北大集成電路版圖設計課件-第4章-電阻

第四章

電阻一.概述

電阻是集成電路設計中的一個重要組成部分，其在電路設計中的作用主要為限流和分壓。對于一個完整的電路設計，電阻是不可或缺的。固體按其導電性質可分為導體、絕緣體和半導體。導體與絕緣體和半導體相比較具有良好的導電性，但是不同材料的導體其導電能力也是有區(qū)別的。材料傳導電流的強弱可以用材料的電阻值來表示，某些材料的電阻值較大，而某些材料的電阻值較小。例如空氣具有較大的電阻值，多晶硅具有中等電阻值，而金屬具有較小的電阻值。集成電路芯片設計就是利用集成電路工藝在硅片上淀積并去除各種薄膜材料，最終形成電路結構。同樣，在硅片上淀積的每種材料都有其確定的電阻率。因此對集成電路芯片設計來說，電阻的版圖設計這個問題就轉變?yōu)椤叭绾卫迷诩呻娐饭に嚵鞒讨泄杵弦延械母鞣N薄膜材料來實現電阻版圖”。二.電阻率和方塊電阻

根據歐姆定律可知，電流流經導體時，會在導體兩端產生電壓降。一塊電阻率為，長度為L，寬度為W，厚度為t的均勻導體薄膜材料，其電阻值可以表示為：二.電阻率和方塊電阻

L

t

W

電流方向

圖4.1薄膜材料電阻示意圖電阻的阻值可以用方塊電阻乘以方塊數得到，其中方塊電阻與工藝有關，可通過查工藝手冊或設計手冊得到。

二.電阻率和方塊電阻

方塊電阻也稱為薄層電阻。對于相同的集成電路工藝，同一材料的方塊電阻是相同的。有了方塊電阻的概念，我們就不必再考慮材料的厚度了，只需關心材料的長度和寬度就可以了。由于版圖設計是利用平面作圖方法，因此只考慮長和寬對于電阻的版圖設計是非常方便的。需要大家注意，利用公式（4-3）可知，2微米×2微米的正方形電阻和4微米×4微米的正方形電阻的阻值是相同的。當然這一切都是以集成電路工藝不變?yōu)榍疤岬?，如果集成電路工藝發(fā)生變化，材料的厚度發(fā)生變化，那么方塊電阻也會發(fā)生變化。三.電阻的分類

集成電路中的電阻可分為無源電阻和有源電阻兩類。無源電阻通常是利用摻雜半導體材料或其它材料構成，主要包括多晶硅電阻、阱電阻、有源區(qū)電阻和金屬電阻；有源電阻則是通過將晶體管進行適當連接和偏置，利用晶體管在不同工作區(qū)域所表現出的電阻特性，例如MOS晶體管工作于線性區(qū)（三極管區(qū)），其電流—電壓特性接近于線性，這時該MOS晶體管可看做是一有源電阻。有源電阻和無源電阻相比較，優(yōu)點是占用面積較小，缺點是工作狀態(tài)受電流電壓影響，不穩(wěn)定。在集成電路設計中，大部分都是使用無源電阻。(1)

多晶硅電阻

在集成電路中經常采用多晶硅做電阻，由于多晶硅電阻的制作方法與MOS工藝兼容，因此制作簡單。制作時先用離子注入向淀積的多晶硅層進行摻雜，控制其方塊電阻，然后將淀積在場區(qū)上的多晶硅光刻成電阻條形狀，再在多晶硅電阻條上生成氧化層，用來掩蔽源漏區(qū)注入時向電阻區(qū)的摻雜。淀積在場區(qū)上的多晶硅說明：用來做電阻的多晶硅是第二層多晶硅。第一層多晶硅的作用：柵極、導線、poly-poly電容下極板。第二層多晶硅的作用：多晶連線、多晶電阻、poly-poly電容上極板。多晶硅電阻的阻值由摻雜濃度和電阻形狀決定。三.電阻的分類

(1)

