第四章集成電路設(shè)計(jì)

第四章集成電路設(shè)計(jì)第四章集成電路是由元、器件組成。元、器件分為兩大類：

無源元件電阻、電容、電感、互連線、傳輸線等有源器件

各類晶體管

集成電路中的無源源件占的面積一般都比有源器件大。所以設(shè)計(jì)時(shí)盡可能少用無源元件，尤其是電容、電感和大阻值的電阻。IC中有多種電容結(jié)構(gòu)MOS電容結(jié)構(gòu)PN結(jié)電容結(jié)構(gòu)金屬叉指電容結(jié)構(gòu)多晶硅/金屬-絕緣體-多晶硅電容

IC中主要電容器

MOS電容PN結(jié)電容§4.1集成電路電容器

MOS電容器與平板電容和PN結(jié)電容都不相同。

因?yàn)榻饘?氧化物-半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的電容具有獨(dú)特的性質(zhì)。

電容—電壓特性取決于半導(dǎo)體表面的狀態(tài),隨柵極電壓變化，表面可處于：

積累；耗盡;反型.

一、MOS電容器1.

MOS電容結(jié)構(gòu)金屬sio2半導(dǎo)體diVGC=CiCsCi+Cs串聯(lián)PN+sio2金屬金屬ToxN+Psio2縱向結(jié)構(gòu)橫向結(jié)構(gòu)MOS電容電容量Cox=Aε0εsio2ToxTox:

薄氧化層厚度；A:薄氧化層上金屬電極的面積。一般在集成電路中Tox不能做的太薄，所以要想提高電容量，只能增加面積。N+層為了減小串聯(lián)電阻及防止表面出現(xiàn)耗盡層。

集成電路中要制作一個(gè)30pF的MOS電容器，所用面積相當(dāng)于25個(gè)晶體管的面積。AlSiO2ALP+P-SUBN-epiP+N+N+MOS電容P

N+PN外延NN+PPN結(jié)電容在PN結(jié)反偏時(shí)的勢(shì)壘電容構(gòu)成的電容器

PN結(jié)電容與MOS電容的數(shù)量級(jí)相當(dāng)。P襯+-二、PN結(jié)電容突變PN結(jié)電容計(jì)算公式：PN結(jié)電容與雜質(zhì)濃度有關(guān)，若考慮橫向擴(kuò)散：總結(jié)面積=底面積+4個(gè)側(cè)面積A=πxjW2+4W2W:正方形pn結(jié)擴(kuò)散區(qū)的邊長(zhǎng)。參考P452.42發(fā)射區(qū)擴(kuò)散層—隔離層—隱埋層擴(kuò)散層PN結(jié)電容P襯底SiO2-P+隔離+N+埋層N+發(fā)射區(qū)P+N-+CjsP基區(qū)三、平板電容§4.2集成電阻器及版圖設(shè)計(jì)集成電路中的電阻無源電阻

通常是合金材料或采用摻雜半導(dǎo)體制作的電阻薄膜電阻擴(kuò)散電阻溝道電阻有源電阻將晶體管進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接和偏置，利用晶體管的不同的工作區(qū)所表現(xiàn)出來的不同的電阻特性來做電阻1、合金薄膜電阻

摻雜多晶硅薄膜也是一個(gè)很好的電阻材料，廣泛應(yīng)用于硅基集成電路的制造。采用一些合金材料沉積在二氧化硅或其它介電材料表面，通過光刻形成電阻條。常用的合金材料有：鉭Ta鎳鉻Ni-Cr氧化鋅ZnO鉻硅氧CrSiO薄層電阻不同摻雜濃度的半導(dǎo)體具有不同的電阻率，利用摻雜半導(dǎo)體的電阻特性，可以制造電路所需的電阻器。

2、多晶硅薄膜電阻3、摻雜半導(dǎo)體電阻方塊電阻的幾何圖形

＝R□·設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮電阻的長(zhǎng)寬比即可，R□

根據(jù)工藝調(diào)整例：設(shè)計(jì)一個(gè)2kΩ基區(qū)電阻。一般基區(qū)擴(kuò)散的方塊電阻為200Ω/□，所以只要構(gòu)造長(zhǎng)寬比為10的圖形即可。根據(jù)摻雜工藝來分類擴(kuò)散電阻

對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行熱擴(kuò)散摻雜而構(gòu)成的電阻，精度較難控制離子注入電阻

離子注入方式形成的電阻，阻值容易控制，精度較高利用與集成電路兼容的擴(kuò)散工藝構(gòu)成的電阻器利用與集成電路兼容的擴(kuò)散層構(gòu)成，主要根據(jù)摻入雜質(zhì)濃度和擴(kuò)散形成的結(jié)深決定阻值。發(fā)射區(qū)的摻雜濃度高，電阻最小基區(qū)電阻相對(duì)大，集電區(qū)的最大

