模拟集成电路版图基础讲解

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
• 把两个500Ω的电阻单元并联起来，就得到了所需 的250Ω的电阻，如图1-20 所示
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;
• 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
• 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。
– 然后在Poly1上覆盖一层Poly2，做电容的上极 板，如图1-22 所示。
接着在Poly1 和Poly2 上加上金属通孔，如图1-23，1-24 所示。 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 所示。
Lab3-2 CMOS 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
• 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pseudo collector，电位接到地，以防止其对其他的电路造 成latch-up。
Poly 电阻：基本poly 电阻版图
• poly 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： – 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。
层与层间的寄生电容
• 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
各种电阻的典型值
二、电容：电容基本原理
• 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。
• 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
• 直接连接： – 如果把这2 块直接连在一起，那么可以测量得到阻值正好是 400ohms。
II、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
• 蛇形电阻的体电阻的计算：
横向PNP 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PNP 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。
– 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
• 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 减少delta 的影响，从而保证精度。
3．其他类型电阻
• N+电阻：
特殊MOS 结构与版图画法 • Bend-gate-MOS
LONG LENGTH MOS
• 特点：倒比管，L>>W，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
• 1．三极管原理
• 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
• POLY 电容是最佳的选择:
• 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 • 两块平行金属板构成的电容相关公式如下：
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。
扩散电阻与Poly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。
– 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NPN
– 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
电阻电容画法实例: 电阻画法实例
• 现在以1.5K 和250Ω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25Ω/□ – 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。此电阻阻值为500Ω。
– 无需增添任何新的掩模版或层，只是用原先已有的其 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nwell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。
Module 3 模拟集成电路版图基础
Lab3-1 CMOS 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：1、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。
Ｎ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
• 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，但是允许交流信号传输到下个电路块。