第四章集成电路设计.ppt

第四章第四章第四章第四章集成电路设计集成电路设计第四章第四章第四章第四章集成电路是由元、器件组成。元、器件分为两大类：集成电路是由元、器件组成。元、器件分为两大类：无源元件无源元件 电阻、电容、电感、互连线、传输线等电阻、电容、电感、互连线、传输线等有源器件有源器件 各类晶体管各类晶体管 集成电路中的集成电路中的无源源件占的面积无源源件占的面积一般都一般都比有源器件大比有源器件大。所所以以设设计计时时尽尽可可能能少少用用无无源源元元件件，尤尤其其是是电电容容、电电感感和和大大阻值的电阻。阻值的电阻。第四章第四章IC中有多种电容结构中有多种电容结构 MOS 电容结构电容结构 PN结电容结构结电容结构 金属叉指金属叉指电容电容结构结构 多晶硅多晶硅/金属金属-绝缘体绝缘体-多晶硅多晶硅电电容容 I C中中主要电容器主要电容器 MOS 电容电容 PN结电容结电容 4.1 集成电路电容器集成电路电容器第四章第四章 MOS电容器电容器与平板电容与平板电容和和PN结电容都不相同。结电容都不相同。因为金属因为金属-氧化物氧化物-半导体半导体层结构层结构的电容具有独特的的电容具有独特的性质。性质。电容电容电压特性取决于电压特性取决于半半导体表面的状态导体表面的状态,随栅极随栅极电压变化，表面可处于：电压变化，表面可处于：积累；耗尽积累；耗尽;反型反型.一、一、MOS电容器电容器1.MOS 电容结构电容结构金属金属sio2半导体半导体diVGC=Ci CsCi+Cs串联第四章第四章PN+sio2金金属属金属金属ToxN+Psio2纵向结构纵向结构横向结构横向结构MOS 电容电容量电容电容量Cox=A0 sio2ToxTox:薄氧化层厚度；薄氧化层厚度；A:薄氧化层上薄氧化层上 金属电极的面积。金属电极的面积。一般在集成电路中一般在集成电路中Tox 不能做的太薄，所以要想提高电容量，只不能做的太薄，所以要想提高电容量，只能增加面积。能增加面积。N+层为了减小串联电阻及防止表面出现耗尽层层为了减小串联电阻及防止表面出现耗尽层。集成电路中要制作一个集成电路中要制作一个30 pF的的MOS电容器，电容器，所用面积相当于所用面积相当于25个个晶体管的面积。晶体管的面积。第四章第四章AlSiO2ALP+P-SUBN-epiP+N+N+MOS电容电容第四章第四章P N+PN外外延延NN+P PN结电容结电容 在在PN结反偏时的结反偏时的势垒电容势垒电容构成的电容器构成的电容器 PN结电容与结电容与 MOS电容的电容的数量级相当数量级相当。P P衬衬+-第四章第四章二、二、PN结电容结电容突变突变PN结电容计算公式：结电容计算公式：PN结电容与杂质浓度有关结电容与杂质浓度有关，若考虑横向扩散，若考虑横向扩散：总结面积总结面积=底面积底面积+4个侧面积个侧面积A=xjW 2+4W2W:正方形正方形pn 结扩散区的边长。结扩散区的边长。参考P45 2.42第四章第四章发射区扩散层发射区扩散层隔离层隔离层隐埋层扩散层隐埋层扩散层PN结电容结电容P P衬底衬底SiO2-P+隔离隔离+N+N+埋层埋层N+发射区发射区P+N-+CjsP 基区基区第四章第四章三、三、平板电容平板电容第四章第四章 4.2 集成电阻器集成电阻器及版图设计及版图设计集成电路中的电阻集成电路中的电阻 无源电阻无源电阻 通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻薄膜电阻薄膜电阻扩散电阻扩散电阻沟道电阻沟道电阻有源电阻有源电阻将将晶体管晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管的不同进行适当的连接和偏置，利用晶体管的不同的工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻的工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻第四章第四章1、合金薄膜电阻合金薄膜电阻 掺掺杂杂多多晶晶硅硅薄薄膜膜也也是是一一个个很很好好的的电电阻阻材材料料，广广泛泛应应用用于于硅基集成电路的制造。