1、Module 3 模拟集成电路版图基础模拟集成电路版图基础Lab3-1 CMOS 无源器件结构与版图无源器件结构与版图 知识单元：1、电阻 2、电容 3、电阻和电容画法实例一、电阻：一、电阻：1、方块电阻、方块电阻方块电阻测量方法：用poly 来做一个电阻，先做一个正方形，长，宽相等。通过在其两端加电压，测量电流的方法，可以得到它的阻值。电阻连接：假设最后所得结果是200ohms。接下来把这2 块用金属线连在一起，那么可以得到400ohms 加上连线阻值的测量结果。所有材料都有阻值，金属也不例外，因此电阻的和会比400ohms 大一些。方块电阻方块电阻直接连接：如果把这2 块直接连在一起，那么
2、可以测量得到阻值正好是400ohms。电阻并联：会达到什么结果呢？200ohms。把四个200ohms 的方块组合成一个更大的方块，可以同样得到200ohms 的电阻值。可以把这个方块越做越大，但最终测得电阻值将始终为200ohms。对于不同大小的方块来说，阻值是一样的。由此可以用每方块多少电阻来讨论电阻大小（200ohms/squares）。只考虑方块数，所有相同材料的方块有相同的电阻值。Poly 电阻：基本电阻：基本poly 电阻版图电阻版图poly 电阻表现形式：电阻表现形式：它的电阻可以从材料的宽度和2 个引线孔之间的距离来计算得到，这一部分电阻称为体电阻，右图。电阻制作原则：电阻制作
3、原则：实际上，电阻大小不确定性非常高，因此最终做出来的电阻大小不可能是完全和CAD软件中所设计的大小一样，这里引入一个delta 的概念，称为偏差补偿。在实际使用中，应该把电阻的宽度尽量做大，长度做长，这样delta 的影响就会很小。一般来说，长度取不小于10um，宽度取不小于5um。这些措施可以获得更好的精度和匹配。如果要获得更高的精度，可以把电阻作得更宽更长，因为delta 值是不变的，相应的它们的影响就变小了。II、电阻的其他选项、电阻的其他选项 高阻值低精度：在有些设计中，可能会需要很大的电阻值，如果对它的精度并不是很介意，允许有15%左右的变化。那么也可以把电阻的宽度做到比引线孔的宽
4、度还要小，这种电阻的形状非常象狗骨头。在高阻值，精度没有特殊要求的情况下，可以使用这种结构。蛇形电阻蛇形电阻 蛇形电阻的体电阻的计算：有一些新的规定，每一个拐角计半个方块，因为电流流过拐角的时候它的实际通路如下图（图1-9、1-10）所示。低阻值高精度电阻的原则低阻值高精度电阻的原则 如果想要得到一个阻值极低的电阻，而精度要求如果想要得到一个阻值极低的电阻，而精度要求很高，可以选择用金属来做。大的面积将有助于很高，可以选择用金属来做。大的面积将有助于减少减少delta 的影响，从而保证精度。的影响，从而保证精度。3其他类型电阻其他类型电阻 N+电阻：无需增添任何新的掩模版或层，只是用原先已有的
5、其他层来替代poly，就可以获得很多种电阻类型。P+电阻：一般来说是做在nwell 中，因此必须增加第三个的端点连接nwell，而且必须连接到最正的电平，一般来说是vdd。这样可以防止寄生PN 结的影响。直接直接nwell电阻电阻 直接nwell电阻：只不过需要2 个N+作为电阻头。对于较大的阻值的电阻可用nwell 来做。Nwell 掺杂低，经过光照，电阻值会降低，呈现不稳定的现象。处理方法：在nwell 上覆盖金属，并将其电位接到电源电压上，若无法接到电源电压时，可将其接到电阻两端较高电位端。在nwell 电阻四周加电源电压，以降低电压系数。当well 电阻要接到pad，则必须于外围环绕p
