集成电路版图设计基础basics of IC layout designinstructor: Zhang Qihui e-mail:qhzhang07gmail.com河河 南南 大大 学学 H e n a n U n i v e r s i t yH e n a n U n i v e r s i t yschool of phyeschool of phye1 1basics of ic layout designbasics of ic layout design第二章 基本IC单元版图设计n基本IC单元版图电阻电容电感二极管CMOS版图双极晶体管school of phyeschool of phye2 2basics of ic layout designbasics of ic layout designn电阻材料：常用的电阻材料是多晶硅。较厚的多晶硅薄层有较低的电阻值（有较多的空间让电流流过，传导 电流的能力较强），较薄的多晶硅薄层有较大的电阻值。其他因素，如材料的类型、长度、宽度等也将改变电阻值。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，我们能够改变的只有长度 和宽度。基本IC单元版图设计 电阻WL H(厚度厚度)I I=电流电流school of phyeschool of phye3 3basics of ic layout designbasics of ic layout designn方块/薄层电阻：每方欧姆是IC中电阻的基本单位。每方欧姆数值也被称为材料的薄层电阻。材料可以是poly，也可以是 金属，或者任何其他采用的材料。可以根据任意矩形计算方数。“方数=L/W”方数并不一定是整数，可以含有小数，如4.28方。例如，设材料是“80x10”大小（任何可能单位），则80/10=8方。基本IC单元版图设计 电阻1 2 3 4 5 6 7 8 8010电流school of phyeschool of phye4 4basics of ic layout designbasics of ic layout designn方块/薄层电阻：- 设计/工艺/规则手册： 薄层电阻（率）- 对于薄层电阻，同一种材料层，不同制造商的数值会有所不同，其中一个可能的原因是厚度的不同。- 用“四探针测试”法探测每方欧姆数值（R=V/I）。- ic中典型的电阻值： poly栅： 23欧姆/方 metal层： 20100m欧姆/方diffusion： 2200欧姆/方- 工艺中的任何材料都可以做电阻。常用的材料有poly和diffusion。常用电阻器阻值范围： 1050 欧姆 1002k 欧姆 2k100k 欧姆- 电阻值计算公式： R = （L/W）* 基本IC单元版图设计 电阻school of phyeschool of phye5 5basics of ic layout designbasics of ic layout designn多晶硅电阻公式：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出用于连接的接触孔。一般接触孔位于多晶硅的两头。 体区电阻公式： rb = （Lb/Wb）* b基本IC单元版图设计 电阻LWtop viewcross sectional viewsubstratepolyoxidemetal contactschool of phyeschool of phye6 6basics of ic layout designbasics of ic layout designn多晶硅电阻公式：考虑接触电阻rc - 由于有接触电阻的存在，所以 R = rb + 2rc （rc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。- 总接触电阻 Rcontact = rc = Rc/Wc = *um/um（Rc是由接触所决定的电阻因子，单位“*um”；Wc为接触区宽度）- 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。基本IC单元版图设计 电阻1002003001020 3040 50W/umR/1002003001020 3040 50W/umR/ideally, R/=constantactually, R/ increases as “W” decreasesschool of phyeschool of phye7 7basics of ic layout designbasics of ic layout designn多晶硅电阻公式：改变体材料- 原因：poly栅电阻大约只有23欧姆/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，有助于得到较高的、更有用的电阻率。- 改变电阻率的方法：可以淀积另一层具有不同电阻特性的多晶硅。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。- 具体制作方法：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。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“体”。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，这个间隔上原始的多晶硅被称为电阻器的“头”。总电阻：R = rb + 2rh + 2rc = (Lb/Wb)*b + 2 (Lh/Wh)*h +2 Rc/Wc 基本IC单元版图设计 电阻school of phyeschool of phye8 8basics of ic layout designbasics of ic layout designn多晶硅电阻公式：改变体材料基本IC单元版图设计 电阻top viewcross sectional viewsubstratepolyoxidemetal contactbodyheadschool of phyeschool of phye9 9basics of ic layout designbasics of ic layout designn实际电阻分析：- 在CAD画图中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，我们称之为宽度的（也称为公差、误差、变化量、尺寸变化、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：R = (Lb + Lb )/(Wb + Wb ) b +2(Lh + Lh )/(Wh + Wh ) h +2 Rc/(Wc+Wc)基本IC单元版图设计 电阻school of phyeschool of phye1010basics of ic layout designbasics of ic layout designn实际电阻分析：扩展电阻基本IC单元版图设计 电阻small spread regionbig spread regionuncertain regionuncertain regionschool of phyeschool of phye1111basics of ic layout designbasics of ic layout designn实际电阻分析：扩展电阻- 当电子离开接触区后，电子传播的实际路径是逐渐展开的，直到它们最终达到整个多晶硅宽度。所表现出的电阻称之为“扩展电阻”。- 扩展电阻和许多因素有关。如果采用的是宽接触区和宽电阻条结构，这种影响可以忽略。但如果一个电阻的接触区设计的较小且非常靠 近，以至于电子没有足够的时间展开到多晶硅全部宽度方向，电流分布的宽度小于多晶硅的设计宽度，此时需考虑因扩展而带来的误差。- 有些制造商允许金属与接触延伸到多晶硅之外，这消除了展开区的问题。能否这样设计取决于工艺技术。- 对于接触电阻和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 = rb + 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）基本IC单元版图设计 电阻school of phyeschool of phye1212basics of ic layout designbasics of ic layout designn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。- 因为某些项可能会比较大，如0.1um，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。基本IC单元版图设计 电阻school of phyeschool of phye1313basics of ic layout designbasics of ic layout designn特殊要求的电阻:- 通常情况下，在CMOS工艺中只有一些低电阻率的材料。- 通常，体区材料的最小宽度比接触区材料的最小宽度小。 = “狗骨”- 采用折弯结构的“折弯型电阻器”可以减小占用空间大小。- 计算方块数的经验法则：直线区按方块数计算，而每个拐角仅按半方计算。- 一般来说，2k欧姆的电阻比较容易设计。- 小电阻-高精度：可以利用大块的金属。金属将满足低电阻的要求，大尺寸则将使项的影响最小化，有助于提高精度。基本IC单元版图设计 电阻高阻值电阻的狗骨结构高阻值电阻的狗骨结构1 2 5 4 3方块数方块数=5+2=5+2个拐角个拐角=6=6方方 school of phyeschool of phye1414basics of ic layout designbasics of ic layout designn设计的重要依据: 电流密度- 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，制造商的这些数据是根据薄层厚度来确定的。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。- 有时，在工艺手册中会告知“熔断电流”大小，就是在一定的时间内毁坏电阻所需的电流大小。Imax = D * W Imax：最大允许可靠流过的电流mAD： 材料的电流密度 mA/umW： 材料的宽度 um基本IC单元版图设计 电阻school of phyeschool of phye1515basics of ic layout designbasics of ic layout designn基本材料的复用:- pmos/nmos