第5章 電阻版圖ppt課件

1、集成電路版圖基礎(chǔ)集成電路版圖基礎(chǔ)電阻版圖設(shè)計電阻版圖設(shè)計n電阻材料：電阻材料：n 常用的電阻材料是多晶硅。常用的電阻材料是多晶硅。n電阻影響因素：電阻影響因素：n 1 1、薄層的厚度、薄層的厚度H H。較厚的多晶硅薄層有較低的電阻值，較。較厚的多晶硅薄層有較低的電阻值，較薄的多晶硅薄層有較大的電阻值。薄的多晶硅薄層有較大的電阻值。n 2 2、材料的類型、長度、寬度也將改變電阻值。、材料的類型、長度、寬度也將改變電阻值。n 對于一個給定的集成電路工藝，可以認為薄膜厚度是常數(shù)，對于一個給定的集成電路工藝，可以認為薄膜厚度是常數(shù)，它是我們不能改變的參數(shù)之一。對于一個給定的材料，我們能夠改它是我們不能

2、改變的參數(shù)之一。對于一個給定的材料，我們能夠改變的只有長度和寬度。變的只有長度和寬度。WLH(厚度)HWLR4.1、方塊電阻、方塊電阻結(jié)論：雖然面積是原來面積的四倍，但總電阻仍是原來正方形的電阻值。因而，人們逐漸以每方歐姆來度量電阻。u 每方歐姆是每方歐姆是IC中電阻的基本單位，單位中電阻的基本單位，單位 u /u 有了每方歐姆的具體數(shù)值，電阻的計算就可以簡單的計算方塊的數(shù)量，而不必考慮方塊的尺寸，在一個工藝中同一材料，不論方塊的尺寸是什么，其阻值都是相同的。u 1微米*1微米正方形的電阻=4米*4米正方形的電阻。u “方數(shù)=L/W方數(shù)并不一定是整數(shù)，可以含有小數(shù)。u例子：計算下面電阻的阻值u

3、 設(shè)材料是“80 x10大小任何可能單位），則80/10=8方1 2 3 4 5 6 7 8 8010電流n方塊方塊/ /薄層電阻：薄層電阻：n 每個制造工藝有一個參數(shù)手冊，可以查尋以每方歐姆表每個制造工藝有一個參數(shù)手冊，可以查尋以每方歐姆表示的材料電阻率。示的材料電阻率。n ic ic中典型的電阻值：中典型的電阻值： poly poly柵：柵： 2-3 2-3歐姆歐姆/ /方方 n metalmetal層：層：20-10020-100毫歐姆毫歐姆/ /方小電阻；良導體）方小電阻；良導體） n diffusiondiffusion：2-2002-200歐姆歐姆/ /方方n工藝中的任何材料都可以

4、做電阻。但某些材料比其他材料更工藝中的任何材料都可以做電阻。但某些材料比其他材料更適合一些。常用的材料有適合一些。常用的材料有polypoly和和diffusiondiffusion。n 常用電阻器阻值范圍：常用電阻器阻值范圍： 1050 1050 歐姆歐姆 n 1002k 1002k 歐姆歐姆 n 2k100k 2k100k 歐姆歐姆n 6 四探針測試法：對芯片上一個很大的正方形電阻器通以四探針測試法：對芯片上一個很大的正方形電阻器通以給定的電流并且測試兩端電壓差的方法。根據(jù)已知的電給定的電流并且測試兩端電壓差的方法。根據(jù)已知的電流值流值 ，由公式，由公式V=IR，計算得到電阻值。，計算得到

5、電阻值。如何確定每方歐姆數(shù)值n4.2.1 基本電阻器版圖基本電阻器版圖n - 以硅片作為襯底材料，在襯底上淀積一層多晶硅，以硅片作為襯底材料，在襯底上淀積一層多晶硅，再在多晶硅層上覆蓋一層氧化層，形成隔離的絕緣層，再在多晶硅層上覆蓋一層氧化層，形成隔離的絕緣層，然后在氧化層上刻蝕出用于連接的接觸孔。然后在氧化層上刻蝕出用于連接的接觸孔。n 一般接觸孔位于多晶硅的兩頭。一般接觸孔位于多晶硅的兩頭。 n 體區(qū)電阻公式：體區(qū)電阻公式：n 4.2 電阻公式電阻公式LWtop viewcross sectional viewsubstratepolyoxidemetalcontactbbbbWLr.4.