擴(kuò)散電阻N集電區(qū)擴(kuò)散電阻N+N+基區(qū)擴(kuò)散電阻NPN+發(fā)射區(qū)SiO2RP+襯底R(shí)N+埋層N外延集電區(qū)P+P基區(qū)外延春層擴(kuò)哨散電志阻N發(fā)射礦區(qū)擴(kuò)數(shù)散電劍阻(發(fā)射份區(qū)擴(kuò)肥散層)溝道似電阻鏈（夾投層電紛阻）利用指不同禮摻雜敘層之斥間的籍溝道穴形成豬的電換阻器溝道柿電阻＝R□·R□=減小抖結(jié)深，增疊加方氏塊電濤阻的擦阻值參；溝典道電書阻制應(yīng)作大足阻值蜂電阻薦的基禁本思藝想。蛙即兩鉗擴(kuò)散睜層之墻間的向溝道因結(jié)浮深難凡以精遙確控秩制，擺所以溝道追電阻的阻巾值也揀不能什精確急控制呀，精肅度要塌求高羞的電縱路不儉能采左用溝曬道電潑阻。

PN+

NINPI外延損層溝都道電碼阻基區(qū)責(zé)溝道慨電阻P電阻源取決究于夾禍層電捕阻率澡和結(jié)另深MO快S多晶線硅電技阻柵氧化層多晶硅場(chǎng)氧化層RR集成悔電路中幾包種擴(kuò)市散電司阻器犧的比院較電阻類型方塊電阻Ω/口相對(duì)誤差%溫度系數(shù)10-6/℃基區(qū)100-200±201500—2000發(fā)射區(qū)2-10±20+6000集電區(qū)100-1000±3可控基區(qū)溝道2~10×103±50+2500外延層2~5×103±30+3000外延層溝道4~10×103±7+3000薄膜—±3+200擴(kuò)散屬電阻宴的功用耗限柳制單位鐮電阻若面積帝的功孟耗PAR□單位棉電阻婚條寬章的工愿作電擺流IW(PA/R□)1/2單位惕電阻爭(zhēng)條寬殃的最唱大工柜作電拒流IW麥ma肯x(PAmax/R□)1/2(PAmax/R□)1/2R□越大，R□越小，擴(kuò)散稠電阻棚的最元小條侮寬版圖糊設(shè)計(jì)矛規(guī)則禁所決遙定的扎最小樸擴(kuò)散蹄條寬工藝強(qiáng)水平游和擴(kuò)由散電趣阻精果度要柏求所違決定技的最頌小擴(kuò)查散條較寬電阻常最大萄允許公功耗已所決斗定的賽最小充擴(kuò)散候條寬在設(shè)雀計(jì)時(shí)廉應(yīng)取喂最大辮的一惑種擴(kuò)散類電阻粉的最動(dòng)小條想寬WRm貍in受三清種因縱素的北限制：b.基區(qū)疼電阻摸等效季模型c.襯底征電位犧與分音布電飯容集成施電路助中電按阻模劑型集成略電路買中電欣阻基件本是斑由各碰擴(kuò)散枝層形欲成，羅除了外電阻辟本身唐，有扇反偏狠的PN結(jié)特敢性，憑帶來附加擦的電拴阻和拜電容(寄生露參數(shù))襯底s，n端接最高睬電位防止賠電阻愧器的pn結(jié)正偏偉使電喜阻失宜效晶體頑管有霧源電溜阻采用均晶體稱管進(jìn)竄行適爹當(dāng)連塌接并縫使其周工作叫在一持定的觸狀態(tài)概，利議用它亂的導(dǎo)通萬電阻作為曲電路夕中的齊電阻棉元件面使用雙極撥晶體辦管和MO那S晶體旋管都育可用救作有妙源電霜阻MO欲S管有咽源電冠阻器MO笛S有源品電阻靠及其I-申V曲線晶體織管有肌源寄搏生電匯阻N+PN+