多晶硅電阻的電阻形狀

①做成長條，在兩端開接觸孔與金屬連接，如圖(a)；②做成狗骨頭狀，如圖(b)。③蛇形，如圖(c），包括29個方塊，如圖(d)。(a)基本電阻

b)狗骨頭電阻(c)蛇形

(d)29個方塊三.電阻的分類

③蛇形，包括29個方塊。三.電阻的分類

(1)

多晶硅電阻三.電阻的分類

三.電阻的分類

電阻的實際版圖需要很多圖層，分別為電阻標示層、高阻注入層、第二層多晶硅和第二層多晶硅與金屬1接觸孔。各個圖層的具體作用如下：電阻標示層表示被該層覆蓋的區(qū)域為電阻區(qū)，在此區(qū)域內的多晶硅材料作為電阻來使用；高阻注入層表示通過注入掩蔽達到控制多晶硅方塊電阻的目的；第二層多晶硅表示利用該工藝的多晶硅材料來制備電阻，通常是第二層多晶硅；第二層多晶硅與金屬1接觸孔表示在多晶硅電阻的兩端開與第一層金屬相連接的接觸孔，然后利用第一層金屬將該電阻與其他元件相連接。三.電阻的分類

知識要點提醒：計算多晶硅電阻的方塊數時，長度的計算不能從接觸孔開始，而應該計算在高阻注入層區(qū)域內的多晶硅材料的長度。這時因為如果存在高阻注入層，則表示在高阻注入層內的多晶硅的方塊電阻較大（約幾KΩ/□），而沒被高阻注入層覆蓋的多晶硅材料其方塊電阻特別?。s幾十Ω/□）。所以對于精度不太高的計算，只需計算高阻注入層內的多晶硅電阻的阻值就可以了。三.電阻的分類

(2)

阱電阻摻雜的半導體材料具有電阻特性，不同的摻雜濃度具有不同的電阻率。CMOS集成電路工藝中的P阱和N阱，它們都是輕摻雜區(qū)，電阻率很高，10KΩ/□，可以利用阱區(qū)制作阻值較大的電阻。這種精度不高，經過光照后電阻的阻值會發(fā)生變化。繪制N阱電阻的版圖時，一定要保證電阻圖形的尺寸（長度或寬度）至少是阱深的兩倍，否則阱將不能達到全部結深。尺寸小于結深兩倍的電阻會呈現出更高的方塊電阻。圖

4.8阱電阻示意圖三.電阻的分類

(3)

有源區(qū)電阻無論P+還是N+有源區(qū)都可以做電阻，有源區(qū)電阻是在集成電路工藝過程中同時形成的，不需要增加專門的工藝步驟。缺點是電阻率不能靈活變化，受到工藝的限制。對于有源區(qū)電阻必須考慮襯底（即阱）的電位分布。由于電阻層和阱的導電類型不同，電阻區(qū)和阱之間形成了一個PN結。為了防止這個PN結導通，阱必須接一定的電位。要求無論哪個端，也不管在任何工作條件下，都要保證PN結不能導通。通常將P型襯底接電路中的最低電位，N型襯底接最高電位。這樣連接的最壞工作情況是電阻只有一端處于零偏置，其余點都為反偏置。例如，圖4.9所示的P+有源區(qū)電阻做在N阱中，除了電阻兩端的接觸孔之外，還必須在阱區(qū)增加第3個接觸孔，并把這個接觸孔接到最高的電位（通常是電源VDD），保證PN結反偏。

三.電阻的分類

圖

4.9有源區(qū)電阻示意圖(3)

有源區(qū)電阻三.電阻的分類

表有源區(qū)電阻和多晶硅電阻的比較有源區(qū)電阻多晶硅電阻三電極器件兩電極器件溫度穩(wěn)定性低溫度穩(wěn)定性高工藝控制較難易于工藝控制功率耗散高功率耗散低寄生大寄生小薄層電阻率可大可小薄層電阻率較小三.電阻的分類