6、seudo collector，电位接到地，以防止其对其他的电路造成latch-up。扩散电阻与扩散电阻与Poly电阻对比电阻对比 使用工艺中已有的层来做电阻，做一些较小的修改就可以得到所需要的方块电阻。扩散电阻和Poly 电阻的一样，也要考虑delta 效应的影响。扩散电阻是做在衬底上的，因此在边缘变化比较大，工艺上不那么好控制。而且在做的时候必须注意第三个端点的连接。Poly 电阻是由淀积在衬底表面上的多晶硅构成，其寄生电容最小且厚度精确，且长宽等都可以得到很好的控制。因此在可能的条件下，尽量选择poly 电阻。各种电阻的典型值各种电阻的典型值二、电容：电容基本原理二、电容：电容基本原理
7、电容电容:是一个有能力存储一定量电荷（一定数量的电子）的器件。电容存储电荷的能力称为容性。它的测量单位是法拉。电容是由一个称为电介质的绝缘材料分隔两个导电薄片构成的。电荷存储在电介质上。电容的值的决定因素：绝缘体的厚度、绝缘体的质量（用电介质常数来量度）、两个薄片互相覆盖的面积来决定。阱电容阱电容 在场效应管的栅极和衬底之间，存在寄生电容。称之为恶性寄生。但是，如果正好需要电容，这个寄生是需要的。金属电容金属电容 扩散电容缺点：传递噪声：扩散电容在PN 结上会有一个寄生电容。任何输入到扩散电容底部平行板上的信号将会自动耦合到衬底上。在电路设计中有些情况，需要一个电容器阻断直流信号，但是允许交流
8、信号传输到下个电路块。金属电容 大多数信号电容会由金属制成。这可以消除PN 结，可以消除寄生二极管带来的电容。电容依赖性也将得到消除。金属电容金属电容为了保证上部平行板和下部平行板没有短接，几乎所有的IC 工艺都有一个非常厚的金属介质层。由于增加了厚度，等式中的电容常数将会有点不同。除此之外，金属电容和扩散电容的公式完全一样，尽管有非常厚的电介质。因为金属之间通常保持的非常远，为了得到和扩散电容一样的电容值，金属电容面积必须非常大。金属-金属电容比扩散电容占用更大的面积。多层金属：多层金属可以制作所谓的层叠电容。多层金属像一叠饼一样在彼此的上面层叠起来，每两层之间都有电容，直到最上层。一片金属
9、被连成手指形与另一片金属的手指交叉。事实上，交叉金属可以在单位芯片面积上得到更大的电容。POLY 电容电容 POLY 电容是最佳的选择:它不仅具有寄生效应小 与偏置电压无关 低的温度系数 单位面积的电容值很高。在制作固定面积金属电容中，交叉金属来得到更大电容的方法同样可以用在POLY 电容中，我们形象的称之为“三明治电容”几种集成电容的比较几种集成电容的比较电阻电容画法实例电阻电容画法实例:电阻画法实例电阻画法实例 现在以1.5K 和250的Poly 电阻为例，介绍一下电阻的画法。首先查到Poly 的方块电阻值为25/先做一个电阻单元，Poly 宽为2u,长为40u,两端通过引线孔用金属引出。
10、此电阻阻值为500。电阻画法实例电阻画法实例 要得到1.5K 的电阻，只需要把3 个单元电阻串联起来，就得到所需阻值的电阻，如图1-19所示。电阻画法实例电阻画法实例 把两个500的电阻单元并联起来，就得到了所需的250的电阻，如图1-20 所示电容画法实例电容画法实例 以1pF poly 电容为例:先画底层Poly1，做电容的下级板，如图1-21 所示;然后在Poly1上覆盖一层Poly2，做电容的上极板，如图1-22 所示。l接着在Poly1 和Poly2 上加上金属通孔，如图1-23，1-24 所示。l最后，在整个电容版图上加上一层CAP 层，做为标识层用，整个电容的版图如图1-25 所