P襯底IcR1R2R3R4R5Rc=奪R1+R2+白R(shí)3+肺R4+闖R5雙極替晶體鼻管集集電區(qū)牙電阻集成糞電路映中集罪電區(qū)體電阻Rc要比障分立些管的習(xí)大。Rc的增磁大會(huì)影壘響高導(dǎo)頻特項(xiàng)性和循開關(guān)刺性能。R1長(zhǎng)方吸體電季阻R2埋層河拐角樹體電鋼阻R3梯形鉆電阻R4埋層吩拐角卸體電侮阻R5長(zhǎng)方丘體電老阻分別勝計(jì)算智出各縫區(qū)的爹電阻法后相幫加參看殼書：P.華15好2為方蠅便起江見常胳將集電奏極電詞流流殿經(jīng)的存區(qū)域價(jià)劃分腐為五戀個(gè)區(qū)§最4.生3集成寬電路擁的互連訪技術(shù)耳和電感互連矩線單片歉芯片解上器疫件之春間互信連：金屬孫化工想藝，金停屬鋁態(tài)薄膜電路祝芯片項(xiàng)與外昂引線主之間膀的連也接(電路偉芯片壓與系塊統(tǒng)的鎮(zhèn)互聯(lián))：引線絕鍵合詢工藝為保跳證模劈燕型的的精確會(huì)性和繡信號(hào)交的完姥整性仿，需響要對(duì)?；ミB卵線的禁版圖礎(chǔ)結(jié)構(gòu)姓加以移約束姓和進(jìn)焦行規(guī)文整。在連捉接線笨傳輸刺大電注流時(shí)省，應(yīng)黨估計(jì)抓其電練流容真量并保莫留足烈夠裕坊量。各種棍互連伸線設(shè)仿計(jì)應(yīng)醋注意忘的問將題為減圈少信萄號(hào)或雞電源逆引起個(gè)的損鄰耗及滅減少媽芯片面積張，連姐線應(yīng)盡量石短。為提勢(shì)高集距成度寒，在席傳輸涉電流竭非常者弱時(shí)華如：MO卸S柵極泄，大集多數(shù)互連去線應(yīng)以融制造裕工藝提供云的最粒小寬侍度來爽布線謊。集成但電路總電雀感可有以有序兩種禿形式單匝之線圈予多匝升線圈多匝螺旋型線圈三.集成充電路讀的電感多匝直角型線圈單匝線圈4.精4集成稱器件噴和電摸路版丑圖設(shè)陸計(jì)一.版圖綁設(shè)計(jì)槽方式主要向規(guī)定站了掩憲模版旬各層殲圖形綁的寬度、間隔、重疊和兩個(gè)博獨(dú)立在的層宴間距乞離等的狹最小傘允許盟值。版圖臂設(shè)計(jì)紙規(guī)則正是連宏接電血路設(shè)約計(jì)者和電嗚路生初產(chǎn)者懷之間春的橋嗎梁PN+N-Si集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電托極引童線基極引線

發(fā)射極引線P

N+PN外延NN+P+-PN結(jié)電視容微米財(cái)設(shè)計(jì)閑規(guī)則以微床米為某尺度誦表示雪版圖筆最小的允許舊值得范大小淺。λ設(shè)計(jì)注規(guī)則以λ為基鳥本單浴位的拐幾何調(diào)設(shè)計(jì)搭規(guī)則權(quán)。將版粘圖規(guī)創(chuàng)定尺顧寸均既取為λ的整數(shù)淡倍來表枯示。有兩差種設(shè)礙計(jì)規(guī)訊則：微米差設(shè)計(jì)政規(guī)則言，λ設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)則控制愛掩模所版各殊層圖方形的寬度、間隔和兩個(gè)具獨(dú)立雷的層泊間距計(jì)離實(shí)際犬工藝領(lǐng)中，λ值不慕能簡(jiǎn)奏單的暫按比封例壓壯縮，只仍然耍保留棋微米設(shè)計(jì)宗規(guī)則按比奧例縮套小原鴨則CV規(guī)則嚇是在濫保持圖器件婚和電松路中評(píng)各點(diǎn)電位不變涼的條律件下谷，盡陳量來貪縮小材尺寸丈，以悟提高艘器件舅和電乳路的絞有關(guān)瓦性能。CE縮小甘規(guī)則催基本撒指導(dǎo)爭(zhēng)思想舌是在MO太SF墾ET內(nèi)部知電場(chǎng)不變滴的條猾件下息，通過詳按比穿例縮京小器把件的遺縱向烈和橫腐向尺谷寸（摸與此歲同時(shí)碎，電源遭電壓貌和閾禍值電籮壓也沙要與侮器件懷尺寸勺縮小虎相同上的倍絨數(shù)）揭，以提浩高跨撤導(dǎo)和昂減小六負(fù)載遣電容雁，從配而達(dá)望到增炒強(qiáng)集秘成電橋路性酬能的目胞的為了怒提高拍器件究和IC的頻忌率、騾速度謹(jǐn)性能鍛，就鞭需要縮小而器件跳的特住征尺寸。按芒比例南縮小排規(guī)則炮（sc話al準(zhǔn)in宏g粱la莖w）就駛是為龜了方夾便設(shè)幫計(jì)集盾成電路(I眼C)所采邀取的哨一種探規(guī)則N外延集電區(qū)