硅基集成电路的制造。采用一些合金材料沉积采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电在二氧化硅或其它介电材料表面，通过光刻形材料表面，通过光刻形成成电阻条电阻条。常用的合金。常用的合金材料有：材料有：钽钽 Ta 镍铬镍铬Ni-Cr 氧化锌氧化锌 ZnO 铬硅氧铬硅氧 CrSiO薄层电阻薄层电阻不不同同掺掺杂杂浓浓度度的的半半导导体体具具有有不不同同的的电电阻阻率率，利利用用掺掺杂杂半半导导体体的的电电阻阻特特性性，可可以以制制造造电电路路所所需需的电阻器。的电阻器。2、多晶硅薄膜电阻多晶硅薄膜电阻3、掺杂半导体电阻掺杂半导体电阻第四章第四章方块电阻的几何图形方块电阻的几何图形 R设计时只需考虑电阻的设计时只需考虑电阻的长宽长宽比比即可，即可，R 根据工艺调整根据工艺调整例：设计一个例：设计一个2k基区电阻。基区电阻。一般基区扩散的一般基区扩散的方块电阻为方块电阻为200/，所以只要构造所以只要构造长宽比为长宽比为10的图形即可。的图形即可。第四章第四章根据根据掺杂工艺掺杂工艺来分类来分类扩散电阻扩散电阻 对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻，对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻，精度较难控制精度较难控制离子注入电阻离子注入电阻 离子注入方式形成的电阻，阻值容易控制，离子注入方式形成的电阻，阻值容易控制，精度较高精度较高利用与集成电路兼容的扩散工艺构成利用与集成电路兼容的扩散工艺构成的电阻器的电阻器第四章第四章利用与集成电路兼容的利用与集成电路兼容的扩散层扩散层构成，主要根据掺入杂质构成，主要根据掺入杂质浓度和扩散形成的结深决定阻值。浓度和扩散形成的结深决定阻值。发射区的掺杂浓度高，电阻最小发射区的掺杂浓度高，电阻最小基区电阻相对大，集电区的最大基区电阻相对大，集电区的最大 扩散电阻扩散电阻N集电区扩散电阻集电区扩散电阻N+N+基区扩散电阻基区扩散电阻N P第四章第四章N+N+发射区发射区SiO2RP P+衬底衬底RN N+埋层埋层N N外延集电区外延集电区P+P+P基区基区外延层扩散电阻外延层扩散电阻N发射区扩散电阻发射区扩散电阻(发射区扩散层发射区扩散层)第四章第四章 沟道电阻（夹层电阻）沟道电阻（夹层电阻）利用不同掺杂层之间的沟道形成的电阻器利用不同掺杂层之间的沟道形成的电阻器沟道电阻沟道电阻RR=减小结深减小结深，增加方块电阻的阻值；沟道电阻制作大阻值电阻，增加方块电阻的阻值；沟道电阻制作大阻值电阻的基本思想。即两扩散层之间的沟道的基本思想。即两扩散层之间的沟道第四章第四章因结深难以精确控制，所以因结深难以精确控制，所以沟道电阻沟道电阻的阻值也不能精的阻值也不能精确控制，精度要求高的电路不能采用沟道电阻。确控制，精度要求高的电路不能采用沟道电阻。