微電子集成電路 第6章集成無源器件版圖設(shè)計(jì)

第6章集成無源器件版圖設(shè)計(jì)6.1 引言6.2 薄層集成電阻器6.3 有源電阻6.4 集成電容器6.5 電感6.6 互連線6.7傳輸線16.1引言集成電路可以認(rèn)為是由元器件組成的。元器件可以分為無源的和有源的兩類。集成電路中的無源元件包括電阻、電容、電感、互連線、傳輸線等，有源器件就是各類晶體管。本章我們將重點(diǎn)給出集成元器件版圖常見圖形及設(shè)計(jì)原則。26.2集成電阻器集成電路中的電阻分為：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3薄層集成電阻器合金薄膜電阻多晶硅薄膜電阻采用一些合金材料沉積在二氧化硅或其它介電材料表面上，通過光刻形成電阻條。常用的合金材料有：（1）鉭（Ta）；（2）鎳鉻（Ni-Cr）；（3）氧化鋅SnO2；（4）鉻硅氧CrSiO。特點(diǎn)：較高的精度，較低溫度系數(shù)和較大電流承載能力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。4摻雜半導(dǎo)體電阻薄層集成電阻器不同摻雜濃度的半導(dǎo)體具有不同的電阻率，正是利用摻雜半導(dǎo)體所具有的電阻特性，可以制造電路所需的電阻器。根據(jù)摻雜方式，可分為：離子注入電阻擴(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。特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、兼容性好、但精度稍差離子注入方式形成的電阻的阻值容易控制，精度較高。5薄層電阻的幾何圖形設(shè)計(jì)常用的薄層電阻圖形6薄層電阻圖形尺寸的計(jì)算方塊電阻的幾何圖形＝R□·

7材料最小值典型值最大值互連金屬0.050.070.1頂層金屬0.030.040.05多晶硅152030硅-金屬氧化物236擴(kuò)散層1025100硅氧化物擴(kuò)散2410N阱（或P阱）1k2k5k

0.5-1.0mMOS工藝中作為導(dǎo)電層的典型的薄層方塊電阻阻值單位:Ω/口8薄層電阻端頭和拐角修正不同電阻條寬和端頭形狀的端頭修正因子9薄層電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)TC是指溫度每升高1℃時(shí)，阻值相對(duì)變化量：在SPICE程序中,考慮溫度系數(shù)時(shí)，電阻的計(jì)算公式修正為：10薄層電阻射頻等效電路芯片上的薄層電阻的射頻雙端口等效電路：襯底電位與分布電容：116.3有源電阻MOS有源電阻及其I-V曲線直流電阻：交流電阻：Ron︱VGS=V＝12有源電阻有源電阻的幾種形式：飽和區(qū)的NMOS有源電阻示意圖：136.4集成電容器在集成電路中，有多種電容結(jié)構(gòu)：金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)多晶硅/金屬-絕緣體-多晶硅結(jié)構(gòu)金屬叉指結(jié)構(gòu)

PN結(jié)電容

MOS電容146.4.1平板電容制作在砷化鎵半絕緣襯底上的MIM電容結(jié)構(gòu)：考慮溫度系數(shù)時(shí)，電容的計(jì)算式為：15平板電容電容模型等效電路：固有的自頻率：實(shí)際中讓電容工作在?0/3以下

166.4.2金屬叉指結(jié)構(gòu)電容優(yōu)點(diǎn)：不需額外工藝兩條金屬連線之間的電容可認(rèn)為是叉指電容特例。

176.4.3PN結(jié)電容

突變PN結(jié)電容計(jì)算公式：任何pn結(jié)都有漏電流和從結(jié)面到金屬連線的體電阻，因而，結(jié)電容的品質(zhì)因數(shù)通常比較低。結(jié)電容的參數(shù)可以采用二極管和晶體管結(jié)電容同樣的方法進(jìn)行計(jì)算。電容值依賴于結(jié)面積，例如，二極管和晶體管的尺寸。