11、示。Lab3-2 CMOS 有源器件结构与版图有源器件结构与版图 知识单元：1、特殊MOS 结构与版图画法 2、三级管结构与版图画法特殊特殊MOS 结构与版图画法结构与版图画法 Bend-gate-MOSLONG LENGTH MOS 特点：倒比管，LW，常用来做电阻，如图2-3 所示CLOSED GATE TRANSISTOR 特点：可以提高开关速度及频率响应，漏端寄生电容小，如图所示。三级管结构与版图画法三级管结构与版图画法 1三极管原理 三极管可分类：NPN 和PNP。由两个PN结构成 PN结基础 在PN 结两端加正偏压，就会产生由P 向N 的电流，PN 结导通，考虑载流子的话，就是电子
12、由N 向P，空穴由P 向N。如果在PN 结加反偏压，就会在PN 结产生一个势垒，没有电流流过，也就是PN 结截止。2、垂直、垂直NPN 垂直NPN 管 和相同水平工艺相比较，基极面积很小，从而就会有比较高的速度。NPN 的P 区这是在工艺中控制的，因此要更方便容易一些。横向NPN 管 NPN 做成横向的结构，由于P 区必须要通过引线孔才能把信号接出来，由于设计规则的限制，P 区面积不可能做到最小，这就完全毁掉了他的优点。因此，对于NPN 来说一定是垂直器件。横向横向PNP 管管 PNP 和NPN 是互补的，其符号如图2-9 所示。一般来说，PNP 管没有办法做成和NPN 一样的垂直结构，横向P
13、NP 是最为常见的。它的版图（图2-10）会发现有2 个环。对于PNP 的基极来说，寄生电阻的影响也比较大，因此有些工艺中采用扩散N 掺杂来取代离子注入的工艺，从而获得较低的电阻。Lab 3-3 模拟版图寄生效应模拟版图寄生效应 知识单元：1、电容和电阻的公式；2、寄生电阻；3、寄生电容。集成电路是由很多层组成的，比如poly 层，nwell 层，metal1 层，metal2 层等等。当布线的时候，metal2 层可能会从metal1 层上通过，这时metal1 和metal2 就会形成一个寄生电容。同样的，MOS 是在衬底上制作出来的，也会形成寄生电容。我们甚至可以说，寄生电容无所不在。同
14、样的，由于材料都具有电阻率，因此寄生电阻和寄生电容一样，是必须面对的问题。当电路要求高频、低功耗、低噪声的时候，如何减少寄生电容和寄生电阻将会是设计师面临的挑战。电容和电阻的公式电容和电阻的公式 两块平行金属板构成的电容相关公式如下：二、寄生电容二、寄生电容 在集成电路板图中，寄生电容无处不在。我们无法消除它的影响。如果忽略它，将会给电路造成一些麻烦，可能对一般电路没有多少影响，但对于追求高频率，高速度的今天，忽略就意味着将造成损失。寄生电容一般可分为与衬底有关的寄生电容、层与层间的寄生电容、MOS 器件中的寄生电容。与衬底有关的寄生电容与衬底有关的寄生电容 CMOS 电路制作在衬底上，因此无
15、法消除这种与衬底有关的寄生电容。这种寄生电容可能带来很大的麻烦。由于寄生电容的存在，衬底上总是存在杂乱无章的噪声。它们会沿着衬底，传到衬底的每个角落，对需要低噪声的电路产生灾难性的影响。噪声严重的circuit1，由于寄生电容的存在，将噪声传到了要求低噪声的circuit2，从而影响了circuit2 的工作。为了避免这种情况的发生，可以采用guard ring 的结构。与衬底有关的寄生电容中最值得注意的是金属连线和衬底间的寄生电容。减少金属和衬底间寄生电容的影响的措施 一种方法是尽量减小金属连线的长度。如果控制金属连线的长度，金属连线和衬底之间的相交面积就会减少。另一种方法是取决于工艺，尽可