P PN+N+NINP PI外延层沟道电阻外延层沟道电阻基区沟道电阻基区沟道电阻P电阻取决于夹层电阻率和结深电阻取决于夹层电阻率和结深第四章第四章MOS多晶硅电阻多晶硅电阻栅氧化层多晶硅多晶硅场氧化层场氧化层RR第四章第四章 集成电路集成电路中几种扩散电阻器的比较中几种扩散电阻器的比较电阻类型电阻类型方块电阻方块电阻/口口相对误差相对误差%温度系数温度系数10-6/基区基区100-2002015002000发射区发射区2-1020+6000集电区集电区100-10003可控可控基区沟道基区沟道21010350+2500外延层外延层25 10330+3000外延层沟道外延层沟道4101037+3000薄膜薄膜3+200第四章第四章扩散电阻的功耗限制单位电阻面积的功耗单位电阻面积的功耗 PAR单位电阻条宽的工作电流单位电阻条宽的工作电流IW(PA/R)1/2单位电阻条宽的最大工作电流单位电阻条宽的最大工作电流IW max(PA max/R)1/2第四章第四章(PA max/R)1/2R越大，R越小，第四章第四章 扩散电阻的最小条宽扩散电阻的最小条宽版图设计规则所决定的最小扩散条宽版图设计规则所决定的最小扩散条宽工艺水平和扩散电阻精度要求所决定的最小扩散条宽工艺水平和扩散电阻精度要求所决定的最小扩散条宽电阻最大允许功耗所决定的最小扩散条宽电阻最大允许功耗所决定的最小扩散条宽在设计时应取最大的一种在设计时应取最大的一种扩散电阻的最小条宽扩散电阻的最小条宽WRmin受三种因素的限制受三种因素的限制：第四章第四章 b.基区电阻等效模型基区电阻等效模型 c.衬底电位与分布电容衬底电位与分布电容 集成电路中电阻模型集成电路中电阻模型集成电路中电阻基本是由各扩散层形成，除了电阻本身，有集成电路中电阻基本是由各扩散层形成，除了电阻本身，有反偏的反偏的PN结特性，带来结特性，带来附加的电阻和电容附加的电阻和电容(寄生参数寄生参数)衬底衬底s，n端接端接最高电位最高电位防止电阻器的防止电阻器的pn结结正偏使电阻失效正偏使电阻失效第四章第四章晶体管有源电阻晶体管有源电阻采用晶体管进行适当连接并使其工作在一定的状态，采用晶体管进行适当连接并使其工作在一定的状态，利用它的利用它的导通电阻导通电阻作为电路中的电阻元件使用作为电路中的电阻元件使用 双极晶体管和双极晶体管和MOS晶体管都可用作有源电阻晶体管都可用作有源电阻MOS管有源电阻器管有源电阻器MOS有源电阻及其有源电阻及其I-V曲线曲线 第四章第四章晶体管有源寄生电阻晶体管有源寄生电阻N+PN+P P衬底衬底IcR1R2R3R4R5R c=R 1+R 2+R 3+R 4+R 5双极晶体管集电区电阻双极晶体管集电区电阻 集成电路中集电区电阻集成电路中集电区电阻Rc要比分立管的大。要比分立管的大。Rc的增大的增大 会影响高频特性和开关性能会影响高频特性和开关性能。R 1 长方体电阻长方体电阻 R 2 埋层拐角体电阻埋层拐角体电阻R 3 梯形电阻梯形电阻 R 4 埋层拐角体电阻埋层拐角体电阻 R 5 长方体电阻长方体电阻 分别计算出各区的电阻后相加分别计算出各区的电阻后相加 参看书：参看书：P.152为方便起见常将为方便起见常将集电极电流流经的区域划分为五个区集电极电流流经的区域划分为五个区第四章第四章 4.3 集成电路的集成电路的互连技术和互连技术和电感电感互连线互连线 单片芯片上器件之间互连：单片芯片上器件之间互连：金属化工艺金属化工艺，金属铝，金属铝薄膜薄膜 电路芯片与外引线之间的连接电路芯片与外引线之间的连接(电路芯片与系统的电路芯片与系统的互联互联)：引线键合工艺引线键合工艺为保证模型的精确性和信号的完整性，需要对互连线为保证模型的精确性和信号的完整性，需要对互连线的版图结构加以约束和进行规整。的版图结构加以约束和进行规整。第四章第四章 在连接线传输大电流时，应估计其电流容量在连接线传输大电流时，应估计其电流容量 并保留足够裕量。并保留足够裕量。各种互连线设计应注意的问题各种互连线设计应注意的问题为减少信号或电源引起的损耗及减少芯片为减少信号或电源引起的损耗及减少芯片面积，连线应面积，连线应尽量短尽量短。为提高集成度，在传输电流非常弱时如：为提高集成度，在传输电流非常弱时如：MOS栅极，大多数栅极，大多数互连线互连线应以制造工艺应以制造工艺 提供的最小宽度来布线。