集成电路版图第2章：基本IC单元版图设计

7
8
基本IC单元版图设计 基本IC单元版图设计 – 电阻
多晶硅电阻公式：基本电阻器版图 多晶硅电阻公式： - 以硅片作为衬底材料，在衬底上淀积一层多晶硅，再在多晶硅 以硅片作为衬底材料，在衬底上淀积一层多晶硅， 层上覆盖一层氧化层，形成隔离的绝缘层， 层上覆盖一层氧化层，形成隔离的绝缘层，然后在氧化层上刻蚀 出用于连接的接触孔。 出用于连接的接触孔。 一般接触孔位于多晶硅的两头。 一般接触孔位于多晶硅的两头。 电阻公式： 体区电阻公式： rb = （Lb/Wb）* ρb
metal contact
W L
oxide poly substrate
top view
cross sectional view
9
基本IC单元版图设计 基本IC单元版图设计 – 电阻
多晶硅电阻公式：考虑接触电阻rc 多晶硅电阻公式：考虑接触电阻r - 由于有接触电阻的存在，所以 R = rb + 2rc 由于有接触电阻的存在， 为两个接触端的接触电阻） （rc为两个接触端的接触电阻） - 接触区被认为是有固定长度的。如果接触区的宽度增大，接触电阻将 接触区被认为是有固定长度的。如果接触区的宽度增大， 变小；如果接触区的宽度减小，接触电阻将变大。 变小；如果接触区的宽度减小，接触电阻将变大。 - 总接触电阻 Rcontact = rc = Rc/Wc = Ω*um/um 是由接触所决定的电阻因子，单位“ *um” （Rc是由接触所决定的电阻因子，单位“Ω*um”；Wc为接触区宽 度） - 接触区的宽度可能并不一定和电阻器的宽度相同，它取决于工艺的设 接触区的宽度可能并不一定和电阻器的宽度相同， 计规则，可能会要求接触区宽度必须小于电阻器宽度。 计规则，可能会要求接触区宽度必须小于电阻器宽度。
13
基本IC单元版图设计 基本IC单元版图设计 – 电阻
实际电阻分析：扩展电阻 实际电阻分析：
uncertain region
uncertain region
small spread region
big spread region
14
基本IC单元版图设计 基本IC单元版图设计 – 电阻
实际电阻分析： 实际电阻分析：扩展电阻 - 当电子离开接触区后，电子传播的实际路径是逐渐展开的，直到它们 当电子离开接触区后，电子传播的实际路径是逐渐展开的， 最终达到整个多晶硅宽度。所表现出的电阻称之为“扩展电阻” 最终达到整个多晶硅宽度。所表现出的电阻称之为“扩展电阻”。 - 扩展电阻和许多因素有关。如果采用的是宽接触区和宽电阻条结构， 扩展电阻和许多因素有关。如果采用的是宽接触区和宽电阻条结构， 这种影响可以忽略。 这种影响可以忽略。但如果一个电阻的接触区设计的较小且非常靠 以至于电子没有足够的时间展开到多晶硅全部宽度方向， 近，以至于电子没有足够的时间展开到多晶硅全部宽度方向，电流分 布的宽度小于多晶硅的设计宽度，此时需考虑因扩展而带来的误差。 布的宽度小于多晶硅的设计宽度，此时需考虑因扩展而带来的误差。 - 有些制造商允许金属与接触延伸到多晶硅之外，这消除了展开区的问 有些制造商允许金属与接触延伸到多晶硅之外， 能否这样设计取决于工艺技术。 题。能否这样设计取决于工艺技术。 - 对于接触电阻和扩展电阻项精确而详细的计算随制造商的不同而变， 对于接触电阻和扩展电阻项精确而详细的计算随制造商的不同而变， 并且这属于商业秘密。有多种技术和公式用于ic制造去确定扩展电阻 并且这属于商业秘密。有多种技术和公式用于ic制造去确定扩展电阻 这些技术和公式的大部分是不公开的。 项，这些技术和公式的大部分是不公开的。 - 总电阻方程： 总电阻方程： R = rb + 2rh + 2rc + 2rs （“rs”是来自于扩展区的电阻，扩展因子，见工艺手册。） 是来自于扩展区的电阻，扩展因子，见工艺手册。） 也有将接触电阻和扩散电阻组合在一起以一个单独项表示的） （也有将接触电阻和扩散电阻组合在一起以一个单独项表示的）
电流 10 1 2 3 4 5 80 6 7 8
6
基本IC 基本IC单元版图设计 – 电阻 IC单元版图设计
方块/薄层电阻： 方块/薄层电阻： 设计/工艺/规则手册： 薄层电阻（ - 设计/工艺/规则手册： 薄层电阻（率）ρ 对于薄层电阻，同一种材料层，不同制造商的数值会有所不同， - 对于薄层电阻，同一种材料层，不同制造商的数值会有所不同，其 中一个可能的原因是厚度的不同。 中一个可能的原因是厚度的不同。 四探针测试”法探测每方欧姆数值（R=V/I）。 - 用“四探针测试”法探测每方欧姆数值（R=V/I）。 ic中典型的电阻值： poly栅 2~3欧姆 欧姆/ - ic中典型的电阻值： poly栅： 中典型的电阻值 2~3欧姆/方 metal层 metal层： 20~100毫欧姆 20~100毫欧姆/方（小电阻；良导体） 毫欧姆/ 小电阻；良导体）
11
基本IC单元版图设计 基本IC单元版图设计 – 电阻