16、能的采用顶层金属来作为连线。从上面电容公式中可以看出，寄生电容的大小与极板的距离是成反比的。由于顶层的金属和衬底间的氧化层厚度是最大的，因此顶层金属和衬底间的寄生电容是最小的。层与层间的寄生电容层与层间的寄生电容寄生包括：寄生包括：层对衬底形成寄生，层与层之间，层与层的侧面之间等等。在ASIC 设计中，会用到自动布局布线工具，有些金属连线常常直接从某个功能块上通过，如图3-3 所示。这是因为，数字集成电路为了节约芯片面积，减少流片成本，而不得已为之。在模拟集成电路中：常常需要把敏感的信号线互相隔离开来，使它们不会互相影响。所以为了减少寄生对电路的干扰，就需要在作版图时，最好不要到处布线，杂乱无
17、章。也尽量避免从MOS(或重要电路)上过线，尽量从电路的周围绕道而行，如图3-4 所示。器件中的寄生电容器件中的寄生电容 图3-5 和图3-6 是NMOS 和NPN 管的寄生电容的示意图。以NMOS 为例，在栅极和衬底，源漏和衬底，源漏和栅极间都存在寄生电容，同时，栅极上还存在寄生的串联电阻。这些寄生电容和电阻是无法避免的。唯一可减小的CMOS 寄生器件是减小栅的串联电阻，由此减小栅的RC 常数，改进器件速度。常用的方法是把栅分成多指状，把大的器件分割成小的器件和源漏合并，来改进CMOS 晶体管的寄生影响。寄生电阻寄生电阻 在布线时，根据电流的大小来选择布线的宽度 假设metal1 1 微米可
18、以承载0.5 毫安电流。如果电路需要载流1 毫安的电流时，就选择布线宽度为2 微米。IR DROP 假设连结两部分电路的布线长度为1000 微米，按照这样连线，结果出现了问题，这是为什么呢？首先假设金属的方块电阻值为 0.05 ohms/，可以得到1000 微米长的金属线的电阻值为R=(1000/2)*0.05=25 ohm 再根据V=IR 公式，可以计算得出 V=IR=1*25=25mV 可以看出，在1000 微米的金属连线上，电压出现了偏移。这就是IR 效应。解决方法：解决方法：可以利用电阻并联的特性和增加线宽，减少金属方块电阻数量等方法，来减少寄生电阻的阻值。譬如，上面的例子中，就可以增
19、加线宽至5 微米，来减小寄生电阻的影响。IR DROP：电源走线：电源走线 一般而言，受寄生电阻影响最大的是电源走线。走线策略：顶层电路中，经常把电源线分成若干条，提供给不同的模块。可根据分支电流的大小来安排电源线的宽度，电流大的相应的线宽也要大。若有足够的空间，对于大电流的电源线，可以用较粗的金属线单独走线。同时在pad 处用三层平行金属上下打通，类似于三层金属线并联，来减小大电流引起的寄生电阻，而且可以节省版图面积。图3-7 给出了一个复杂的晶体管电阻模型，其中含有金属电阻、接触孔电阻、有源电阻、栅电阻等等，并且描绘了横跨这个晶体管的不同电流通道。观察图3-7 可以发现，有源区电阻是主要的
20、晶体管寄生电阻，是金属电阻的1000 倍，是金属接触电阻的10 多倍。因此在版图设计中，尽因此在版图设计中，尽量减少有源区电阻。量减少有源区电阻。Lab3-4 模拟版图匹配效应模拟版图匹配效应 知识单元：1、匹配的重要性；2、MOS 管的匹配；3、电阻的匹配；4、电容的匹配。匹配的重要性匹配的重要性 匹配是版图设计中重要的技巧其中之一。匹配就意味着对称，包括：器件对称 布局布线对称等等。简单来说，对于两个器件，它们周围的环境是一致的，就可以说它们是匹配的，对称的。l 图4-1 所示的带隙基准电路就是常见的一种。图中的M1 和M2，M3 和M4 分别组成电流源，要让它们具有很好的对称性，否则会造