N+埋層

p-SiP基區(qū)N+N+集成患電路扔工藝課流程友針對(duì)答大量宵應(yīng)用丸的NP喘N管設(shè)籮計(jì)的PN梢P晶體唯管制誓作需她要采奴用與NP保N管兼結(jié)容的私技術(shù)襯底PN央P管發(fā)射劍區(qū)是藥利用NP醬N晶體壓管的榜基區(qū)壺兼容陜而成反的基區(qū)萬就是跑原來運(yùn)的外土延層集電脖區(qū)為嬸襯底NP金N晶體慕管橫向PN羽P管P型發(fā)咬射區(qū)螺和集燒電區(qū)某是在巨標(biāo)準(zhǔn)勿基區(qū)P擴(kuò)散鞭流程放中形更成的N型基董區(qū)就富是外幟延層穿，基肌極的陰引線蒜區(qū)是盜在標(biāo)糠準(zhǔn)發(fā)綢射區(qū)N+擴(kuò)散旅形成N外延集電區(qū)

N+埋層

p-SiP基區(qū)N+N+多極NP堵N管電流聞大，旦使電統(tǒng)流均俱勻分豈布。將集劃電極情、基唉極、唉發(fā)射墾極分象為多普個(gè)電傻極，強(qiáng)電極蘆用金榴屬電墾極連接在型一起啄。集電謠區(qū)用謠一個(gè)肝埋層略，集詞電極展引線唱孔處瘦要加N+擴(kuò)散售。p1癢59圖4.廳11和圖4.克12雙極擊型集肅成電康路基刺本制遺造工溜藝相面應(yīng)的儉版圖第一爪次光駱刻N(yùn)+埋層掙擴(kuò)散侍孔光浙刻埋層守氧化外延第二島次光撒刻P+隔離爆擴(kuò)散亡孔光毫刻第三果次光猛刻P型基仁區(qū)擴(kuò)戲散孔覺光刻第四肌次光微刻N(yùn)+發(fā)射裁區(qū)擴(kuò)礦散孔迷、集電息極引讀線擴(kuò)宿散孔炊光刻第五褲次光名刻引線從接觸昨孔光悄刻第六惹次光廣刻金屬猛化內(nèi)贈(zèng)連線信光刻-反刻畜鋁柵壓適為零企時(shí)，騰溝道獅不存娘在，加上半一個(gè)筐正的館柵壓緞才能餓形成N型溝減道柵壓哥為零塊時(shí)，軋溝道贏已存在，秤加上藍(lán)一個(gè)捆負(fù)的頌柵壓才能畜使N型溝敬道消靠失柵壓哥為零蕉時(shí)，旁溝道艇不存在，超加上石一個(gè)界負(fù)的皂柵壓才能陰形成P型溝由道。柵壓仆為零閥時(shí)，暗溝道鑼已存在，躲加上兇一個(gè)刺正的械柵壓可以林使P型溝蘿道消嚼失硅柵CM配OS器件(反相礎(chǔ)器)一個(gè)肅增強(qiáng)正型nM球OS和增牛強(qiáng)型PM嶄OS組成CM幟OS反相濃器工蠶作原晨理輸入換端高存電平輔時(shí)：nM莖OS管導(dǎo)肥通，pM效OS截止簽，輸轉(zhuǎn)出端問通過綢導(dǎo)通的nM鼓OS管接半地，睬輸出久端呈館低電撤平輸入塘端低雷電平枝時(shí)：pM辱OS管導(dǎo)買通，nM裕OS截止趁，輸倆出端妖通過糧導(dǎo)通的pM切OS管接福到VDD上，可呈現(xiàn)癢高電蠅平N阱CM王OS設(shè)計(jì)逼規(guī)則表4.柔7列出阿的最養(yǎng)小分暈辨率賄的微稱米規(guī)堤則與蓄規(guī)則健工藝炊的特歌征尺咱寸，罵版圖嫁基本琴幾何赤圖形畫及間撐隔MO言S自隔樂離，P型襯千底接運(yùn)地(Vss)，N阱區(qū)顏接VDD多晶因硅作伶引線援，為俊降低承電阻張，減緒小功斥耗，勸提高賴速度吹。多熔晶硅醒要重四摻雜N+減小腹接觸匪電阻旋，金趟屬與N+和P+接觸蠅連接(歐姆解接觸)；金鴨屬與課多晶靜硅和遙襯底婆接觸憂，需慈增大采接觸付面積N阱硅仍柵CM歪OS工藝甲流程CM碧OS反相汁器版圖找設(shè)計(jì)