要求接触区宽度必须小于电阻器宽度。基本IC单元版图设计–电阻1002003001020304050W/umR□/Ω1002003001020304050W/umR□/Ωideally,R□/Ω=constantactually,R□/Ωincreasesas“W”decreasesschoolofphyebasicsoficlayoutdesign8多晶硅电阻公式：改变体材料-原因：poly栅电阻大约只有2~3欧姆/方，有时我们要求电阻的范围更大一些。改变体材料能够有效提高电阻率，有助于得到较高的、更有用的电阻率。-改变电阻率的方法：可以淀积另一层具有不同电阻特性的多晶硅。可以通过改变已淀积在芯片上的多晶硅材料层的结构来改变电阻率。-具体制作方法：在所用的多晶硅材料的中部开一个窗口，并注入另外的杂质材料，阻碍电子的流动，来提高电阻率。另一种方法是将中间的多晶硅刻蚀掉一部分使其变薄。这些被改变的材料块为电阻的“体”。通常会有一个设计规则用以说明体区边界与接触区的最小距离，这个间隔上原始的多晶硅被称为电阻器的“头”。总电阻：R=rb+2rh+2rc=(Lb/Wb)*ρb+2(Lh/Wh)*ρh+2Rc/Wc基本IC单元版图设计–电阻schoolofphyebasicsoficlayoutdesign9多晶硅电阻公式：改变体材料基本IC单元版图设计–电阻topviewcrosssectionalviewsubstratepolyoxidemetalcontactbodyheadschoolofphyebasicsoficlayoutdesign10实际电阻分析：-在CAD画图中做出来的电阻器经常是明显地小于或者大于你所画的，被称为δ项，需要在公式里对该项进行补偿。-接触区误差：接触孔刻蚀的时候，得到的实际接触孔尺寸和宽度产生了误差，我们称之为宽度的δ（也称为公差、误差、变化量、尺寸变化、溢出或者变化）。δ可正可负，即过加工或者欠加工。宽度、长度变化分别用δW和δL表示。如假设W是4um，而δW是0.06um，这表明实际的宽度最大是4.06um，最小是3.94um，大小取决于δ表示的是过加工还是欠加工。-“体区误差”和“头区误差”同样也需考虑。电阻公式改写为：R=[(Lb+δLb)/(Wb+δWb)]ρb+2[(Lh+δLh)/(Wh+δWh)]ρh+2[Rc/(Wc+δWc)]基本IC单元版图设计–电阻schoolofphyebasicsoficlayoutdesign11实际电阻分析：扩展电阻基本IC单元版图设计–电阻smallspreadregionbigspreadregionuncertainregionuncertainregionschoolofphyebasicsoficlayoutdesign12实际电阻分析：扩展电阻-当电子离开接触区后，电子传播的实际路径是逐渐展开的，直到它们最终达到整个多晶硅宽度。所表现出的电阻称之为“扩展电阻”。-扩展电阻和许多因素有关。如果采用的是宽接触区和宽电阻条结构，这种影响可以忽略。但如果一个电阻的接触区设计的较小且非常靠近，以至于电子没有足够的时间展开到多晶硅全部宽度方向，电流分布的宽度小于多晶硅的设计宽度，此时需考虑因扩展而带来的误差。-有些制造商允许金属与接触延伸到多晶硅之外，这消除了展开区的问题。能否这样设计取决于工艺技术。-对于接触电阻和扩展电阻项精确而详细的计算随制造商的不同而变，并且这属于商业秘密。有多种技术和公式用于ic制造去确定扩展电阻项，这些技术和公式的大部分是不公开的。-总电阻方程：R=rb+2rh+2rc+2rs（“rs”是来自于扩展区的电阻，扩展因子，见工艺手册。）（也有将接触电阻和扩散电阻组合在一起以一个单独项表示的）基本IC单元版图设计–电阻schoolofphyebasicsoficlayoutdesign13实际的最小电阻尺寸：-制造商可以很好地控制中部区域（体区）的材料，但对外部的区域，如头区或接触区的控制不太理想。-因为某些δ项可能会比较大，如0.1um，因此应保持最小体区长度为10um，这将使你的误差下降到百分之一。如果需要一个相当精确的电阻，则要确保体区长度为10um或更长，以使δ的影响最小化。-“确保体区长度至少达到10um，宽度5um。”则电阻器的最小宽度也应为5um。