第六章_電阻版圖設(shè)計

1、華僑大學(xué)信息學(xué)院電子工程系廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室IC工藝和版圖設(shè)計第六章 電阻版圖設(shè)計主講：莫冰Email：Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室參考文獻1 . Alan Hastings著 . 張為 譯 . 模擬電路版圖的藝術(shù).第二版 . 電子工業(yè)出版社 . CH5CH7Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室目的電阻材料的選擇會對電路的性能產(chǎn)生巨大的影響，選擇合適的電阻類型進行版圖設(shè)計。Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻用來提供明確或可控的電阻值，模擬電路中

2、通常包含很多的電阻。大部分工藝中提供了多種不同的電阻材料以供選擇，有些材料適合制作高阻值電阻，有些材料適合制作低阻值電阻。不同的材料的精度和溫度特性會有較大的區(qū)別，電路設(shè)計者和版圖設(shè)計者通常需要為每個電阻選擇合適的材料。電阻材料的選擇會對電路的性能產(chǎn)生巨大的影響，因此沒有經(jīng)過仔細考慮后果的情況下不易隨便替換電阻材料。Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室本章主要內(nèi)容6.16.36.56.26.46.6電阻版圖電阻寄生效應(yīng)微調(diào)電阻電阻率和方塊電阻電阻變化不同類型電阻比較電阻匹配6.7材料電阻率（歐.cm）銅（塊狀）-61.7 x 10金（塊狀）-62.4

3、x 10鋁（薄膜）-62.7 x 10鋁（摻2%硅）-63.8 x 10硅化鉑-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電阻率和方塊電阻華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻材料Copyright by Mo Bing= RS ( ) = R ( )Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻率和方塊電阻L L LWt W WR = 方塊電阻Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻率和方塊電阻1.深亞微米工藝中

4、一般使用填充金屬（如鉑）來減小接觸孔的電阻而且可以防止接觸孔斷路2.在進行金屬淀積之前使用CMP來避免金屬爬坡3.使用SiO2來做絕緣層電阻率和方塊電阻華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室接觸孔電阻Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室本章主要內(nèi)容6.16.36.56.26.46.6電阻版圖電阻寄生效應(yīng)微調(diào)電阻電阻率和方塊電阻電阻變化不同類型電阻比較電阻匹配6.7Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻版圖電阻類型PolySiO2M1Poly電阻Copyright by

5、Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻版圖電阻類型N阱N+N+SiO2M1阱電阻Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻版圖電阻類型N+P-sub電阻版圖矩形拐角R = R (2 A + B ) / W + 1.12華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室折疊版圖圓型拐角R = R (2C / W + 2.96)Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室Dummy電阻版圖華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室Nwell電阻Copyright by Mo Bing

6、電阻版圖華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室Nwell電阻Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室NwellN+電阻版圖M1Nwell電阻M1N+P-sub電阻版圖華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室Poly電阻Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻版圖Poly電阻M1場氧絕緣層PolyP-sub電阻版圖華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室N+電阻Copyright by Mo Bing電阻版圖華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實

7、驗室N+電阻Copyright by Mo Bing電阻版圖華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室N+電阻M1N+P-subCopyright by Mo Bing電阻版圖華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室狗骨型電阻Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻版圖狗骨型電阻狗骨電阻和折疊電阻可以看出大的端頭會降低布局密度Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室本章主要內(nèi)容6.16.36.56.26.46.6電阻版圖電阻寄生效應(yīng)微調(diào)電阻電阻率和方塊電阻電阻變化不同類型電阻比較電

8、阻匹配6.7Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻阻值變化工藝變化電阻阻值取決于其方塊電阻和尺寸。方塊電阻會隨薄膜厚度、摻雜濃度。摻雜分布和退火條件的波動變化，電阻的尺寸也會隨著光刻誤差和刻蝕速率的不一致而發(fā)生變化。電阻類型尺寸方塊電阻阻值偏差電阻類型尺寸方塊電阻阻值偏差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華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻阻值變化工藝變化CSMC 0.5 DPTM 方塊電阻Copyright by M