6、2.2 考慮接觸電阻考慮接觸電阻rc1002003001020 3040 50W/umR/1002003001020 3040 50W/umR/正方形尺寸和每方歐姆的關(guān)系正方形尺寸和每方歐姆的關(guān)系實際上，正方形尺寸小電阻大實際上，正方形尺寸小電阻大原則上，因為同一種材料的各種正方形尺寸都具有相同原則上，因為同一種材料的各種正方形尺寸都具有相同的電阻值，所以，圖形應該是呈水平直線。然而，實際的電阻值，所以，圖形應該是呈水平直線。然而，實際情況是，當通過金屬接觸點去測量一個較小尺寸的電阻情況是，當通過金屬接觸點去測量一個較小尺寸的電阻時，測量高于預測值，就是因為接觸電阻的存在。時，測量高于預測值，

7、就是因為接觸電阻的存在。n以多晶硅電阻為例，電阻材料與外界相連的金屬接觸材料以多晶硅電阻為例，電阻材料與外界相連的金屬接觸材料同樣有電阻同樣有電阻4.2 考慮接觸電阻考慮接觸電阻rcn 由于有接觸電阻的存在，所以由于有接觸電阻的存在，所以 R = rb + 2rc R = rb + 2rc n （rcrc為兩個接觸端的接觸電阻）為兩個接觸端的接觸電阻）接觸區(qū)被認為是有固定長度的。如果接觸區(qū)的寬度增接觸區(qū)被認為是有固定長度的。如果接觸區(qū)的寬度增大，接觸電阻將變??；如果接觸區(qū)的寬度減小，接觸大，接觸電阻將變??；如果接觸區(qū)的寬度減小，接觸電阻將變大。電阻將變大。 總接觸電阻 （Rc是由接觸材料所決定

8、的電阻因子，單位“*um”；Wc為接觸區(qū)寬度） 接觸區(qū)的寬度可能并不一定和電阻器的寬度相同，它取決于工藝的設(shè)計規(guī)則，可能會要求接觸區(qū)寬度必須小于電阻器寬度。1002003001020 3040 50W/umR/1002003001020 3040 50W/umR/mmWRRcccontact12n4.2.3 改變體材料改變體材料n原因：原因：poly柵電阻大約只有柵電阻大約只有23歐姆歐姆/方，有時我們要方，有時我們要求電阻的范圍更大一些。改變體材料能夠有效提高電阻求電阻的范圍更大一些。改變體材料能夠有效提高電阻率，有助于得到較高的、更有用的電阻率。率，有助于得到較高的、更有用的電阻率。n改變

9、電阻率的方法：改變電阻率的方法：n 1、可以淀積另一層具有不同電阻特性的多晶硅。、可以淀積另一層具有不同電阻特性的多晶硅。n 2、可以通過改變已淀積在芯片上的多晶硅材料層、可以通過改變已淀積在芯片上的多晶硅材料層的結(jié)構(gòu)來改變電阻率。的結(jié)構(gòu)來改變電阻率。n u 具體制作方法：具體制作方法：u a、在所用的多晶硅材料的中部開一個窗口，并注入另外的雜質(zhì)材料，阻礙電子、在所用的多晶硅材料的中部開一個窗口，并注入另外的雜質(zhì)材料，阻礙電子的流動，來提高電阻率。的流動，來提高電阻率。u b、另一種方法是將中間的多晶硅刻蝕掉一部分使其變薄。、另一種方法是將中間的多晶硅刻蝕掉一部分使其變薄。u 這些被改變的材料

