第一讲-集成电路设计基础

1一.集成电路设计基础1.3CMOS工艺中的元件CMOS集成电路中的元件•MOS晶体管–版图和结构–电特性–隔离–串联和并联•连线•集成电阻•集成电容•寄生二极管和三级管CMOS集成电路中元件•MOS晶体管•连线–连线寄生模型–寄生影响•集成电阻•集成电容•寄生二极管和三级管CMOS集成电路中元件•MOS晶体管•连线•集成电阻–多晶硅电阻–阱电阻–MOS电阻–导线电阻•集成电容•寄生二极管和三级管2CMOS集成电路中元件•MOS晶体管•连线•集成电阻•集成电容–多晶硅-扩散区电容–双层多晶硅电容–MOS电容–多层“夹心”电容•寄生二极管和三级管CMOS集成电路中的元件•MOS晶体管•连线•集成电阻•集成电容•寄生二极管和三级管–衬底PNPBJT–PSD/NWELLDiode–NSD/P-epiDiodeMOS晶体管•MOS晶体管–最基本的有源元件–在CMOS工艺中，有PMOS和NMOS两种–可用作跨导元件，开关，有源电阻，MOS电容MOS晶体管•NMOS晶体管的版图和结构DSBGNMOS晶体管符号NMOS晶体管剖面图NMOS晶体管版图N管源漏区N＋N＋N＋N＋N＋N＋P＋FOXFOXDGSBLWDGSB3MOS晶体管•PMOS晶体管的版图和结构DSBGPMOS晶体管符号PMOS晶体管剖面图PMOS晶体管版图P-substrateP-substrateN-阱N-阱P管源漏区P＋P＋N-阱FOXFOXN＋N＋DGSBLWDGSBMOS晶体管–在物理版图中,只要一条多晶硅跨过一个有源区就形成了一个MOS晶体管,将其S,G,D,B四端用连线引出即可与电路中其它元件连接.•MOS晶体管的电特性–MOS晶体管是用栅电压控制源漏电流的器件,重要的公式是萨方程(I-V方程):IDS=k′•W/L•[(VG-VT-VS)2-(VG-VT-VD)2]MOS晶体管•MOS晶体管的电特性–VG,VS,VD分别是栅,源,漏端的电压,VT是开启电压.–k′是本征导电因子,k’=µ•Cox/2,µ是表面迁移率,属于硅材料参数,Cox=εox/tox是单位面积栅电容,属于工艺参数，这里tox为栅氧厚度–W,L分别是MOSFET的沟道宽度和长度,属于物理参数–管子的最小沟道长度Lmin标志着工艺的水平——特征尺寸,如0.35µm,0.18µm.W表示管子的大小,W越大则管子越大,导电能力越强,等效电阻越小.–栅氧厚度tox=Lmin/50MOS晶体管•MOS晶体管的电特性1.晶体管的三种工作状态截止区：IDS=0条件：饱和区：IDS=k′•W/L•[(VG-VT-VS)2-(VG-VT-VD)2]条件：线性区：IDS=k′•W/L•[(VG-VT-VS)2-(VG-VT-VD)2]条件：2.晶体管的开启电压公式0≤−−STGVVV0,0≤−−−−DTGSTGVVVVVV0,0−−−−DTGSTGVVVVVV[]FBSFTTVVVΦ−+Φ+=220γ4MOS晶体管大信号模型RGRBMOS晶体管小信号高频模型gm=?gmb=?ro=?CGS=?CGD=?CGB=?…MOS晶体管•MOS晶体管的隔离在集成电路中,两个无关的晶体管都是用场氧隔离的将MOS1和MOS2隔离开VddGndoutinP-substrateP-substrateN-N-NNP＋P＋N＋N＋N＋N＋N-阱P＋FOXFOX剖面图N＋N＋MOS1MOS2BSGDDSBGMOS晶体管•MOS晶体管的串联和并联•并联:晶体管的D端相连,S端相连.如果两个晶体管中有一个晶体管导通,从D到S就有电流流过,若两个晶体管都导通,则I=I1+I2.每只晶体管相当于一个电阻,它的并联和电阻并联的规律一样,等效电阻减小,电流增大.D2S2B2G2DSBGD1S1B1G1DSII1I2M1M2Meff5MOS晶体管•MOS晶体管的串联和并联*串联:晶体管的S端和另外一个晶体管的D端相连.