2019微电子第四章 集成电路设计课件.ppt

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1、第四章集成电路设计4.1集成电路中的无源元件与互连线4.2双极集成电路器件和电路设计4.3MOS集成器件和电路设计4.4双极和MOS集成电路比较4.1集成电路中的无源元件与互连线4.1.0引言4.1.1电容器4.1.2电阻器4.1.3集成电路中的电阻模型4.1.4集成电路互连线4.1.0引言集成电路的无源元件主要包括电阻、电容和电感(一般很少用)。无源元件在集成电路中所占面积一般都比有源元件(如双极晶体管、MOSFET等)要大。因此，在设计集成电路中应尽可能少用无源元件．尤其是电感和电容以及大阻值的电阻。如果有些非用不可，也可作为外接元件处理。集成电路中主要的无源元

2、件如下所示：在集成电路中，有多种电容结构：金属-绝缘体-金属(MIM)结构多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构金属叉指结构PN结电容MOS电容4.1.1电容器1．MOS电容器图4.1为MOS电容结构图。MOS电容器的电容量为：式中，为薄氧化层厚度；A为薄氧化层上金属电极的面积。在半导体一侧的P型衬底上扩散一层层，其目的是减小MOS串联电阻以及防止表面出现耗尽层。从(4.1)式可知，要提高电容量可以通过增大面积A和减小氧化层厚度两个措施。MOS结构电容平板电容和PN结电容都不相同，MOS核心部分，即金属-氧化物-半导体层结构的电容具有独特的性质。它的电容-电压特性取决于半

3、导体表面的状态。随着栅极电压的变化，表面可处于：积累区耗尽区反型区MOS结构电容MOS电容　(a)物理结构(b)电容与Vgs的函数关系MOS结构电容MOS动态栅极电容与栅极电压的函数关系4.1.1电容器一般在与集成电路工艺兼容情况下，不可能做得很薄。因此，提高电容量只能以增大面积作为代价。在集成电路中，制作一个30pF的电容器，所用MOS电容的面积相当于几十个晶体管的面积。举例说明：如果制造一个34.6pF的电容器需要的面积为105um，而一个小功率双极晶体管所占面积约4×103um2。因此，一个34.6pF的电容器相当于约25个晶体管的面积。可见在集成电路中要获得

4、一个容量较大约电容器相当困难。4.1.1电容器PN结电容是利用PN结反向时的势垒电容构成一个电容器。图4.2为一PN结电容的纵向和横向结构图。单位面积的结电容如第2章所述可以表示为式中，为接触电势差；为梯度因子；为零偏压时的电容量。PN结电容与杂质浓度有关，如果考虑杂质的横向扩散，则总的PN结面积为底面积加上4个侧面积：，式中，W为正方形PN结扩散区的边长；为PN结结深。平板电容制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构：考虑温度系数时，电容的计算式为：平板电容电容模型等效电路：固有的自频率：金属叉指结构电容4.1.2电阻器集成电路中的电阻是依靠不同的掺杂层形成的，主

5、要分为扩散电阻(包括离子注入掺杂电阻)和沟道电阻两大类。不同的掺杂层和沟道层其电阻值的大小是不同的。如果有特殊需要时，也可以用不同电阻串的金属或硅化物在半导体表面形成薄膜电阻，或者用多晶硅掺杂形成多晶硅电阻。不过，这样形成的电阻代价总比扩散电阻高。因此，集成电路中最广泛使用的还是扩散电阻，多晶硅电阻在MOS集成电路中也经常使用．在特殊的集成电路中，也会采用薄膜电阻。4.1.2电阻器集成电路中的电阻分为：无源电阻通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻有源电阻将晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管的不同的工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻。4.1.2电阻器1．

6、薄层电阻薄层电阻又俗称方块电阻，它是集成电路中广泛使用的述语。薄层电阻定义为式中，和图4.3所示电阻层的平均电阻串和电导率；为薄层的结深。若电阻的长度为L，宽度为W，则图4.3中沿水平方向的电阻为(4.3)显然，和是由工艺决定的。设计者可根据薄层电阻的大小，确定所设计电阻的长宽比(简称方数)。薄层电阻的单位为。例如，对于一个典型的双极集成电路工艺，基区扩散的薄层电阻力2004.1.2电阻器合金薄膜电阻多晶硅薄膜电阻采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电材料表面，通过光刻形成电阻条。常用的合金材料有：（1）钽（Ta）；（2）镍铬（Ni-Cr）；（3）氧化锌SnO2；

7、（4）铬硅氧CrSiO。掺杂多晶硅薄膜也是一个很好的电阻材料，广泛应用于硅基集成电路的制造。掺杂半导体电阻4.1.2电阻器不同掺杂浓度的半导体具有不同的电阻率，利用掺杂半导体的电阻特性，可以制造电路所需的电阻器。根据掺杂方式，可分为：离子注入电阻扩散电阻对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻离子注入方式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。薄层电阻的几何图形设计常用的薄层电阻图形一般电池采用窄条结构，精度要求高的采用宽条结构，小电阻采用直条型，大电阻采用折线型制作过程中相对误差的引入材料最小值典型值最大值互连金属0.050.070.1顶层金属0.030.040.05多