第5章电阻版图课件.ppt

1、集成电路版图基础集成电路版图基础电阻版图设计电阻版图设计n电阻材料：电阻材料：常用的电阻材料是多晶硅。常用的电阻材料是多晶硅。n电阻影响因素：电阻影响因素：1 1、薄层的、薄层的厚度厚度H。较厚的多晶硅薄层有较低的电阻值，较薄。较厚的多晶硅薄层有较低的电阻值，较薄的多晶硅薄层有较大的电阻值。的多晶硅薄层有较大的电阻值。2 2、材料的类型、长度、宽度也将改变电阻值。、材料的类型、长度、宽度也将改变电阻值。对于一个给定的集成电路工艺，可以认为薄膜厚度是常数，它对于一个给定的集成电路工艺，可以认为薄膜厚度是常数，它是我们不能改变的参数之一。对于一个给定的材料，我们能够改变是我们不能改变的参数之一。对

2、于一个给定的材料，我们能够改变的只有长度和宽度。的只有长度和宽度。WLH()HWLR4.1、方块电阻、方块电阻结论：虽然面积是原来面积的四倍，但总电阻仍是原来正方形的电阻值。因此，人们逐渐以每方欧姆来度量电阻。u 每方欧姆是IC中电阻的基本单位，单位 /u 有了每方欧姆的具体数值，电阻的计算就可以简单的计算方块的数量，而不必考虑方块的尺寸，在一个工艺中同一材料，不论方块的尺寸是什么，其阻值都是相同的。1微米*1微米正方形的电阻=4米*4米正方形的电阻。“方数=L/W”方数并不一定是整数，可以含有小数。例子：计算下面电阻的阻值 设材料是“80 x10”大小（任何可能单位），则80/10=8方1

3、2 3 4 5 6 7 8 8010电流n方块方块/薄层电阻：薄层电阻：每个制造工艺有一个参数手册，可以查寻以每方欧姆表示每个制造工艺有一个参数手册，可以查寻以每方欧姆表示的材料电阻率。的材料电阻率。icic中典型的电阻值：中典型的电阻值：poly栅：栅：2-3欧姆欧姆/方方 metal层：层：20-100毫欧姆毫欧姆/方（小电阻；良导体）方（小电阻；良导体）diffusion：2-200欧姆欧姆/方方n工艺中的任何材料都可以做电阻。但某些材料比其他材料更工艺中的任何材料都可以做电阻。但某些材料比其他材料更适合一些。常用的材料有适合一些。常用的材料有poly和和diffusion。常用电阻器阻

4、值范围：常用电阻器阻值范围：1050 欧姆欧姆 1002k 欧姆欧姆 2k100k 欧姆欧姆 6 四探针测试法：对芯片上一个很大的正方形电阻器通以给定的电流并且四探针测试法：对芯片上一个很大的正方形电阻器通以给定的电流并且测试两端电压差的方法测试两端电压差的方法。根据已知的电流值根据已知的电流值，由公式，由公式V=IR，计算得到，计算得到电阻值。电阻值。如何确定每方欧姆数值n4.2.1 基本电阻器版图基本电阻器版图 -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，再在多晶硅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层上覆盖一层氧

5、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。体区电阻公式：体区电阻公式：4.2 电阻公式电阻公式LWtop viewcross sectional viewsubstratepolyoxidemetalcontactbbbbWLr.4.2.2 考虑接触电阻考虑接触电阻rc1002003001020 3040 50W/umR/1002003001020 3040 50W/umR/正方形尺寸和每方欧姆的关系正方形尺寸和每方欧姆的关系实际上，正方形尺寸小电阻大实际上，正方形尺寸小电阻大原则上，因为同一种材料

6、的各种正方形尺寸都具有相同原则上，因为同一种材料的各种正方形尺寸都具有相同的电阻值，所以，图形应该是呈水平直线。然而，实际的电阻值，所以，图形应该是呈水平直线。然而，实际情况是，当通过金属接触点去测量一个较小尺寸的电阻情况是，当通过金属接触点去测量一个较小尺寸的电阻时，测量高于预测值，时，测量高于预测值，就是因为接触电阻的存在就是因为接触电阻的存在。n以多晶硅电阻为例，电阻材料与外界相连的金属接触材料以多晶硅电阻为例，电阻材料与外界相连的金属接触材料同样有电阻同样有电阻4.2 考虑接触电阻考虑接触电阻rcn 由于有接触电阻的存在，所以由于有接触电阻的存在，所以 R=rb+2rc （rc为两个接