晶体管的串联和电阻的串联规律相同,等效电阻增大,电流不变:I=I1=I2.D2S2B2G2DSBGD1S1B1G1DSII1I2M1M2MeffMOS晶体管•MOS晶体管的串联和并联*串联和并联的物理实现P1P2N1N2P1和P2并联，N1和N2串联P1P2N2N1MOS晶体管•在模拟电路中，最基本的MOS管组合包括•Cascode•差分对•电流镜连线•连线*电路由元件和元件间的连线构成*理想的连线在实现连接功能的同时，不带来额外的寄生效应*在版图设计中，可用来做连线的层有：金属，扩散区，多晶硅6连线•连线寄生模型*串联寄生电阻*并联寄生电容RRRRRRRRRRCCCCCCCCC简单的长导线寄生模型Td=0.5*RuCu*L2连线•串联寄生电阻典型值*金属(铝,铜)——0.05Ω/□*多晶硅———10～15Ω/□*扩散区（N＋）——20～30Ω/□连线substratetwh⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛+⎟⎠⎞⎜⎝⎛++=5.025.006.106.177.0hthwhwCε单位长度电容的经验公式：PloyMetal1Metal2Metal3Metal4最小宽度(um)0.250.350.450.500.60底板电容(aF/um*um)9030159.07.0侧墙电容（两边）(aF/um)110805040304-metal0.25umtechnology连线•复杂互连线的寄生电容P型衬底金属1金属2金属37连线•串联寄生电阻和并联寄生电容的影响–电源地上，电阻造成直流和瞬态压降–长信号线上，分布电阻电容带来延迟–在导线长距离并行或不同层导线交叉时，带来相互串扰问题其他元件MOS集成电路是以MOS晶体管(MOSFET)为主要元件构成的电路，以及将这些晶体管连接起来的连线，此外，集成电阻，电容，以及寄生三极管，二极管，等也是MOS集成电路中的重要元件.集成电阻•电阻*两端元件——V=RI*最基本的无源元件之一，是输入输出静电保护电路，模拟电路中必不可少的元件*方块电阻，线性，寄生效应集成电阻高阻多晶硅•多晶硅电阻P型衬底场氧多晶硅*多晶硅电阻做在场区上.*其方块电阻较大,因此可以作为电阻.如在作电阻的多晶硅处注入杂质,使其方块电阻变大,可制作阻值很大的电阻.R=R□poly-Si•L/W*典型值：R□poly-Si=1k8集成电阻•NWELL电阻P型衬底场氧N+N+N阱N阱金属*因为阱是低掺杂的,方块电阻较大,因此大阻值的电阻亦可以用阱来做R=R□well•L/W*典型值：R□well=0.85kN+implantN+implantactive集成电阻•NWELL电阻*非线性*典型值：*寄生电容效应()22101VVRRαα++≈242131108.9:105.8:−−−−××VVααP型衬底场氧N+N+N阱耗尽区CjDSBGVDDVoutVinR0DSBGVDDVoutVinRCj/2Cj/2集成电阻•MOS管电阻*工作在线性区的MOS管可用作电阻*它是一个可变电阻,其变化取决于各极电压的变化：()()[]22DTGSTGSDDSDSVVVVVVkVVIVR−−−−−−==集成电阻多晶硅•导线电阻*多晶硅导线——10～15Ω/□*扩散区（N＋）——20～30Ω/□N+implantN+implantactive9集成电容•电容*两端元件，电荷的容器——Q=CV*最基本的无源元件之一，是电源滤波电路，信号滤波电路，开关电容电路中必不可少的元件*单位面积电容，线性，寄生效应集成电容•多晶硅-扩散区电容*电容作在扩散区上,它的上极板是第一层多晶硅，下极板是扩散区,中间的介质是氧化层*需要额外加一层版P型衬底N+多晶硅1多晶硅1N+N+implantforcapN+implantforcapactiveP型衬底N+集成电容•多晶硅-扩散区电容*线性特性耗尽区()22101VVCCαα++≈252141105:105:−−−−××VVαα*典型值多晶硅1底板寄生*底板寄生电容——20%C*单位面积电容小于MOS栅电容集成电容•多晶硅-多晶硅电容：*电容作在场区上,它的两个电极分别是两层多晶硅,中间的介质是氧化层*线性特性和底板寄