10、o Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻阻值變化工藝變化現(xiàn)代工藝的方塊電阻誤差基本都可以維持在20%以內(nèi)，以CSMC 0.5um工藝為例，N+和P+的擴散電阻均可維持在10%偏差內(nèi)，Poly1和poly2電阻在20%誤差內(nèi)，帶阻擋層的高阻HPoly的偏差基本也可以控制在30%以內(nèi)。Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻阻值變化在工藝中，用線寬控制來做光刻和工藝尺寸的度量。一般線寬控制用特征尺寸的百分比來衡量，現(xiàn)代工藝中大部分工藝都可以保證線寬控制在其最小特征尺寸的20%以內(nèi)。電阻容差可由以下關(guān)系進行估算。CL 0.2WminWuse W

11、use例如：1.方塊電阻偏差25%，有效線寬2um,線寬控制0.25um,則電阻容差為38%。2.方塊電阻偏差25%，有效線寬2um,特征尺寸0.5um,則電阻容差為30%。注意：阱電阻除了考慮線寬控制外，還需考慮橫向擴散。在CSMC0.5DPTM工藝中典型阱深2.7um.工藝變化Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻阻值變化電阻設(shè)計規(guī)則：1.在容差不重要的情況下，電阻可以使用最小寬度，這樣期望的阻值容差為線寬控制20%加上方塊電阻變化值。但是注意擴散電阻不能窄于結(jié)深的150%。2.需要中等精度的容差時，電阻寬度為最小特征尺寸的23倍，期望容差為10

12、%加上方塊電阻變化值。3.需要高精度電阻時，可以選用最小特征尺寸的5倍以上的寬度，期望容差為4%加上方塊電阻變化值。工藝變化偏差偏差MinTypMaxMinTypMaxN阱9001000110010%N+6065708%P+1551701859%Poly115192323%Poly248556213%HPoly2_180/109101080Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室溫度變化溫度系數(shù) TCR ppm/+3800+4000+3700+1500+600+2500+3000-1000+1000+6000材料鋁（塊狀）銅（塊狀）金（塊狀）160 /基區(qū)

13、擴散7 /發(fā)射區(qū)擴散5K /基區(qū)收縮擴散2K /高值薄膜電阻（P型）500 /多晶硅電阻（4KAN型）25/多晶硅電阻（4KA N型）10K /N阱電阻阻值變化幾種材料在25時的典型溫度系數(shù)Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻阻值變化非線性多晶電阻制作于場氧上方，場氧在多晶和襯底之間起絕緣作用，散熱性差，所以多晶電阻容易受自加熱的影響。使用多晶電阻時繪制長度不能太短，減小多晶晶粒非線性的影響。電阻類型尺寸方塊電阻阻值偏差電阻類型尺寸方塊電阻阻值偏差MinTypMaxMinTypMaxPoly1 Cont0.5X0.50310-Poly2 Cont0

14、.5X0.501220-N + Cont025100-P + Cont090200-Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻阻值變化接觸電阻每個電阻至少有兩個接觸孔，每個接觸孔都會增加電阻的阻值。Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻阻值變化接觸電阻M1絕緣層Poly場氧P-subpoly1的接觸電阻典型值為3歐姆， poly2的接觸電阻典型值為12歐姆Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室N+M1M1N+N+P-subM1P-subP-subP+M1NwellN+N+

15、接觸電阻典型為25NwellN+接觸電阻典型為25P+接觸電阻典型為90Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室本章主要內(nèi)容6.16.36.56.26.46.6電阻版圖電阻寄生效應(yīng)微調(diào)電阻電阻率和方塊電阻電阻變化不同類型電阻比較電阻匹配6.7電阻寄生效應(yīng)T1Poly模型多晶硅電阻電路模型華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室多晶硅電阻的寄生效應(yīng)T2夾層氧化物場氧襯底2模型Copyright by Mo Bing電阻寄生效應(yīng)多晶硅電阻的寄生效應(yīng)多晶電阻的四周被絕緣物包圍，這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了多晶硅會和絕緣層和襯底構(gòu)成寄生電容（Poly-絕緣層-襯底）。其分布電容