多晶硅电阻公式：改变体材料 多晶硅电阻公式：
metal contact
oxide poly
body
suБайду номын сангаасstrate
head
top view
cross sectional view
12
基本IC单元版图设计 基本IC单元版图设计 – 电阻
实际电阻分析： 实际电阻分析： - 在CAD画图中做出来的电阻器经常是明显地小于或者大于你所画的， CAD画图中做出来的电阻器经常是明显地小于或者大于你所画的 画图中做出来的电阻器经常是明显地小于或者大于你所画的， 被称为δ 需要在公式里对该项进行补偿。 被称为δ项，需要在公式里对该项进行补偿。 - 接触区误差： 接触区误差： 接触孔刻蚀的时候，得到的实际接触孔尺寸和宽度产生了误差， 接触孔刻蚀的时候，得到的实际接触孔尺寸和宽度产生了误差，我们 称之为宽度的δ 也称为公差、误差、变化量、尺寸变化、 称之为宽度的δ（也称为公差、误差、变化量、尺寸变化、溢出或者 变化）。 可正可负，即过加工或者欠加工。宽度、 ）。δ 变化）。δ可正可负，即过加工或者欠加工。宽度、长度变化分别用 δW和 δW和δL表示。如假设W是4um，而δW是0.06um，这表明实际 表示。如假设W 4um， δW是 .06um um， 的宽度最大是4 最小是3 大小取决于δ 的宽度最大是4.06um ，最小是3.94um ，大小取决于δ表示的是过 加工还是欠加工。 加工还是欠加工。 - “体区误差” 和“头区误差”同样也需考虑。电阻公式改写为： 体区误差” 头区误差”同样也需考虑。电阻公式改写为： R = [(Lb +δ Lb )/(Wb +δ Wb )] ρb + [(L )/(W 2[(Lh +δ Lh )/(Wh +δ Wh )] ρh + [(L )/(W 2 [Rc/(Wc+δWc)]
多晶硅电阻公式：改变体材料 多晶硅电阻公式： - 原因：poly栅电阻大约只有2~3欧姆/方，有时我们要求电阻的范围 原因：poly栅电阻大约只有 栅电阻大约只有2~3欧姆 欧姆/ 更大一些。改变体材料能够有效提高电阻率，有助于得到较高的、 更大一些。改变体材料能够有效提高电阻率，有助于得到较高的、更 有用的电阻率。 有用的电阻率。 - 改变电阻率的方法： 改变电阻率的方法： 可以淀积另一层具有不同电阻特性的多晶硅。 可以淀积另一层具有不同电阻特性的多晶硅。 可以通过改变已淀积在芯片上的多晶硅材料层的结构来改变电阻率。 可以通过改变已淀积在芯片上的多晶硅材料层的结构来改变电阻率。 - 具体制作方法： 具体制作方法： 在所用的多晶硅材料的中部开一个窗口，并注入另外的杂质材料， 在所用的多晶硅材料的中部开一个窗口，并注入另外的杂质材料，阻 碍电子的流动，来提高电阻率。 碍电子的流动，来提高电阻率。另一种方法是将中间的多晶硅刻蚀掉 一部分使其变薄。 一部分使其变薄。 这些被改变的材料块为电阻的“ 这些被改变的材料块为电阻的“体”。通常会有一个设计规则用以说 明 体区边界与接触区的最小距离， 体区边界与接触区的最小距离，这个间隔上原始的多晶硅被称为电阻 器的“ 总电阻： 器的“头”。总电阻： R = rb + 2rh + 2rc = (Lb/Wb)*ρb + 2 (Lh/Wh)*ρh +2 (L Rc/Wc
I=电流
W L H(厚度 厚度)
R=ρ
L HW
4
5
基本IC单元版图设计 基本IC单元版图设计 – 电阻
方块/薄层电阻： 方块/薄层电阻： 每方欧姆是IC中电阻的基本单位。 IC中电阻的基本单位 每方欧姆是IC中电阻的基本单位。 每方欧姆数值也被称为材料的薄层电阻。材料可以是poly poly， 每方欧姆数值也被称为材料的薄层电阻。材料可以是poly， 也可以是金属，或者任何其他采用的材料。 也可以是金属，或者任何其他采用的材料。 可以根据任意矩形计算方数。 可以根据任意矩形计算方数。 方数=L/W 方数并不一定是整数，可以含有小数， =L/W” “方数=L/W”方数并不一定是整数，可以含有小数，如4.28 方。 例如，设材料是“80x10”大小（任何可能单位）， ），则 例如，设材料是“80x10”大小（任何可能单位），则 80/10=8方 80/10=8方。
diffusion： 2~200欧姆 diffusion： 2~200欧姆/方 欧姆/ 工艺中的任何材料都可以做电阻。 - 工艺中的任何材料都可以做电阻。 常用的材料有poly diffusion。 poly和 常用的材料有poly和diffusion。 常用电阻器阻值范围： 常用电阻器阻值范围： 10~50 欧姆 100~2k 欧姆 2k~100k 欧姆 - 电阻值计算公式： R = （L/W）* ρ 电阻值计算公式： L/W）
2
第二章 基本IC单元版图设计 基本IC单元版图设计 基本IC单元版图 基本IC单元版图 电阻 电容 电感 二极管 CMOS版图 CMOS版图 双极晶体管