(4)

金屬電阻金屬的電阻率很低，方塊電阻很小。盡管金屬的方塊電阻很小，但這并不意味著可以被忽略。標準雙極工藝的金屬厚度大約為0.1μm，方塊電阻約為20-30mΩ/□。CMOS工藝的特征尺寸較小，金屬厚度通常小于0.1μm，對應的方塊電阻也稍大一些。金屬電阻的典型阻值為50mΩ-5Ω。這個范圍的電阻可以用于構造電流敏感電路和大功率雙極型晶體管的鎮(zhèn)流。與多晶硅電阻一樣，金屬電阻可既以布成一條直線，也可以布成蛇形或折疊狀。電阻應位于場氧化層的上面，以避免氧化層臺階引起金屬方塊電阻的變化。在多層金屬工藝中，可以用任意層的金屬來制作電阻。需要注意的是，上層金屬導線可以布在下層金屬電阻之上，但是上層金屬電阻不能布在下層金屬或硅導線的上面，因為這樣會造成電阻的非等平面性。四.電阻設計依據

影響電阻值的因素很多，主要包括工藝變化、溫度、非線性和寄生電阻等。其他因素主要影響電阻匹配，包括方向、壓力和溫度梯度、熱電子效應、刻蝕速率的不一致性等。工藝變化影響電阻的阻值主要在于方塊電阻和尺寸這兩個方面。方塊電阻隨薄膜厚度、摻雜濃度、摻雜分布和退火條件的變化而變化；電阻的尺寸會由于光刻對準誤差和刻蝕速率不一致而變化?，F代的集成電路制造工藝可以將方塊電阻的誤差維持在±20%以內。線寬控制指的是對由光刻和工藝帶來的尺寸變化的度量。對1μm或者更大的特征尺寸，它與寬度的關系不大。也就是說，如果5μm的特征尺寸能夠容忍±1μm的變化，那么25μm（或者更大）的特征尺寸也可以。因此，通常用特征尺寸的百分比來衡量線寬控制，該百分比隨著特征尺寸的增加而改善。大部分工藝可以保證線寬控制在其最小特征尺寸的±20%以內。例如，最小特征尺寸為5μm的標準雙極工藝的線寬控制大約為±1μm。四.電阻設計依據

在某些集成電路工藝中，為了得到較高的方塊電阻，可以增加一掩蔽層（高阻注入層），利用該掩蔽層來提高多晶硅電阻的電阻率，進而提高方塊電阻。我們把在該掩蔽層下的多晶硅材料稱為體區(qū)材料，對應體區(qū)電阻，而將體區(qū)電阻兩端的多晶硅材料稱為頭區(qū)材料，對應頭區(qū)電阻，將多晶硅和接觸孔之間電阻稱為接觸區(qū)電阻。多晶硅電阻的剖面圖如圖4.10所示，R1和R2分別為電阻兩端。四.電阻設計依據

圖

4.10多晶硅電阻的剖面示意圖四.電阻設計依據

由于制造工藝誤差會導致電阻發(fā)生變化，而且總電阻應包括體區(qū)電阻、頭區(qū)電阻和接觸電阻。由于芯片制造廠商能夠很好地控制體電阻，而對于頭區(qū)電阻和接觸區(qū)電阻的控制卻并不理想，因此對于一個電阻，體電阻應該在總電阻中起到支配作用，即總電阻應遠大于頭區(qū)電阻和接觸電阻。如果一個電阻體材料的長度接近甚至小于頭區(qū)材料長度和接觸區(qū)長度，那么將很難控制該電阻的阻值。對于確定的集成電路制造工藝，實際電阻的最小尺寸應該是確定的。例如，線寬控制為±0.1μm，為了得到百分之一的精度，體區(qū)材料的長度應該為10μm。由于線寬控制主要來源于光刻和刻蝕工藝誤差，因此關于電阻尺寸的經驗法則為：體區(qū)材料的長度至少應為光刻和刻蝕工藝誤差的100倍，寬度至少應該為光刻和刻蝕工藝的50倍。如果需要進一步提高精度，那么長和寬還應該增加，因為線寬控制是不變的，長和寬的增加會提高精度。四.電阻設計依據