16、可以使用模型或多模型來估計。此外跨越多晶硅的導(dǎo)線會引入額外的寄生電容，這樣的寄生電容有可能會將噪聲耦合到高阻抗回路。因而在精密模擬電路中，信號線不能布在多晶電阻上。夾層氧化物場氧襯底Copyright by Mo BingPoly華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室電阻寄生效應(yīng)擴散電阻模型Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室本章主要內(nèi)容6.16.36.56.26.46.6電阻版圖電阻寄生效應(yīng)微調(diào)電阻電阻率和方塊電阻電阻變化不同類型電阻比較電阻匹配6.7Copyright b

17、y Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室不同類型電阻比較Poly電阻工藝類型：polycide: 降低柵極電阻silicide： 降低源漏電阻salicide： 既能降低柵極電阻，又能降低源漏電阻Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室不同類型電阻比較Poly電阻Poly電阻是集成電路設(shè)計中常用的一種電阻，它是由用制作MOSFET的Poly層來制作的電阻。Poly電阻一般有以下幾種：1.摻雜硅化的Poly電阻2.摻雜非硅化的Poly電阻EX：多晶硅柵EX：多晶硅電阻3.非摻雜非硅化的Poly電阻 EX：阻止柵注入的多晶電阻Copyright

18、 by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室不同類型電阻比較Poly電阻摻雜硅化的Poly電阻多晶硅淀積工藝中淀積的多晶硅薄層電阻是比較大的，為了改善導(dǎo)電性能一般對其進行重摻雜以減小其方塊電阻。此時多晶硅的電阻率在幾十到一百多歐姆之間。為了進一步減小其電阻，現(xiàn)代短溝道工藝中使用Polysilicide工序，在制作柵極的Poly層上淀積導(dǎo)電的硅化物，將多晶硅的方塊電阻降至2歐姆左右。一般用于制作柵或互連線。摻雜硅化的Poly柵和電阻不同類型電阻比較摻雜非硅化的Poly電阻對電阻而言，硅化物不僅降低了方塊電阻，而且由于晶圓淀積的厚度不一樣，所以電阻隨工藝波動很大，同一晶圓上電阻的匹

19、配性能也不如非硅化的Poly電阻。所以為了制造更加精確的電阻，許多工藝提供“硅化物阻擋層”，即在制作電阻的多晶上覆蓋一層硅化物阻擋層，防止Poly被硅化。這種電阻稱為摻雜非硅化的Poly電阻。華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室Poly電阻摻雜非硅化的Poly電阻Copyright by Mo BingCopyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室不同類型電阻比較Poly電阻1.匹配性能好：摻雜非硅化的Poly電阻比阱電阻和N+/P+電阻小，由多晶電阻的等效模型可知，由于不會存在寄生二極管，所以不會有反型層的影響，具有較高的線性度。所以在標準CMOS工藝中，其

20、匹配性能最好，一般用來做高精電阻。2.寄生電容小：摻雜非硅化電阻的寄生電容基本和阱電阻的相當(dāng)，但是Poly電阻不存在邊緣電容，所以一般小面積電阻，Poly電阻的寄生電容會比阱電阻的寄生電容小，大面積的電阻的話電容可能會稍微大一點。但是在兩種情況下都遠小于P+/N+寄生電容。3.溫度特性好：Poly電阻的溫度特性也比較好，輕摻雜多晶硅具有負溫度系數(shù)，重摻雜多晶則有正溫度系數(shù)，在一定摻雜濃度下（如 4KA 200歐姆 /）時具有零溫度系數(shù)，一般可以將溫度系數(shù)控制在250ppm/范圍內(nèi)，其溫度特性遠優(yōu)于擴散電阻。Poly電阻非摻雜非硅化的Poly電阻Copyright by Mo Bing不同類型電