10、塊為電阻的這些被改變的材料塊為電阻的“體體”。通常會有一個設(shè)計規(guī)則用以說明體區(qū)邊界。通常會有一個設(shè)計規(guī)則用以說明體區(qū)邊界與接觸區(qū)的最小距離，這個間隔上原始的多晶硅被稱為電阻器的與接觸區(qū)的最小距離，這個間隔上原始的多晶硅被稱為電阻器的“頭頭”?？傠娮瑁??？傠娮瑁簎 cchhhbbbchWRWLWLrrrRb2.2.2214n多晶硅電阻公式：改變體材料n top viewcross sectional viewsubstratepolyoxidemetalcontactbodyhead體體頭頭頭頭15n4.2.4 接觸區(qū)誤差和體區(qū)誤差、頭區(qū)誤差接觸區(qū)誤差和體區(qū)誤差、頭區(qū)誤差n 原因：實際做出來的電

11、阻器經(jīng)常是明顯地小于或原因：實際做出來的電阻器經(jīng)常是明顯地小于或者大于你所畫的，被稱為者大于你所畫的，被稱為項，需要在公式里對該項項，需要在公式里對該項進行補償。進行補償。n 接觸區(qū)誤差：接觸區(qū)誤差：n 接觸孔刻蝕的時候，得到的實際接觸孔尺寸和接觸孔刻蝕的時候，得到的實際接觸孔尺寸和寬度產(chǎn)生了誤差，我們稱之為寬度產(chǎn)生了誤差，我們稱之為也稱為公差、誤差、也稱為公差、誤差、變化量、尺寸變化、溢出或者變化）。變化量、尺寸變化、溢出或者變化）。可正可負，可正可負，即過加工或者欠加工。即過加工或者欠加工。n 寬度、長度變化分別用寬度、長度變化分別用W和和L表示。如假設(shè)表示。如假設(shè)W是是4um，而，而W是

12、是0.06um，這表明實際的寬度最，這表明實際的寬度最大是大是4.06um ，最小是，最小是3.94um ，大小取決于，大小取決于表表示的是過加工還是欠加工。示的是過加工還是欠加工。n n “體區(qū)誤差體區(qū)誤差” 和和“頭區(qū)誤差同樣也需考慮。電阻公式改寫為：頭區(qū)誤差同樣也需考慮。電阻公式改寫為：cchhhhbbbbWWRWWLLWWLLRc2.2.hbn4.2.5 考慮擴展電阻考慮擴展電阻n small spread regionbig spread regionuncertain regionuncertain regionn電子經(jīng)接觸孔進入電阻后，并非直線流動，而是逐漸擴展開，直到最終到達整

13、個多晶硅寬度，導致實際流經(jīng)的路徑增長，方塊數(shù)增多。這種電阻叫“擴展電阻”。n若采用寬的接觸區(qū)和寬的電阻條結(jié)構(gòu)，這種影響可以忽略。若采用寬電阻而窄的接觸區(qū)，則電流在展開到全部電阻器寬度前將走更長的路徑。nP159圖4-27 解決方法：可以將接觸區(qū)延伸到多晶硅之外，這消除了展開區(qū)的問題。能否這樣設(shè)計取決于工藝技術(shù)。有些工藝只允許正方形的接觸孔，則我們必須在電阻器寬度方向上用許多接觸孔來保持低的接觸電阻。 減小擴展電阻的另一個方法：使接觸孔的寬度精確地與體相同。 對于擴展電阻項精確而詳細的計算隨制造商的不同而變，并且這屬于商業(yè)秘密。有多種技術(shù)和公式用于ic制造去確定擴展電阻項，這些技術(shù)和公式的大部分

14、是不公開的。 總電阻方程： R = rb + 2rh + 2rc + 2rs （“rs是來自于擴展區(qū)的電阻，擴展因子，見工藝手冊） （也有將接觸電阻和擴散電阻組合在一起以一個單獨項表示的）scchhhhbbbbrWWRWWLLWWLLRc22.2.hb21n5、實際的最小電阻尺寸：、實際的最小電阻尺寸：n制造商可以很好地控制中部區(qū)域體區(qū)的材料，但對外制造商可以很好地控制中部區(qū)域體區(qū)的材料，但對外部的區(qū)域，如頭區(qū)或接觸區(qū)的控制不太理想。因此應保持部的區(qū)域，如頭區(qū)或接觸區(qū)的控制不太理想。因此應保持最小體區(qū)長度為最小體區(qū)長度為10um，這將使你的誤差下降到百分之一。，這將使你的誤差下降到百分之一。如