7、触端的接触电阻）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，接触电阻将变小；如果接触区的宽度减小，接触大，接触电阻将变小；如果接触区的宽度减小，接触电阻将变大。电阻将变大。总接触电阻总接触电阻（Rc是由接触材料所决定的电阻因子，单位是由接触材料所决定的电阻因子，单位“*um”；Wc为为接触区宽度）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，它取决于工艺的设计规则，可能会要求接触区宽度必须小于电阻器宽度。工艺的设计规则，可能会要求接触区宽度必须小于电阻器宽度

8、。1002003001020 3040 50W/umR/1002003001020 3040 50W/umR/mmWRRcccontact12n4.2.3 改变体材料改变体材料原因原因：poly栅电阻大约只有栅电阻大约只有23欧姆欧姆/方，有时我们要求电方，有时我们要求电阻的范围更大一些。改变体材料能够有效提高电阻率，阻的范围更大一些。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。有助于得到较高的、更有用的电阻率。改变电阻率的方法改变电阻率的方法：1、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。2、可以通过改变已淀积在芯片上的多晶硅材料层

9、的结、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。构来改变电阻率。u 具体制作方法：具体制作方法：a a、在所用的多晶硅材料的中部开一个窗口，并注入另外的、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。杂质材料，阻碍电子的流动，来提高电阻率。b b、另一种方法是将中间的多晶硅刻蚀掉一部分使其变薄。、另一种方法是将中间的多晶硅刻蚀掉一部分使其变薄。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“体体”。通常会有一个设计。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，这个间隔上原始规则用以说明体区边界与接触区的最小距离，这个

10、间隔上原始的多晶硅被称为电阻器的的多晶硅被称为电阻器的“头头”。总电阻：。总电阻：cchhhbbbchWRWLWLrrrRb2.2.2214n多晶硅电阻公式：改变体材料 top viewcross sectional viewsubstratepolyoxidemetalcontactbodyhead体体头头头头15n4.2.4 接触区误差和体区误差、头区误差接触区误差和体区误差、头区误差 原因：实际做出来的电阻器经常是明显地小于或者大于你所画的，被称为项，需要在公式里对该项进行补偿。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，我们称之为（也称为公差、误差、变化量、尺寸

11、变化、溢出或者变化）。可正可负，即过加工或者欠加工。宽度、长度变化分别用W和L表示。如假设W是4um，而W是0.06um，这表明实际的宽度最大是4.06um，最小是3.94um，大小取决于表示的是过加工还是欠加工。“体区误差”和“头区误差”同样也需考虑。电阻公式改写为：cchhhhbbbbWWRWWLLWWLLRc2.2.hbn4.2.5 考虑扩展电阻考虑扩展电阻 small spread regionbig spread regionuncertain regionuncertain regionn电子经接触孔进入电阻后，并非直线流动，而是逐渐扩展开，直到最终到达整个多晶硅宽度，导致实际流经

12、的路径增长，方块数增多。这种电阻叫“扩展电阻”。n若采用宽的接触区和宽的电阻条结构，这种影响可以忽略。若采用宽电阻而窄的接触区，则电流在展开到全部电阻器宽度前将走更长的路径。nP159图4-27 解决方法：可以将接触区延伸到多晶硅之外，这消除了展开区的问题。能否这样设计取决于工艺技术。有些工艺只允许正方形的接触孔，则我们必须在电阻器宽度方向上用许多接触孔来保持低的接触电阻。减小扩展电阻的另一个方法：使接触孔的宽度精确地与体相同。对于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项，这些技术和公式的大部分是不公开的。总电阻方程：R=r

13、b+2rh+2rc+2rs （“rs”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）scchhhhbbbbrWWRWWLLWWLLRc22.2.hb21n5、实际的最小电阻尺寸：、实际的最小电阻尺寸：制造商可以很好地控制中部区域（体区）的材料，但对外部的区域，如头区或接触区的控制不太理想。因此应保持最小体区长度为10um，这将使你的误差下降到百分之一。如果需要一个相当精确的电阻，则要确保体区长度为10um或更长，以使的影响最小化。-“确保体区长度至少达到10um，宽度5um。”则电阻器的最小宽度也应为5um。经验法则：对高精度要求，将电阻做