21、阻比較非摻雜非硅化的Poly電阻CMOS工藝中為了能制造高阻值電阻，有些工藝提供阻止Poly被硅化的同時防止對Poly進行離子注入工序，這樣的薄層Poly電阻比阱電阻的方塊電阻值更大。方塊電阻非常高，一般可以達到12K/左右，寄生電容、溫度系數(shù)、線性度等都和非硅化的Poly電阻相當(dāng)。華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室不同類型電阻比較阱電阻阱電阻即用阱來做電阻主體，在P襯底工藝下阱電阻一般使用NWell來實現(xiàn)，有時候工藝線沒有提供高阻值薄層多晶電阻，此時高阻值的電阻可以用長條型的N阱來制作，電阻的兩端使用N+進行連

22、接。阱電阻的方塊電阻值比較大，通常都在幾百歐姆以上。但是方塊電阻不RCopyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室不同類型電阻比較阱電阻N阱電阻的方塊值還隨阱到襯底的電壓變化而劇烈變化，這導(dǎo)致了電阻呈現(xiàn)嚴重肺線性。這是由于阱電阻底部和襯底間的反型層厚度變化比較大，影響了N阱的單位長度電阻值。所以N阱電阻難以確定阻值大小，匹配起來也比較困難。此外阱電阻的溫度系數(shù)也比較差（6000ppm/）。不同類型電阻比較N阱電阻華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室阱電阻P+P+NwellPsub帶PSD收縮層的N阱電阻Copyright by Mo BingCopyright

23、 by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室不同類型電阻比較N+/P+電阻P+/N+電阻是在襯底或阱中用P+擴散區(qū)或N+擴散區(qū)制造而成的電阻，這種電阻和阱電阻的區(qū)別從本質(zhì)來說是摻雜濃度不同，阱和襯底的摻雜要遠低于P+/N+擴散區(qū)。P+/N+電阻的摻雜濃度高于阱電阻，因而其方塊電阻要比阱電阻小，通常在100200歐姆 /左右。P+/N+電阻的方塊電阻對于擴散區(qū)到阱或襯底的電壓變化不像阱電阻那樣敏感，因為P+/N+電阻的摻雜濃度高，對于特定電壓變化，反型層厚度變化較小，因而P+/N+電阻的匹配性要比Nwell好。P+/N+電阻具有較大的寄生電容，其寄生電容比Nwell的寄生電容大。

24、Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室不同類型電阻比較金屬薄膜電阻集成電阻通常采用的是為其它用途而優(yōu)化的材料制作，因而性能不如分立電阻元件?，F(xiàn)代工藝中也有專用電阻材料可以淀積在集成電路表面形成薄膜，且這種薄膜電阻性能也優(yōu)于擴散電阻和多晶硅電阻。這種電阻溫度系數(shù)小于100ppm/，且具有理想的線性，甚至通過激光校正電阻容差可由控制在0.1%以內(nèi)。缺點是所需要的特殊工藝成本較高，在一定程度上限制了其應(yīng)用。Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室本章主要內(nèi)容6.16.36.56.26.46.6電阻版圖電阻寄生效應(yīng)微調(diào)電阻電

25、阻率和方塊電阻電阻變化不同類型電阻比較電阻匹配6.7Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室微調(diào)電阻滑動接觸孔Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室微調(diào)電阻滑動端頭Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室微調(diào)電阻長號式滑動調(diào)整電阻Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室微調(diào)電阻金屬選擇Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室微調(diào)電阻Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室微調(diào)電阻Copyright by Mo Bing華僑大學(xué)廈門專用集成電路系統(tǒng)重點實驗室本章主要內(nèi)容6.16.36.56.26.46.6電阻版圖電阻寄生效應(yīng)微調(diào)電阻電阻率和方塊電阻電阻變化不同類型電阻比較