21、成电路两边电流不相等，从而影响电路性能。这种情况称之为失配。对于图4-1 的电路，器件的对称性尤为重要。布线匹配布线匹配 对于匹配，不仅是在考虑器件之间的对称性，还好考虑诸如布线的长度，走势，布局水平还是垂直等等，方方面面都有考虑对称的必要性。器件A 与器件B 有两条线相连，其中一条net01 因有其他器件阻碍，所以要绕道，从而增加线的长度。net01 和net02 有很大的区别，net01 走线长，还附带出线上的寄生电容和寄生电阻等不良因素，因此信号从net01 和从net02 上传输时，就产生的差异。二、二、MOS 管的匹配：栅阴影效应管的匹配：栅阴影效应在生产过程中，由于光刻及晶圆加工中
22、许多步骤沿不同轴向加工，这样晶片会在某个方向上存在差异性，这便导致了晶体管的差异。在源漏的离子注入时，常把注入方向（或者圆片方向）倾斜7 度左右，这样栅极就会阻挡一部分离子，形成阴影区。结果，在源区或者漏区有一条窄条区，它接受的注入较少，从而注入区退火后，使源区和漏区边缘的扩散产生了细微的不同，如图4-3 所示。这就是所谓的栅阴栅阴影效应影效应。如果阴影区出现在源区或者漏区，这个MOS 管不会因为阴影区而导致失配。而图4-4b 中，两个MOS 的失配比较严重，因为M1 的源区右边是M2 管，而M2 的源区右边是场氧。同样的，M1 和M2 左边的结构也不一样。简单的说，M1 和M2 周围的环境不
23、同导致了它们的失配。解决方法：我们可以采取类似图4-5 中的dummy MOS 的方法，使M1 和M2 周围的环境相同。为了减小失配，可以采用共中心的布局方法。这种布局方法将两个MOS 管各分为原来的一半，沿对角线放置且并联连接，如图4-8 所示。它的基本思想就是将器件平均分割，依中心位置进行排列。这种布局方法经常用于运算放大器的差分管的版图中，可以减小差分管的失调电压。对于更大的宽长比的MOS 差分管，图4-9 给出了一些版图局的方案，可以减少失配的影响。布线造成的失配布线造成的失配 对于中心对称布局，强调的是对称轴两边保持相同的环境。在实际版图中；金属走线的不恰当，往往也会导致失配的发生。
24、如图4-10 中，M2 管旁边有一根金属走线通过，而M1管旁边没有，这样会降低对称性，增大M1 和M2 之间的失配。解决的方法是在M1 旁边也放置一条无用的金属走线，这样会大大提高对称性同样的；图4-11 中左边的布局对称性很差，到功能块A 和功能块B 的金属走线长度不同，会导致寄生电阻不同，从而导致失配。而右边的布局采用了中心对称，匹配很好。电阻的匹配电阻的匹配在晶圆加工时，由于过度刻蚀和掺杂不均，会导致电阻阻值的失配。对于过度刻蚀，可以用dummy device 的方法来避免，这里值得提出的是，dummy电阻也必须和其余的电阻，在宽度和间距上保持一致，这样才能保证，电阻周围的环境是一样的。
