第六章二極管與外圍器件

第六章二極管與外圍器件一.二極管

二極管的作用就是開關(guān)，電流的開關(guān)。把電流用水流比喻的話，陽極是上流，陰極是下流，水可以從上流流至下流，但從下流不能流至上流，這就是二極管的單向?qū)ā?/p>

一.二極管

PN結(jié)是二極管的核心部分，在PN結(jié)的P區(qū)和N區(qū)分別加上電極就構(gòu)成了二極管。芯片內(nèi)部有很多PN結(jié)。例如：N阱CMOS集成電路中的N阱和P型襯底構(gòu)成芯片中最大的PN結(jié)，NMOS管的源漏與襯底形成兩個PN結(jié)，這些PN結(jié)的反偏是電路正常工作的基礎(chǔ)。二極管的主要作用是保證電流的單向?qū)?，即電流只能從一個方向通過二極管（P區(qū)流向N區(qū)），因此可做器件之間的隔離。在MOS集成電路中，二極管除了作為一般電路使用外，還經(jīng)常作為靜電放電（ElectrostaticDischarge,ESD）保護(hù)使用，ESD保護(hù)可以防止電壓擊穿損壞芯片。為了盡可能多地泄放流入或流出二極管的能量（電流），二極管的面積不能太小，因?yàn)榱鬟^二極管的電流和面積成正比。一.二極管

在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS集成電路工藝中，二極管主要分為兩種：一是襯底上的二極管（簡稱為襯底二極管），二是阱中的二極管（簡稱為阱二極管）。所謂襯底二極管就是在襯底上直接制作二極管，在CMOS工藝中，襯底二極管是免費(fèi)制作的，不需要額外增加工藝步驟；而阱二極管就是把二極管制作在阱中。一.二極管

(a)P型襯底上的二極管PN+P+一.二極管

為了增加電流通路，盡可能多地泄放流入或流出二級管的電流，可以把二極管設(shè)計(jì)成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。圖環(huán)狀結(jié)構(gòu)襯底二極管示意圖一.二極管

圖環(huán)狀結(jié)構(gòu)阱二極管示意圖一.二極管

環(huán)形結(jié)構(gòu)可確保各個方向都存在電流通路，從而增加電流的泄放量。

圖6.4環(huán)狀結(jié)構(gòu)阱二極管的電流一.二極管

襯底二極管與阱二極管制作的方法不同，二者的作用也不相同。以CMOSP型襯底N阱工藝為例，由于P型襯底必須接電路的最低電位，才能保證整個芯片上電路的正常工作，襯底二極管只能應(yīng)用于ESD保護(hù)中輸入到負(fù)電源的保護(hù)通路。而阱二極管制作在N阱里，對于N阱工藝，N阱可以接最高電位，也可不接最高電位。如果接最高電位，將形成ESD保護(hù)中的輸入到正電源的保護(hù)通路。如果不接最高電位，則可將其應(yīng)用于一般電路中。一.二極管

靜電放電ESD：當(dāng)一高電勢的帶電體接觸到電路的外引腳時(shí)，就可能發(fā)生放電現(xiàn)象。電過應(yīng)力：指對器件施加過大電壓或電流而引起的失效。危害：MOS管柵氧化層非常薄，如果柵極處于浮置狀態(tài)，則靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電荷無法很快地泄放掉，會導(dǎo)致柵極和襯底之間產(chǎn)生非常高的電場，如果該電場超過了柵氧化層的擊穿電壓，就會發(fā)生柵擊穿而使MOS器件損壞。靜電放電現(xiàn)象多發(fā)生于人體的手接觸集成電路，人手等效于一個幾百皮法的電容串聯(lián)一個幾千歐的電阻。根據(jù)環(huán)境不同，人體的等效電容的電壓從幾百伏到幾千伏，當(dāng)人手接觸集成電路芯片時(shí)，就可能發(fā)生靜電放電現(xiàn)象。避免方法：接觸芯片前用手觸摸金屬導(dǎo)體；帶靜電防護(hù)手腕；用鑷子拿取。一.二極管