14、宽，做长，或即宽又长。（经验是给出至少是10微米长，5微米宽）n高阻值低精度-在有些设计中，可能会需要很大的电阻值，如果对它的精度并不是很介意，允许有15%左右的变化。那么也可以把电阻的宽度做到比引线孔的宽度还要小，这种电阻的形状非常象狗骨头。叫“狗骨型电阻”。在高阻值，精度没有特殊要求的情况下，可以使用这种结构。4.3、特殊要求的电阻版图、特殊要求的电阻版图折弯型电阻器折弯型电阻器注意，拐角处方块数只计算注意，拐角处方块数只计算1/2外角没有电子流过，电阻误差较大外角没有电子流过，电阻误差较大低阻值高精度电阻的原则n如果想要得到一个阻值极低的电阻，而精度要求如果想要得到一个阻值极低的电阻，而

15、精度要求很高，可以选择用金属来做。大的面积将有助于很高，可以选择用金属来做。大的面积将有助于减少减少delta 的影响，从而保证精度。的影响，从而保证精度。对于选择电阻的宽度，电流密度是重要的。如果需要通过电阻大量的电流，你会使用一个大的、粗的线。电流密度是材料中能够可靠流过的电流量。工艺手册中有关于某些特定材料电流密度的介绍，工艺中任何能够被用于传导电流的材料都有一个对应的电流密度。典型的电流密度大约是“每微米宽度0.5mA”。和宽度有关是因为设计得越宽，能够通过的电流越多。-用下面公式就可以计算出电阻能够可靠流过的毫安值。Imax=D*W Imax：最大允许可靠流过的电流：最大允许可靠流过

16、的电流mA D：材料的电流密度材料的电流密度 mA/um W：材料的宽度材料的宽度 um 4.34.3、电阻设计的重要依据、电阻设计的重要依据:电流密度电流密度1.1.某电阻需要通过某电阻需要通过100100微安电流，该电阻宽微安电流，该电阻宽3 3微米，如果它的电流微米，如果它的电流密度值为密度值为0.20.2毫安毫安/微米，该电阻能可靠工作吗？微米，该电阻能可靠工作吗？2.2.某电阻器的图形尺寸为：长度某电阻器的图形尺寸为：长度=95um=95um，宽度，宽度=12um=12um，材料的电阻，材料的电阻率为每方率为每方6565欧姆。在制造时，测量得到的电阻器的宽度减小了欧姆。在制造时，测量

17、得到的电阻器的宽度减小了0.2um0.2um，实际电阻值是多少呢？，实际电阻值是多少呢？3.3.假设需要一个能承受假设需要一个能承受1212毫安电流的电阻。其大小为毫安电流的电阻。其大小为5050欧姆，欧姆，并且要求其对工艺变化不敏感。有三个选择：并且要求其对工艺变化不敏感。有三个选择：多晶硅：电流密度为多晶硅：电流密度为0.27mA/um,0.27mA/um,薄层电阻率为薄层电阻率为225225；N N阱：电流密度为阱：电流密度为0.72mA/um,0.72mA/um,薄层电阻率为薄层电阻率为870870；扩散电阻：电流密度为扩散电阻：电流密度为0.93mA/um,0.93mA/um,薄层电阻率为薄层电阻率为12901290；那个能满足设计要求呢？那个能满足设计要求呢？不同类型的电阻比较不同类型的电阻比较 nPoly电阻-集成电路设计中常用的一种电阻，它是由用制作MOSFET的Poly层来制作的电阻。多晶硅的方块电阻-2欧姆左右n扩散电阻-在衬底上做的，衬底是轻掺杂区，电阻率很高，可作大电阻，但精度不高。阱电阻的方块电阻值比较大，通常都在几百欧姆以上。n金属薄膜电阻-这种薄膜电阻性能也优于扩散电阻和多晶硅电阻。缺点是所需要的特殊工艺成本较高，在一定程度上限制了其应用。