25、电阻的布局有两种方式，一种是叉指式，如图4-12a 所示。另一种是中心对称式，如图4-12b 所示。由于掺杂不均，导致在X 轴上方块电阻值的不同。因此对于匹配而言，中心对称式是最佳的选择。电阻计算电阻计算 电阻的计算，是以1 个方块电阻为多少计算，常见的如poly1 电阻1 个方块电阻为8-11，nwell 电阻1 方块电阻为1K。最小组件的选择最小组件的选择 对于一组电阻值为2K,1K 和500 的电阻，不同的人，就会有不同的画法，如图4-13 所示。之所以会出现上图这几种画法，原因在于所采用的最小组件不同，变化就产生了。最小组件的选择。选定最小组件后，再进行中心对称，达到合理的布局。同时在
26、画电阻时，还要要考虑到节点的问题，因为节点寄生电阻的存在，无疑加大了电阻的阻值。可以采用电阻并联的特性，将节点电阻进行并联，从而减少节点寄生电阻。因此图4-13 中D 即考虑了对称性，又考虑到节点电阻的问题，是最好的选择。从考虑节点电阻来看，组件的选择不是最小最好，适用才是最好，主要还是按实际情况而定。四、电容的匹配四、电容的匹配 电容的版图设计中匹配的考虑，类似于电阻中的匹配考虑。也要注意到氧化层的不均匀，和过度刻蚀的问题，解决的方法和电阻差不多，见图4-14，图4-15。多电容值的布局和电阻考虑的方法相同，采用最小组件和共中心布局方法，见图4-16 所示。模拟版图噪声效应模拟版图噪声效应
27、知识单元 1、衬底噪声；2、金属线之间的串扰；噪声在集成电路中一直是一个比较难以解决的问题，特别在高速和敏感电路中，它更需要小心对待。这里所讨论的噪声现象不是由于器件热噪声或者电荷散射所引起的，而是由于衬底寄生电容引起的衬底噪声，或者是时钟信号由于寄生电容耦合导致的串扰噪声，或者是CMOS I/O 上由于电平的变化导致的电源总线噪声等等。衬底噪声衬底噪声 衬底并不是想象中的那么安静。由于寄生电容的存在，噪声可以通过衬底传播到芯片的任何地方，如图5-1。对于噪声严重的电路，我们可以用guard ring 将它围住，同时也用guard ring 将低噪声电路围起来，减少噪声对它的影响，如图5-2。
28、我们还可以在版图布局时，将噪声严重的电路和低噪声的电路放开的远一点，如图5-3。在数模混合电路中，由于数字时钟信号的缘故，数字电路会产生比较大的噪声，会对模拟电路造成较大的影响。要小心对待模拟功能块和数字功能块电源地的安排。一般要将数字地和模拟地分开，如图5-4。这样可以避免数字模块产生的大的瞬态噪声干扰模拟模块的工作。这样又存在一个问题，芯片的衬底应该和那个地相连？一般来说，这取决于从衬底和地流经数字模块的瞬态电流大小和图5-4 中L1、L2 的大小，但大多数情况下，芯片的衬底都和模拟地相连。一般情况下，需要对整个环境（包括封装）进行细致逼真的仿真，才能确定那个方法更好一点。技术可以减小信号
29、的串扰：一种是采用新的电路结构差分对。利用差分信号将大多数的串扰信号转换成共模干扰。如图5-6 中，由于CK 和Vin，VA 和VB 与Vin 之间的耦合电容的存在，会对Vin 和Vout 的信号产生干扰。由于VA 和VB，CK 传输的是数字信号，因此它们的电压摆幅很大，因此Vin 和Vout 的信号损失是相当明显的。为了解决这个问题，可以采用图5-7 中的差分对结构，这样可以将干扰减小一个数量级。注意版图中增加了一个虚拟的连线，其目的是在CK 和Vin-之间生成一个与CK 和Vin+之间电容相等的交叠电容。减小信号的串扰：减小信号的串扰：“屏蔽屏蔽”敏感信号敏感信号另一种方法就是在版图设计中，“屏蔽”敏感信号。如图5-8 中，在敏感信号线两边都放一条地线，这样就使噪声干扰线发出的大部分电场线终止于地线而不是信号线。这样的布线比单纯的增加信号线与干扰线之间的距离根为有效。但是可惜的是，这样做同时也增加了信号线与衬底的寄生电容。
