第七章 电容版图设计

电容类型
MIP电容 电容
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
MIM电容 电容
Copyright by Huang Weiwei
电容类型
Metal4 Metal3 A Metal2 Metal1 Poly1 B
A
A
Metal2
B
Metal4 Metal3 B
Metal2 Metal3
Metal2 Metal1
发射结电容
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
各种电容比较
NBL
发射结电容
如果阳极和衬底 电势相连， 电势相连，那么基区扩 散可以进入隔离区以节 省版图面积。 省版图面积。图中版图 从中间公共隔离岛/发 从中间公共隔离岛 发 射区接触伸出叉指。该 射区接触伸出叉指。 布局有利于减小叉指长 度和寄生电阻。 度和寄生电阻。
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
各种电容比较
版图设计者需要确 定是使用平板电容还是 梳状电容。 梳状电容。如果知道面 电容和边电容时， 电容和边电容时，可以 估算是那种版图的面积 更小。 更小。如果不知道面电 容和边电容， 容和边电容，则趋向于 选择面电容， 选择面电容，因为梳状 电容电容值对边电容的 依赖性更大， 依赖性更大，而边电容 很难通过推导计算得出。 很难通过推导计算得出。
集成电容有明显的寄生效应， 集成电容有明显的寄生效应，相对理 想的电容由两块大平面板电极间的静电作 用产生。 用产生。这些相同的极板也会与集成电路 的其它部分产生静电耦合， 的其它部分产生静电耦合，产生不希望的 寄生效应。一般而言， 的寄生电容比 的寄生电容比C2 寄生效应。一般而言，C3的寄生电容比 为了减小C3寄生电容 寄生电容， 小，为了减小 寄生电容，除了与电容相 连的导线， 连的导线，一般不要让其它引线从电容上 跨过，否则会增加不需要的电容， 跨过，否则会增加不需要的电容，而且存 在引发噪声耦合的可能。 在引发噪声耦合的可能。有时出于改进匹 配减小串接电阻的考虑，在上极板加M1， 配减小串接电阻的考虑，在上极板加 ， C3的影响会变得明显。 的影响会变得明显。 的影响会变得明显
Copyright by Huang Weiwei
本章主要内容
布线寄生电容 电容类型及其容值变化
CH7
电容寄生效应 各种电容比较 电容匹配布局
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
布线电容
T
布线电容由两部分组成： 布线电容由两部分组成： 1.平板电容 平板电容 2.杂散电容 杂散电容
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
电容的寄生效应
R1 B D1 C/E D3 R2 D4 D2 D/S/B D1 R3 R1 D2 R2 G
MOS
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
各种电容比较
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
本章主要内容
布线寄生电容 电容类型及其容值变化
CH7
电容寄生效应 各种电容比较 电容匹配布局
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
电容的寄生效应
C3 C1
C2
发射结电容
标准双极工艺和模拟 BiCMOS工艺都能提供发射 工艺都能提供发射 结电容。 结电容。 零偏电压下， 零偏电压下，这种电容 能提供较大的单位面积电容， 能提供较大的单位面积电容， 但是这种电容会随着反偏电压的增加而逐渐减小。结电容 但是这种电容会随着反偏电压的增加而逐渐减小。 的这种较大的可变性使得它只能作为非关键处的电容使用。 的这种较大的可变性使得它只能作为非关键处的电容使用。
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
H
布线电容
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
布线电容
每层互连线都与上一层金属和下一层金属垂直可 以减小重叠电容，但是这样会增加布线的复杂度。 以减小重叠电容，但是这样会增加布线的复杂度。
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
布线电容
L12 = L21
L11 L22
串扰
ε ox
ε ox
X
C12 = C21
C11
C22
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
布线电容
材料 硅 二氧化硅 干氧氧化 等离子体 TEOS 氮化硅 LPCVD 等离子体 相对介电常数 11.8 3.9 4.9 4.0 6~7 6~9 介电强度（ 介电强度（MV/cm） ） 30 11 3~6 10 10 5
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
布线电容
电容版的有效面积由上极板和下极板的交叠区域决 由于极板尺寸远大于介质厚度， 定。由于极板尺寸远大于介质厚度，所以对于薄膜电容 通常可以忽略边缘效应。 通常可以忽略边缘效应。
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
电容的变化
电压调制
理想情况下，电容值与两端的偏压无关。事实上， 理想情况下，电容值与两端的偏压无关。事实上，结电容的电容值受偏压的 影响很大。 影响很大。 PN结反向偏压增加时相应的耗尽区宽度也随之增加。所以电容值从零偏压的 结反向偏压增加时相应的耗尽区宽度也随之增加。 结反向偏压增加时相应的耗尽区宽度也随之增加 情况逐渐减小，最终因为耗尽区内的电场过强，引发雪崩击穿。 情况逐渐减小，最终因为耗尽区内的电场过强，引发雪崩击穿。正偏时因为外偏 置电压抵消内建电势差，所以耗尽区变窄。 置电压抵消内建电势差，所以耗尽区变窄。 当正偏的结电容等于内建电势差时耗尽区消失，且结电容迅速下降。 当正偏的结电容等于内建电势差时耗尽区消失，且结电容迅速下降。
IC工艺和版图设计
第七章 电容版图设计
主讲： 主讲：黄炜炜
Email：hww@hqu.edu.cn ： 华侨大学信息学院电子工程系厦门专用集成电路系统重点实验室
参考文献
1 . Alan Hastings著 . 张为 译 . 模拟电路版 图的艺术.第二版 . 电子工业出版社 . CH6-7