15、果需要一個相當精確的電阻，則要確保體區(qū)長度為如果需要一個相當精確的電阻，則要確保體區(qū)長度為10um或更長，以使或更長，以使的影響最小化。的影響最小化。n - “確保體區(qū)長度至少達到確保體區(qū)長度至少達到10um，寬度，寬度5um。”n 則電阻器的最小寬度也應為則電阻器的最小寬度也應為5um。n經(jīng)驗法則：對高精度要求，將電阻做寬，做長，或即寬又經(jīng)驗法則：對高精度要求，將電阻做寬，做長，或即寬又長。長。 （經(jīng)驗是給出至少是（經(jīng)驗是給出至少是10微米長，微米長，5微米寬）微米寬）n高阻值低精度-在有些設(shè)計中，可能會需要很大的電阻值，如果對它的精度并不是很介意，允許有15%左右的變化。那么也可以把電阻的

16、寬度做到比引線孔的寬度還要小，這種電阻的形狀非常象狗骨頭。叫“狗骨型電阻”。在高阻值，精度沒有特殊要求的情況下，可以使用這種結(jié)構(gòu)。 4.3、特殊要求的電阻版圖、特殊要求的電阻版圖折彎型電阻器折彎型電阻器注意，拐角處方塊數(shù)只計算注意，拐角處方塊數(shù)只計算1/2外角沒有電子流過，電阻誤差較大外角沒有電子流過，電阻誤差較大低阻值高精度電阻的原則n如果想要得到一個阻值極低的電阻，而精度要求如果想要得到一個阻值極低的電阻，而精度要求很高，可以選擇用金屬來做。大的面積將有助于很高，可以選擇用金屬來做。大的面積將有助于減少減少delta 的影響，從而保證精度。的影響，從而保證精度。對于選擇電阻的寬度，電流密度

17、是重要的。如果需要通過電阻大量的電流，你會使用一個大的、粗的線。電流密度是材料中能夠可靠流過的電流量。工藝手冊中有關(guān)于某些特定材料電流密度的介紹，工藝中任何能夠被用于傳導電流的材料都有一個對應的電流密度。 典型的電流密度大約是“每微米寬度0.5mA”。和寬度有關(guān)是因為設(shè)計得越寬，能夠通過的電流越多。 - 用下面公式就可以計算出電阻能夠可靠流過的毫安值。 Imax = D * W Imax：最大允許可靠流過的電流mA D： 材料的電流密度 mA/um W： 材料的寬度 um 4.3、電阻設(shè)計的重要依據(jù)、電阻設(shè)計的重要依據(jù): 電流密電流密度度1.1.某電阻需要通過某電阻需要通過100100微安電流

18、，該電阻寬微安電流，該電阻寬3 3微米，如果它的電流微米，如果它的電流密度值為密度值為0.20.2毫安毫安/ /微米，該電阻能可靠工作嗎？微米，該電阻能可靠工作嗎？2.2.某電阻器的圖形尺寸為：長度某電阻器的圖形尺寸為：長度=95um=95um，寬度，寬度=12um=12um，材料的電阻，材料的電阻率為每方率為每方6565歐姆。在制造時，測量得到的電阻器的寬度減小了歐姆。在制造時，測量得到的電阻器的寬度減小了0.2um0.2um，實際電阻值是多少呢？，實際電阻值是多少呢？3. 3. 假設(shè)需要一個能承受假設(shè)需要一個能承受1212毫安電流的電阻。其大小為毫安電流的電阻。其大小為5050歐姆，歐姆，并且要求其對工藝變化不敏感。有三個選擇：并且要求其對工藝變化不敏感。有三個選擇： 多晶硅：電流密度為多晶硅：電流密度為0.27mA/um,0.27mA/um,薄層電阻率為薄層電阻率為225225； N N阱：電流密度為阱：電流密度為0.72mA/um,0.72mA/um,薄層電阻率為薄層電阻率為870