基本IC单元版图设计–电阻schoolofphyebasicsoficlayoutdesign14特殊要求的电阻:-通常情况下，在CMOS工艺中只有一些低电阻率的材料。-通常，体区材料的最小宽度比接触区材料的最小宽度小。=〉“狗骨”-采用折弯结构的“折弯型电阻器”可以减小占用空间大小。-计算方块数的经验法则：直线区按方块数计算，而每个拐角仅按半方计算。-一般来说，2k欧姆的电阻比较容易设计。-小电阻-高精度：可以利用大块的金属。金属将满足低电阻的要求，大尺寸则将使δ项的影响最小化，有助于提高精度。基本IC单元版图设计–电阻高阻值电阻的狗骨结构12543方块数=5+2个拐角=6方schoolofphyebasicsoficlayoutdesign15设计的重要依据:电流密度-对于选择电阻的宽度，电流密度是重要的。如果需要通过电阻大量的电流，你会使用一个大的、粗的线。-电流密度是材料中能够可靠流过的电流量。工艺手册中有关于某些特定材料电流密度的介绍，工艺中任何能够被用于传导电流的材料都有一个对应的电流密度，制造商的这些数据是根据薄层厚度来确定的。典型的电流密度大约是“每微米宽度0.5mA”。和宽度有关是因为设计得越宽，能够通过的电流越多。-有时，在工艺手册中会告知“熔断电流”大小，就是在一定的时间内毁坏电阻所需的电流大小。Imax=D*WImax：最大允许可靠流过的电流mAD：材料的电流密度mA/umW：材料的宽度um基本IC单元版图设计–电阻schoolofphyebasicsoficlayoutdesign16基本材料的复用:-pmos/nmos晶体管去掉栅，就可以得到一些我们想要的电阻，这些电阻被称为“扩散电阻”。对于扩散电阻器版图设计特别需要注意的是作为偏置连接的第三个电极（衬底连接到最正/负的电源）。-扩散电阻和多晶硅电阻比较：扩散电阻：在衬底上进行扩散制得。边界不清晰，在加工中扩散区的扩散使它们不太容易控制。多晶硅电阻：栅也是由多晶硅制造的，所以多晶硅是存在的材料，多晶硅层沉积在表面，可以精确地控制厚/长/宽度。-“双层多晶硅工艺”：一层多晶硅作栅，一层作电阻。基本IC单元版图设计–电阻多晶硅电阻扩散电阻低的功率耗散高的功率耗散寄生小寄生较大易于工艺控制工艺控制较难典型薄层电阻率小薄层电阻率可大可小两电极器件三电极器件schoolofphyebasicsoficlayoutdesign17电容概述：-电容器是一种能够储存一定量电荷，即一定数目电子的器件。电容器存储电荷的能力称为电容。-随着电压频率的增加，通过电容器的电流AC电流会不断增加。-可以将电容器认为是一个对频率敏感的电阻。如果电容足够大，当某个频率的电压通过时，电路中仿佛根本不存在这个电容器，此时它更像一个阻值很小的电阻。“电容器是对频率敏感的电阻。”-电容器的两种阻断情况：完全阻断dc和仅允许通过某种频率的AC信号。被称为“隔直电容器”或“耦合电容器”。-电容器有助于减少噪声，旁路的电容器会将所有的高频噪声分流。这种电容器称之为“去耦电容器”。基本IC单元版图设计–电容schoolofphyebasicsoficlayoutdesign18电容值：-在集成电路中，电介质的厚度由所采用的制备工艺所限定。因此，单位面积的电容值是一个常数C1，C1由电介质的厚度和介电常数决定。-与电阻一样，制备得到的实际电容器尺寸可能会比设计值偏大或者偏小，称之为δ，计算长度，宽度以及面积时应该考虑。-表面/平面电容Carea：即为平行板电容-边缘电容Cperiphery：单位边缘电容常数乘以电容器的总周长-总电容：Ctotal=Carea+Cperiphery=L*W*C1+(2L+2W)C2基本IC单元版图设计–电容bottomtopCareaCperipheryareacapacitanceandperipherycapacitanceschoolofphyebasicsoficlayoutdesign19N阱电容器：-N阱与多晶硅覆盖部分的面积即为电容器的面积。由于N阱存在电阻，因此N阱电容器的下极板明显存在着串联电阻。可通过在上极板的两边或四边都放置接触孔的方法来降低串联电阻。扩散电容器：-上极板使用一大块多晶硅栅，下极板使用N阱，栅下面的二氧化硅作为电介质，用n+作为下极板N