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
电容的变化
电压调制
栅压相当背栅为负时，体硅中的多数载流子被向上抽取并在氧化层下积累， 栅压相当背栅为负时，体硅中的多数载流子被向上抽取并在氧化层下积累， 此时电容由器件的栅介质决定。 此时电容由器件的栅介质决定。 栅正偏时，多数载流子被排斥从而远离表面，并形成耗尽区，随着偏压增大， 栅正偏时，多数载流子被排斥从而远离表面，并形成耗尽区，随着偏压增大， 耗尽区加宽，电容减小。 耗尽区加宽，电容减小。 栅压等于阈值电压时，从体硅中抽取少子，使表面反型，反型层形成后， 栅压等于阈值电压时，从体硅中抽取少子，使表面反型，反型层形成后，偏 压增加只是增加少子浓度，不会影响耗尽区宽度。 压增加只是增加少子浓度，不会影响耗尽区宽度。 如果源漏未连接到背栅，因为耗尽层厚度不变，所以电容值保持不变。 如果源漏未连接到背栅，因为耗尽层厚度不变，所以电容值保持不变。 如果源漏短接到背栅，沟道使源漏短接，反型层成了电容下极板， 如果源漏短接到背栅，沟道使源漏短接，反型层成了电容下极板，电容增加 到重新等于栅氧电容值。 到重新等于栅氧电容值。
Poly1 Metal1
Sandwich电容 电容
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
电容类型
结电容
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copy源自文库ight by Huang Weiwei
电容的变化
工艺偏差
MOS电容中，电介质是单晶硅上的一层二氧化硅薄膜， 电容中，电介质是单晶硅上的一层二氧化硅薄膜， 电容中 薄膜厚度很小，现代CMOS工艺中栅氧化层的偏差一般在 薄膜厚度很小，现代 工艺中栅氧化层的偏差一般在 20%以内。 以内。 以内 在多晶或金属电极上淀积或生长的电介质比较难控制。 在多晶或金属电极上淀积或生长的电介质比较难控制。 介质层的介电常数除了和厚度有关外， 介质层的介电常数除了和厚度有关外，还与淀积的介质层成 分有关，氧化物-氮化物 氧化物结构的电介质很容易变化， 氮化物-氧化物结构的电介质很容易变化 分有关，氧化物 氮化物 氧化物结构的电介质很容易变化， 偏差至少在20%。 偏差至少在 。 结电容由基极和发射极扩散形成， 结电容由基极和发射极扩散形成，由于硅的介电常 数比较大，单位面积的电容也大于薄膜电容， 数比较大，单位面积的电容也大于薄膜电容，平板结构 的结电容偏差一般再20%，梳状的电容偏差为 的结电容偏差一般再 ，梳状的电容偏差为30%。 。
Copyright by Huang Weiwei
本章主要内容
布线寄生电容 电容类型及其容值变化
CH7
电容寄生效应 各种电容比较 电容匹配布局
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
电容类型
B A A
Poly P+ N+ N+ P+
B A
MOS电容（NMOS） 电容（ 电容 ）
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
各种电容比较
MOS电容 电容
MOS晶体管可以用作电容， 晶体管可以用作电容， 晶体管可以用作电容 但是其轻掺杂背栅会使寄生电 阻增大。 阻增大。 MOS晶体管不适合作为电 晶体管不适合作为电 容使用，但是在有些CMOS工 容使用，但是在有些 工 艺中往往是唯一的选择。 艺中往往是唯一的选择。使用 MOS电容需要注意的是 电容需要注意的是MOS晶 电容需要注意的是 晶 体管的偏置通常不在C-V特性 体管的偏置通常不在C-V特性 的阈值电压附近。这样就可以使器件工作在积累区或强反型区 使器件工作在积累区或强反型区， 的阈值电压附近。这样就可以使器件工作在积累区或强反型区，避免 电容工作在耗尽区。 使MOS电容工作在耗尽区。 电容工作在耗尽区 使用MOS电容时还需要注意因为电容的下极板轻掺杂（衬底或 电容时还需要注意因为电容的下极板轻掺杂（ 使用 电容时还需要注意因为电容的下极板轻掺杂 衬底或N ），导致下极板寄生很大串联电阻 所以避免使用太长沟道的 导致下极板寄生很大串联电阻， 避免使用太长沟道的MOS 阱），导致下极板寄生很大串联电阻，所以避免使用太长沟道的 来制作电容。如果略去源漏扩散，可以使用背栅接触完全包围栅极。 来制作电容。如果略去源漏扩散，可以使用背栅接触完全包围栅极。
Copyright by Huang Weiwei
0.8um工艺的寄生电容 工艺的寄生电容
布线电容
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
布线电容
串扰
互连线直接的寄生电容Cm和互感 和互感Lm 互连线直接的寄生电容 和互感 -在高密度布线时是一个令人困扰的难题。 在高密度布线时是一个令人困扰的难题。 在高密度布线时是一个令人困扰的难题 -有时会造成传输信号错误。 有时会造成传输信号错误。 有时会造成传输信号错误
B
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
电容类型
MOS电容（PMOS） 电容（ 电容 ）
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
电容类型
PIP电容 电容
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
Poly-Poly电容的电路模型（无串联电阻的简单模型） 电容的电路模型（无串联电阻的简单模型） 电容的电路模型
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
电容的寄生效应
C3A C1A R2 C2A C2B R1 C3B C1B
Poly-Poly电容的电路模型（含串联电阻的π模型） 电容的电路模型（含串联电阻的 模型 模型） 电容的电路模型
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
Copyright by Huang Weiwei
布线电容
L 电 流
杂散电容变化率
T
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室
H
Copyright by Huang Weiwei
0.8um工艺的寄生电容 工艺的寄生电容
布线电容
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室