電流密度也是電阻設計的一個重要依據。電流密度指的是電阻中能夠安全可靠通過的電流。當電阻通過低于電流密度的電流時，電阻能夠長期穩(wěn)定地工作。在集成電路中電阻的電流密度是比較保守的，可靠性系數通常要達到數萬個小時。當然，可以使電阻工作在大于電流密度的電流下，只不過這會減少電阻的可靠性，縮短電阻的壽命。有關電流密度的經驗法則為：每微米寬度電阻的電流密度為0.5mA。通常在集成電路的工藝手冊中會提供每種材料的電流密度，不同材料的電流密度略有不同。如果已知電阻材料的電流密度，就可以利用下式來計算所需的電阻材料的寬度，五.電阻匹配規(guī)則

大部分集成電阻都有±20%-±30%的誤差，這些誤差比相應的分立器件大很多，但這不沒有阻止集成電路向著高度精確匹配的方向發(fā)展。在第二章集成電路制造工藝中，我們知道，集成電路的所有器件都制作在同一個硅片上，它們所經歷的工藝條件非常接近。如果一個器件的值增加了10%，那么所有類似的器件都會有相似的增加。在同一集成電路中兩個相似器件的差異可以優(yōu)于±1%，在很多情況下甚至優(yōu)于±0.1%。為獲得確定的常數比率而專門制作的器件稱為匹配器件。模擬集成電路的精度和性能一般都依靠器件匹配獲得。許多機制都會影響匹配，包括尺寸偏差、摻雜偏差、氧化層厚度偏差、工藝偏差、電流流動的不均勻、機械應力和溫度梯度等。電阻匹配規(guī)則對于電阻的版圖設計非常重要，在電阻的版圖設計中遵循匹配規(guī)則，我們可以得到匹配度高、精度高的實際電阻。五.電阻匹配規(guī)則

1.如果沒有很大的功率需要耗散，應盡可能使用多晶硅電阻。無源電阻主要包括多晶硅電阻、阱電阻和有源區(qū)電阻，在這三種電阻中，多晶硅電阻的工藝和溫度穩(wěn)定性最高，阱電阻其次，有源區(qū)電阻的工藝和溫度穩(wěn)定性最差。因此應盡可能使用多晶硅電阻。2.對于精度要求高的電阻，電阻條應采用較寬的尺寸，同時調整其長度保持其方塊數不變。已知電阻等于方塊電阻乘以方塊數，方塊數沒有發(fā)生變化，則電阻值也不變。但如果采用較寬尺寸的電阻，則精度會得到提高。五.電阻匹配規(guī)則

3.對于數值較大的電阻，要將其分成較短的電阻單位，平行放置并串聯在一起，如圖4.11所示。圖

4.11大電阻的拆分五.電阻匹配規(guī)則

4.需要匹配的電阻應采用同一種材料制成。在集成電路工藝中可以使用多種材料來制備電阻，但是不同材料的溫度系數不同，這會導致由不同材料制備的電阻無法隨溫度的變化而同步變化。盡量不要用不同的材料來構造匹配的電阻。5.需要匹配的電阻應采用相同的寬度。集成電路的工藝誤差是一定的，如果兩個電阻的寬度不同，那么這兩個電阻將會產生系統失配。五.電阻匹配規(guī)則

6.需要匹配的電阻應盡量使用相同的電阻圖形。在關于電阻的分析中，我們并沒有考慮角和端部效應對電阻的影響。如果電阻的圖形不相同，那么角和端部效應的存在將使電阻無法實現精確匹配。7.需要匹配的電阻應盡量沿同一方向擺放，并盡可能的靠近。電阻的制備需要用到擴散或離子注入工藝，如果電阻的擺放方向不一致，那么這兩