提供的最小宽度来布线。第四章第四章集成电路集成电路总电感可以有两种形式总电感可以有两种形式 单匝线圈单匝线圈 多匝线圈多匝线圈 多匝螺旋型线圈多匝螺旋型线圈 三三.集成电路的集成电路的电感电感多匝直角型线圈多匝直角型线圈 单匝线圈单匝线圈第四章第四章第四章第四章4.4 集成器件和电路版图设计集成器件和电路版图设计一一.版图设计方式版图设计方式主要规定了掩模版各层图形的主要规定了掩模版各层图形的宽度宽度、间隔间隔、重叠重叠和和两个独立的层间距离两个独立的层间距离等的最小允许值。等的最小允许值。版图设计规则是连接电路设计者版图设计规则是连接电路设计者和电路生产者之间的桥梁和电路生产者之间的桥梁 PN+N-Si集集电电区区基基区区发发射射区区集电极引线集电极引线基极基极引线引线 发射极发射极 引线引线P N+PN外外延延NN+P+-PN结电容结电容第四章第四章微米设计规则微米设计规则 以微米为尺度表示版图最小允许值得大小。以微米为尺度表示版图最小允许值得大小。设计规则设计规则 以以为基本单位的几何设计规则。为基本单位的几何设计规则。将版图规定尺寸均取为将版图规定尺寸均取为的的整数倍整数倍来表示。来表示。有两种设计规则：有两种设计规则：微米设计规则，微米设计规则，设计规则设计规则控制掩模版各层图形的控制掩模版各层图形的宽度宽度、间隔间隔和和两个独立的层间距离两个独立的层间距离实际工艺中，实际工艺中，值不能简单的按比例压缩，仍然保留微米值不能简单的按比例压缩，仍然保留微米设计规则设计规则第四章第四章按比例缩小原则CV规则是在保持器件和电路中各点电位电位不变的条件下，尽量来缩小尺寸，以提高器件和电路的有关性能。CE缩小规则基本指导思想是在MOSFET内部电场内部电场不变的条件下，通过按比例缩小器件的纵向和横向尺寸（与此同时，电源电压和阈值电压也要与器件尺寸缩小相同的倍数），以提高跨导和减小负载电容，从而达到增强集成电路性能的目的 为了提高器件和IC的频率、速度性能，就需要缩小器件的特征缩小器件的特征尺寸尺寸。按比例缩小规则（scaling law）就是为了方便设计集成电路(IC)所采取的一种规则 第四章第四章N N 外延外延 集电集电区区 N+埋层埋层 p-Si P P 基区基区N+N+集成电路工艺流程针对大量应用的集成电路工艺流程针对大量应用的NPN管设计的管设计的PNP晶体管制作需要采用与晶体管制作需要采用与NPN管兼容的技术管兼容的技术衬底衬底PNP管管 发射区是利用发射区是利用NPN晶体管的基区兼容而成的晶体管的基区兼容而成的 基区就是原来的外延层基区就是原来的外延层 集电区为衬底集电区为衬底NPN晶体管晶体管横向横向PNP管管P型发射区和集电区是在标准基区型发射区和集电区是在标准基区P扩散流程中形成的扩散流程中形成的N型基区就是外延层，基极的引线区是在标准发射区型基区就是外延层，基极的引线区是在标准发射区N+扩散形成扩散形成第四章第四章N N 外延外延 集电区集电区 N+埋层埋层 p-Si P P 基区基区N+N+多极多极NPN管管电流大，使电流均匀分布。电流大，使电流均匀分布。将集电极、基极、发射极分为多个电极，电极用金属电极连将集电极、基极、发射极分为多个电极，电极用金属电极连 接在一起。接在一起。集电区用一个埋层，集电极引线孔处要加集电区用一个埋层，集电极引线孔处要加N+扩散。扩散。