生与多晶硅-扩散区电容相近*典型值：0.7fF/um*umP型衬底场氧多晶硅1多晶硅2P型衬底多晶硅2多晶硅110集成电容•金属-金属电容(metalcap)*在先进的CMOS工艺中，金属互联层较多，对于混合工艺，可用最高的两层金属来做metalcap，做metalcap的金属之间的氧化层比较薄，因此需要额外的一层版•版图与结构与poly-ploy电容类似，只是其上极板为顶层金属，下极板为次高层金属*因用高层金属实现，故底板寄生电容小、电容品质高*典型值：1fF/um*um集成电容•MOS电容：*结构和MOS晶体管一样,是一个感应沟道电容,当栅上加电压形成沟道时电容存在.一极是栅,另一极是沟道,沟道这一极由S(D)端引出.*电容的大小取决于面积,氧化层的厚度及介电数.oxtWLC⋅=εCchRsP型衬底N+N+Vc+-沟道*单位面积电容最大的电容*沟道电阻问题集成电容•MOS电容：*非线性电容适用于电源滤波*沟道长度需权衡考虑VcCchMOS电容C/V特性减小沟道电阻的方法集成电容•“夹心”电容*线性电容*电容值为：*底板寄生电容大约为(50~60%C)P型衬底C1C2C3C4CpC=C1+C2+C3+C4多晶硅金属1金属2金属3金属411集成电容•梳状金属电容*利用同层相邻金属线的侧墙寄生电容*线性电容*电容密度随着工艺缩小而增大*与数字工艺兼容plate1plate2衬底双极晶体管(BJT)•衬底BJT*有源元件之一*对于N阱CMOS工艺，可实现PNPBJT*可用于电压基准电路衬底BJT•PNPBJT的版图和结构特点：1）集电极C电压受到限制，须接地2）基区宽度WB没有很好控制，电流增益差别较大3）结构上的两个主要参数：基区宽度WB和BE结面积AP型衬底场氧N阱BECP+WBN+衬底BJT•电特性*饱和电流IS正比于A，反比于WB*集电极电流*共发射极电流增益•当iC一定，vBE具有负温度系数⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=tBESCVvIiexpBCFii=β12二极管（Diode）•二极管*有源元件之一*对于N阱CMOS工艺，有PSD/NWELL和NSD/P-epi两种Diode*主要用于ESD保护电路二极管•PSD/NWELLDiode的版图和结构特点：1）存在寄生PNPBJT问题，电流容易漏到衬底，BJT的beta范围可从0.1到102）有较大的串联寄生电阻3）结构上的主要参数：结面积AP型衬底场氧N阱CAN+二极管•NSD/P-epiDiode的版图和结构特点：1）C端的电压要低于衬底电压才能正向导通2）在ESD中用于抑制负的尖峰电压2）结构上的主要参数：结面积AP型衬底场氧CAN+P+二极管•电特性*饱和电流IS正比于A*电流-电压关系公式*PN结电容⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=1exptDSDVvIi13本讲小结•课程介绍–主要内容，考核方式，项目设计•集成电路设计背景知识–集成电路的概念–集成电路的制作过程–硅集成电路的发展趋势•硅栅CMOS集成电路版图流程本讲小结•CMOS集成电路工艺中的元件–MOS晶体管–集成电阻–集成电容–连线–BJT晶体管和二极管•元件的版图和结构•元件的电特性和寄生效应课后作业PloyMetal1Metal2Metal3Metal4最小宽度(um)0.250.350.450.500.60底板电容(aF/um*um)9030159.07.0侧墙电容（两边）(aF/um)110805040304-metal0.25umtechnology各层金属线与衬底的寄生电容大小如下表，且Metal1~3的体电阻为80mΩ/□，Metal4的体电阻为40mΩ/□，单个接触孔contact的电阻为10Ω，过孔via的电阻为3Ω，若电路中要求有一个从ploy到poly、长度为1000um的互联，且在换层布线中均只用双孔连接，请问用何层金属线和何种宽度可使延迟最小？给出详细讨论过