為了解決靜電放電問題，必須為感應(yīng)電荷提供泄放通路，在CMOS集成電路中常采用靜電放電保護(hù)電路。下圖為采用二極管和電阻組成靜電放電保護(hù)電路。工作原理：當(dāng)輸入電壓高于Vdd時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，輸入電壓被箝位于Vdd+Vd（Vdd+0.7）；當(dāng)輸入電壓低于Vss時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，輸入電壓被箝位于-（Vss+Vd）。輸入電壓的范圍從-（Vss+0.7）

至（Vdd+0.7），安全電壓。電阻R的作用：阻值不能太大，通常在幾百歐姆至幾K，起到限流作用，當(dāng)有大電流流過時(shí)，避免兩個二極管燒毀。一.二極管

(b)版圖

采用二極管和電阻組成靜電放電保護(hù)電路的版圖。Sp-NwellDiode形成ESD保護(hù)中的輸入到正電源的保護(hù)通路。Psub-NwellDiode形成ESD保護(hù)中的輸入到負(fù)電源的保護(hù)通路。一.二極管

另一種靜電放電保護(hù)電路如圖，柵源連接的MOS管等效于二極管，該電路無限流電阻。一.二極管

版圖：漏區(qū)面積很大，確保二極管流過較大的電流。一.二極管

一.二極管

一.二極管

為了對集成電路進(jìn)行全面保護(hù)，可以對芯片上的每一個輸入、輸出端口都進(jìn)行ESD保護(hù)。一.二極管

二極管匹配規(guī)則1.理想的二極管的版圖應(yīng)該是圓形的。根據(jù)物理學(xué)中的電學(xué)理論可知，在器件結(jié)構(gòu)中的尖峰出會產(chǎn)生較大的電場，電場中的高電壓往往集中在器件結(jié)構(gòu)的拐角處。為了防止高電壓和電流對二極管的損害，理想的二極管的版圖應(yīng)該是圓形的，因?yàn)閳A形沒有尖角。圖理想的二極管版圖結(jié)構(gòu)一.二極管

二極管匹配規(guī)則2.利用梳狀結(jié)構(gòu)來保證二極管的面積同時(shí)降低二極管的電阻。對于一些特殊結(jié)構(gòu)的二極管，可以采用梳狀結(jié)構(gòu)。二極管被分割成多個單獨(dú)的小塊，用導(dǎo)線進(jìn)行并聯(lián)，形成梳狀結(jié)構(gòu)。圖梳狀結(jié)構(gòu)的二極管版圖一.二極管

二極管匹配規(guī)則3.合理設(shè)計(jì)CMOS二極管的面積。流過二極管的電流和面積成正比，為了盡可能多地泄放流入或流出二極管的電流，應(yīng)盡量增大二極管的面積。為了盡量減小芯片的面積，二極管的面積又不能太大。合理設(shè)計(jì)二極管的面積對于集成電路的版圖設(shè)計(jì)也是非常重要的。CMOS工藝下二極管的典型工作電流密度為5-50nA/μm2，根據(jù)這一參數(shù)可合理地設(shè)計(jì)CMOS二極管的面積。4.匹配二極管應(yīng)相互交叉形成共質(zhì)心結(jié)構(gòu)。與電阻、電容一樣，拆分二極管形成共質(zhì)心結(jié)構(gòu)可提高兩個二極管的匹配度。需要注意，對于阱二極管，二極管陣列不應(yīng)該在同一個阱中相互交叉，因?yàn)榱鬟^阱的電流對二極管的偏置程度不同，取決于兩個二極管的相對位置。每個二極管的陣列都應(yīng)該放在各自獨(dú)立的阱中，利用阱的相互交叉形成共質(zhì)心結(jié)構(gòu)。二.外圍器件