PN結(jié)電容的SPICE模型就直接運(yùn)用相關(guān)二極管或三極管器件的模型。186.4.4MOS結(jié)構(gòu)電容與平板電容和PN結(jié)電容都不相同，MOS核心部分，即金屬-氧化物-半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的電容具有獨(dú)特的性質(zhì)。它的電容-電壓特性取決于半導(dǎo)體表面的狀態(tài)。隨著柵極電壓的變化，表面可處于：積累區(qū)耗盡區(qū)反型區(qū)19MOS結(jié)構(gòu)電容MOS電容(a)物理結(jié)構(gòu)(b)電容與Vgs的函數(shù)關(guān)系20MOS結(jié)構(gòu)電容MOS動(dòng)態(tài)柵極電容與柵極電壓的函數(shù)關(guān)系216.5電感6.5.1集總電感集總電感可以有下列兩種形式：?jiǎn)卧丫€圈多匝螺旋型線圈多匝直角型線圈22硅襯底上電感的射頻雙端口等效電路：236.5.2傳輸線電感單端口電感的另一種方法是使用長(zhǎng)度l<λ/4波長(zhǎng)的短路傳輸線(微帶或共面波導(dǎo))或使用長(zhǎng)度在λ/4<l<λ/2范圍內(nèi)的開路傳輸線。兩種傳輸線類型的電感值計(jì)算如下：當(dāng)l`=l時(shí)，對(duì)應(yīng)于短路傳輸線；當(dāng)l`=l-λ/4時(shí)，對(duì)應(yīng)于開路傳輸線。開路傳輸線的好處：其長(zhǎng)度能通過切割來調(diào)整。由傳輸線構(gòu)成的電感優(yōu)點(diǎn)：電感值能夠精確計(jì)算。246.6互連線對(duì)于各種互連線設(shè)計(jì)，應(yīng)該注意以下方面：為減少信號(hào)或電源引起的損耗及減少芯片面積，連線盡量短。為提高集成度，在傳輸電流非常微弱時(shí)(如MOS柵極)，大多數(shù)互連線應(yīng)以制造工藝提供的最小寬度來布線。在連接線傳輸大電流時(shí)，應(yīng)估計(jì)其電流容量并保留足夠裕量。制造工藝提供的多層金屬能有效地提高集成度。在微波和毫米波范圍，應(yīng)注意互連線的趨膚效應(yīng)和寄生參數(shù)。某些情況下，可有目的地利用互連線的寄生效應(yīng)。256.7傳輸

線

6.7.1集總元件與分布元件

隨著工作頻率的提高，使得一些諸如互連線的IC元件的尺寸與傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)可相比，這時(shí)集總元件模型就不能有效描述描述那些大尺寸元件的性能，應(yīng)定義為分布元件。

IC設(shè)計(jì)中的分布元件主要包括：微帶線和共面波導(dǎo)。

傳輸線主要功能：傳輸信號(hào)和構(gòu)成電路元件。266.7傳輸

線

典型微帶線的剖面圖

6.7.2微帶線(Micro-strip)

在一片介質(zhì)薄板兩面形成的兩條平行帶狀導(dǎo)線。微帶線設(shè)計(jì)需要的電參數(shù)主要是：阻抗、衰減、無載Q、波長(zhǎng)、遲延常數(shù)。使用芯片微帶線優(yōu)點(diǎn)是：有大量的理論分析結(jié)果,技術(shù)已經(jīng)成熟。276.7.3共面波導(dǎo)

共面波導(dǎo)由中間金屬帶和作為地平面的兩邊的金屬帶構(gòu)成。常規(guī)共面波導(dǎo)雙線共面波導(dǎo)

28共面波導(dǎo)

相對(duì)于微帶線，CPW的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，因?yàn)樗?/p>