p159 图图4.11和图和图4.12第四章第四章双极型集成电路基本制造工艺相应的版图双极型集成电路基本制造工艺相应的版图 第一次光刻第一次光刻N+埋层扩散孔光刻埋层扩散孔光刻埋层氧化埋层氧化外延外延第四章第四章 第二次光刻第二次光刻P+隔离扩散孔光刻隔离扩散孔光刻 第三次光刻第三次光刻P型基区扩散孔光刻型基区扩散孔光刻 第四章第四章 第四次光刻第四次光刻 N+发射区扩散孔、发射区扩散孔、集电极引线扩散孔光刻集电极引线扩散孔光刻 第五次光刻第五次光刻引线接触孔光刻引线接触孔光刻 第四章第四章 第六次光刻第六次光刻金属化内连线光刻金属化内连线光刻-反刻铝反刻铝 第四章第四章栅压为零时，沟道不存在，栅压为零时，沟道不存在，加上一个正的栅压才能形加上一个正的栅压才能形成成N型沟道型沟道栅压为零时，沟道已存栅压为零时，沟道已存在，加上一个负的栅压在，加上一个负的栅压才能使才能使N型沟道消失型沟道消失栅压为零时，沟道不存栅压为零时，沟道不存在，加上一个负的栅压在，加上一个负的栅压才能形成才能形成P型沟道。型沟道。栅压为零时，沟道已存栅压为零时，沟道已存栅压为零时，沟道已存栅压为零时，沟道已存在，加上一个正的栅压在，加上一个正的栅压在，加上一个正的栅压在，加上一个正的栅压可以使可以使可以使可以使P P型沟道消失型沟道消失型沟道消失型沟道消失第四章第四章硅栅硅栅CMOS器件器件(反相器反相器)一个增强型一个增强型nMOS和增强型和增强型PMOS组成组成第四章第四章第四章第四章CMOS反相反相器工作原理器工作原理输入端高电平时：输入端高电平时：nMOS管导通，pMOS截止，输出端通过导通的nMOS管接地，输出端呈低电平输入端低电平时：输入端低电平时：pMOS管导通，nMOS截止，输出端通过导通的pMOS管接到VDD上，呈现高电平第四章第四章N阱CMOS设计规则u表4.7列出的最小分辨率的微米规则与 规则工艺的特征尺寸，版图基本几何图形及间隔uMOS自隔离，P型衬底接地(Vss)，N阱区接VDDu多晶硅作引线，为降低电阻，减小功耗，提高速度。多晶硅要重掺杂N+u减小接触电阻，金属与N+和P+接触连接(欧姆接触)；金属与多晶硅和衬底接触，需增大接触面积第四章第四章N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺流程工艺流程CMOSCMOS反相器反相器第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章第四章 版图设计版图设计主要规定了掩模版各层图形的主要规定了掩模版各层图形的宽度宽度、间隔间隔、重重叠叠和和两个独立的层间距离两个独立的层间距离等的最小允许值等的最小允许值第四章第四章第四章第四章六六.双极和双极和MOS集成电路的比较集成电路的比较制造工艺制造工艺 MOS电电路路的的源源、漏漏极极可可同同时时扩扩散散，只只需需1次次扩扩散散就就形形成成。一一般般双双极极电电路路至至少少需需5次次。工工序序和和时时间间多多，所所以以引引入入缺缺陷陷多多，成品率低。成品率低。互连线互连线 IC中中互互连连线线占占的的面面积积非非常常大大。因因双双极极电电路路输输入入阻阻抗抗低低，要要比比MOS互互连连线线多多许许多多。MOS可可用用硅硅栅栅电电极极和和部部分分多多晶晶硅互连线硅互连线进行工作。进行工作。集成度集成度 双极电路一般用双极电路一般用PN结结隔离所需尺寸大，集成度远小于隔离所需尺寸大，集成度远小于MOS型。型。性能性能双双极极管管的的跨跨导导与与工工作作电电流流成成正正比比与与器器件件尺尺寸寸无无关关，MOS则则有关，所以电流过大、过高速不适应。有关，所以电流过大、过高速不适应。第四章第四章掌握各种电阻、电容，电感，认识相应的结构图掌握各种电阻、电容，电感，认识相应的结构图扩散电阻的最小线宽受哪些因素限制，理解每一种因素扩散电阻的最小线宽受哪些因素限制，理解每一种因素理解版图设计规则和按比例缩小原则理解版图设计规则和按比例缩小原则PNP晶体管和双极集成电路版图的设计晶体管和双极集成电路版图的设计CMOS反相器原理，结构图以及反相器原理，结构图以及N阱硅栅阱硅栅CMOS工艺工艺双极和双极和MOS集成电路比较集成电路比较