最終的集成電路芯片必須要安裝在管殼中進(jìn)行引線鍵合和封裝才能交付至客戶使用，在芯片的周圍分布著壓焊塊（PAD點(diǎn)）和與I/O有關(guān)的輸入、輸出電路，這些稱為外圍器件，而芯片內(nèi)部是完成電路功能的電路主體部分，稱為內(nèi)部電路。外圍器件的尺寸很難縮小，人們總是想方設(shè)法減小內(nèi)部電路的面積，從而降低芯片的成本。二.外圍器件

壓焊塊（PAD）集成電路與外界電路之間存在多種接口，例如輸入接口、輸出接口、電源接口和地接口等。為了使芯片內(nèi)部電路與外部接口相連接，需要在芯片的四周放置壓焊塊（PAD），版圖設(shè)計(jì)時(shí)將壓焊塊與芯片中的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)連接，芯片制造完畢后再通過壓焊線將壓焊塊與外部接口相連接，從而完成芯片與外界電路的連接。PAD提供了芯片內(nèi)部與外界的接口。二.外圍器件

壓焊塊（PAD）壓焊塊的尺寸主要由可靠性和壓焊線鍵合過程中的偏差余量所決定。從電路設(shè)計(jì)的可靠性角度來說，壓焊塊的尺寸越小越好，因?yàn)檫@樣可以減少壓焊塊對襯底的寄生電容，而且可以減小芯片面積。從壓焊線鍵合過程中的偏差余量來說，壓焊塊的尺寸通常不小于壓焊線能夠連接的最小尺寸。為了減小壓焊塊的尺寸，應(yīng)該盡量使用小直徑的壓焊線，但是直徑小的壓焊線能允許通過的最大工作電流小，需要在壓焊塊尺寸和允許通過的最大工作電流之間折衷考慮。壓焊塊之間的距離不能小于壓焊機(jī)能夠工作的最小間距，否則將造成壓焊線之間的短路，而且壓焊線在壓焊過程中產(chǎn)生的彎曲和拖尾也可能造成相鄰壓焊塊的短路。二.外圍器件

壓焊塊（PAD）最簡單的壓焊塊是由最上層金屬形成的正方形構(gòu)成，由于只用了一層金屬，單純依靠該層金屬與半導(dǎo)體材料的附著力，這種結(jié)構(gòu)在鍵合過程中很容易被扯動剝離而造成壓焊塊的失效。比較典型的壓焊塊結(jié)構(gòu)通常是由最上面的兩層金屬構(gòu)成，在兩層金屬之間有很多通孔相連接。這種結(jié)構(gòu)的壓焊塊結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)固，抗扯動能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是對襯底的電容比由最上層金屬構(gòu)成的壓焊塊對襯底的電容要大。二.外圍器件

壓焊塊（PAD）二.外圍器件

壓焊塊（PAD）多晶硅層是為了防止壓焊過程中的穿通。PAD層表示該區(qū)域是壓焊塊，via表示連接金屬1和金屬2的過孔。多晶硅層的面積最大，保證對整個壓焊塊提供抗穿通保護(hù)。金屬的面積大于PAD的面積，一來可以利用金屬密封芯片，防止可動離子等進(jìn)入，二來在光刻和刻蝕工藝中，即使存在對版誤差和過腐蝕，也可保證在整個壓焊塊范圍內(nèi)都有金屬存在。N阱層或阱層，放置在壓焊塊下方的阱主要起到隔離的作用，主要是用來防止在晶圓級測試時(shí)探針劃透壓焊塊和場氧化層與襯底短路（即穿通）造成的器件損壞。如果在壓焊塊的下方存在阱，即使發(fā)生穿通，壓焊塊是與阱相連接，而不是與整個襯底相連接，可以防止測試過程中造成的器件失效。二.外圍器件

壓焊塊（PAD）金屬1和金屬2之間的過孔占據(jù)了壓焊塊的大部分面積，最重要的是在圖中只有一個過孔。由于在過孔中需要填塞鎢金屬，而鎢金屬是比較軟的，不適合承受壓焊過程中的壓力，因此這種壓焊塊結(jié)構(gòu)并不合適。二.外圍器件

壓焊塊（PAD）可利用多個小的過孔完成金屬1和金屬2的連接，沒有N阱層。金屬1和金屬2之間利用多個過孔完成連接，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不但能夠提高壓焊塊的抗壓能力，而且還能防止大面積金屬由于內(nèi)應(yīng)力的作用而發(fā)生的翹曲。最上層金屬（金屬2）是一大面積金屬，保證壓焊塊和壓焊線的良好接觸。PAD點(diǎn)外圍金屬環(huán)的作用是防止在劃片過程中劃片鋸齒對PAD點(diǎn)的破壞。二.外圍器件

壓焊塊（PAD）壓焊塊的尺寸為167μm×167μm二.外圍器件

連線為了使集成電路芯片能夠正常工作，任何一個芯片內(nèi)部都必須有電源線和地線，而且芯片內(nèi)部不同器件或不同模塊之間也需要電連接。隨著芯片尺寸越來越小，芯片集成度越來越高，連線已經(jīng)成為集成電路版圖設(shè)計(jì)中的一個重要問題

二.外圍器件

連線電源線和地線對整個芯片進(jìn)行供電，二者的布線方式主要有環(huán)繞式和叉指式兩種

電源線和地線的布線方式二.外圍器件

連線進(jìn)行模擬集成電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要計(jì)算電路消耗的功率和電流。電流的大小直接影響電源和地金屬導(dǎo)線的尺寸，需要根據(jù)電流來計(jì)算金屬導(dǎo)線的尺寸（主要指寬度）。金屬線能安全承受的工作電流稱為電流常數(shù)，通常用每微米多少毫安來表示。在典型的CMOS集成電路工藝中，電流常數(shù)大約為0.5mA/μm。用電流常數(shù)和電路中可能通過的最大電流可確定承受電流的金屬線寬度：二.外圍器件

連線金屬線寬度分布規(guī)則：內(nèi)部單元可以采用較小寬度的金屬線，較大單元的金屬線要相應(yīng)加寬，電源和地線應(yīng)該采用最大寬度的金屬導(dǎo)線。在集成電路芯片中，電源線和地線是最寬的，利用這一點(diǎn)，很容易在版圖中分辨出電源線和地線。金屬連線不宜過長，也不能太寬。太長或是太寬的金屬由于應(yīng)力（金屬自身的應(yīng)力、金屬與介質(zhì)層之間的應(yīng)力）的存在，在工藝制備流程中可能發(fā)生形變，容易起翹，金屬線的最大長度和寬度應(yīng)詳細(xì)參考具體集成電路的工藝手冊。二.外圍器件

連線電路由元件和元件間的連線構(gòu)成，理想的連線在實(shí)現(xiàn)連接功能的同時(shí)，不帶來額外的寄生效應(yīng)。在版圖設(shè)計(jì)中，可用來做連線的層有：金屬，多晶硅和擴(kuò)散區(qū)。對于電路中較長的走線，要考慮到寄生電阻效應(yīng)。金屬和多晶硅分別有各自不同的方塊電阻值，實(shí)際矩形結(jié)構(gòu)的電阻值只與矩形的長寬比有關(guān)。金屬或多晶硅連線越長，寄生電阻值就越大。為防止寄生大電阻對電路性能的影響，電路中盡量不走長線。布線時(shí)應(yīng)盡量選用金屬作為連線；個別無法布通的地方可選用多晶硅連接，但要盡量短。如果是分配電壓，可選用多晶硅作為連線；如果要分配電流，則要盡量選用金屬作為連線，避免多晶硅的電學(xué)修正效應(yīng)。二.外圍器件

連線不同層金屬的布線方式二.外圍器件

連線在金屬和多晶硅都無法布通的情況下，也可使用擴(kuò)散區(qū)(有源區(qū))作為連線。在這種布線方式中，電流在金屬線和多晶硅下方進(jìn)行傳輸，因此也稱為隧道布線。在集成電路版圖設(shè)計(jì)中，應(yīng)謹(jǐn)慎并盡量減少使用隧道布線。擴(kuò)散區(qū)作為連線二.外圍器件

連線在集成電路中，所有的電器件都會產(chǎn)