集成電路版圖設(shè)計(jì)項(xiàng)目教程 課件 7放大器版圖

《集成電路版圖設(shè)計(jì)項(xiàng)目教程》2024/1/15MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)一放大器電路與版圖二2024/1/15項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)版圖后仿真三2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)（1）MOS晶體管的失配

失配大體上可分為兩類：制造過程中引入的失配和設(shè)計(jì)中的失配。在大多數(shù)情況下，利用各種設(shè)計(jì)技術(shù)可以消除設(shè)計(jì)中的失配；而許多最終電路中存在的失配大多是由制造過程中晶體管幾何尺寸的失配引起的。MOS晶體管在制造過程中的失配會(huì)導(dǎo)致：晶體管閾值電壓的失配；晶體管跨導(dǎo)的失配；晶體管漏電流的失配。MOS管失配的電路影響因素

要求電壓匹配的MOS電路應(yīng)該工作在較低柵壓下，要求電流匹配的MOS電路應(yīng)該工作在較高的柵壓下。MOS管失配的版圖影響因素匹配設(shè)計(jì)的主要目的就是盡量使器件對(duì)引起失配的各種原因不敏感，MOS晶體管版圖的尺寸、形狀、方向都會(huì)影響其匹配性。項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)MOS管的版圖匹配設(shè)計(jì)是模擬集成電路版圖設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一，適合于運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)匹配，以及電流鏡的匹配與對(duì)稱版圖設(shè)計(jì)。2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)工藝中刻蝕對(duì)MOS管失配的影響

多晶硅在不同的幾何圖形下刻蝕速率是不完全一致的，多晶硅刻蝕的掩模板開孔越大，刻蝕速率越快。圖中所示為三個(gè)平行MOS多晶硅柵的版圖，用它說明這一現(xiàn)象。兩邊多晶硅柵朝外側(cè)的邊成為大開口的側(cè)壁，很快就會(huì)刻蝕完；而兩邊多晶硅柵朝內(nèi)側(cè)的邊成為狄長(zhǎng)縫隙的側(cè)壁，刻蝕速率較慢；中間的多晶硅柵沒有向外側(cè)的邊緣，刻蝕速率較慢；因此刻蝕后最終的寬度中間的要比其他兩個(gè)多晶硅柵稍大。2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)工藝中刻蝕對(duì)MOS管失配的影響

對(duì)于MOS管，多晶硅柵之間要加入源漏的接觸孔，導(dǎo)致多晶硅柵極之間的間距稍大一些，結(jié)構(gòu)較為松散，多晶硅柵極之間的間距越大，對(duì)刻蝕速率的變化越不敏感。為了確保均勻刻蝕，MOS晶體管應(yīng)該使用虛擬（Dummy）多晶柵極，如圖所示。

虛擬多晶硅柵極特點(diǎn)：虛擬多晶硅柵極的長(zhǎng)度應(yīng)該與有源區(qū)的實(shí)際多晶硅柵極的長(zhǎng)度相同，虛擬多晶硅柵極與實(shí)際柵極之間的間距必須等于實(shí)際柵極之間的距離。虛擬柵并不是真正意義的晶體管，它的兩側(cè)不需要源漏區(qū)。虛擬柵極通常與晶體管的源極或背柵相連，以保證晶體管的電學(xué)特性不受虛擬管下方形成的偽溝道的影響。2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)工藝中刻蝕對(duì)MOS管失配的影響

通常為了解決刻蝕速率的不均勻變化造成的多晶硅形狀上的偏差，一般的設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)采用梳狀柵結(jié)構(gòu)把多個(gè)柵電極叉指連接起來。

在版圖設(shè)計(jì)中，常把一個(gè)W/L較大的MOS晶體管分成N個(gè)相同且并行的MOS晶體管，每個(gè)MOS晶體管的溝道寬度為原來的N分之一，這樣能減小寄生電容。被分成多段的MOS晶體管版圖做成叉指結(jié)構(gòu)，從而可以構(gòu)成一個(gè)緊湊的陣列。如圖所示為一個(gè)MOS晶體管的叉指陣列版圖，版圖采用6個(gè)晶體管并聯(lián)叉指結(jié)構(gòu)，源漏柵都分別通過金屬布線連接成一個(gè)尺寸大的晶體管。2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)雜質(zhì)擴(kuò)散的影響

對(duì)于MOS管，如果附近有深擴(kuò)散區(qū)排布，就會(huì)影響其匹配特性。阱是深擴(kuò)散區(qū)的一種，所以包含MOS管的阱區(qū)應(yīng)盡量畫的大一些，留有與MOS管邊界足夠大的距離；MOS管外部的阱區(qū)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，以防止阱雜質(zhì)分布的尾部對(duì)匹配晶體管的影響。

氫化對(duì)金屬布線的影響MOS晶體管版圖中，覆蓋金屬的MOS晶體管和沒有覆蓋金屬的MOS晶體管之間可能出現(xiàn)漏極電流失配。在版圖中MOS管布局布線時(shí)，金屬布線不能橫穿匹配晶體管有源柵區(qū)的上方區(qū)域，同時(shí)在兩個(gè)匹配晶體管的上方和附近區(qū)域的金屬布線層都保持完全對(duì)應(yīng)或一致。2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)應(yīng)力效應(yīng)的影響

應(yīng)力是載流子遷移率發(fā)生變化的因素，應(yīng)力對(duì)遷移率的影響取決于方向，因此，為了避免應(yīng)力的方向性變化引起失配，匹配晶體管排列朝向應(yīng)該都是一致的，如圖所示。

（a）相同的晶軸方向平行排布

（b）晶體管方向45度排布

（c）晶體管方向垂直排布

圖（a）中的兩個(gè)MOS晶體管沿著相同的晶軸方向排布，而圖（b）和（c）中的晶體管方向性不一致。因此，圖（a）中本用的MOS晶體管結(jié)構(gòu)的匹配度要優(yōu)于圖（b）和（c）中的MOS晶體管結(jié)構(gòu)。2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)梯度的影響

梯度失配是器件與質(zhì)心之間的距離引起的失配，影響MOS管梯度的因素有溫度梯度、應(yīng)力梯度等。溫度梯度MOS晶體管的電壓匹配主要取決于閾值電壓的匹配，閾值電壓隊(duì)溫度梯度敏感。使匹配器件沿溫度梯度的對(duì)稱軸對(duì)稱排布、以及采用共質(zhì)心的版圖結(jié)構(gòu)，可以減小熱梯度誘發(fā)的失配。應(yīng)力梯度MOS晶體管的電流匹配主要取決于器件的跨導(dǎo)匹配，MOS管的跨導(dǎo)隨載流子遷移率成正比，應(yīng)力梯度會(huì)使載流子的遷移率發(fā)生變化。對(duì)于MOS晶體管，采用共質(zhì)心版圖結(jié)構(gòu)可以減小失配。

通過減小匹配晶體管的質(zhì)心之間的距離可以減小由于梯度變化引起的失配。盡量可以把版圖的質(zhì)心之間的距離減小為零。共質(zhì)心版圖布局越緊密，就越不容易受到非線性梯度的影響，MOS管版圖布局質(zhì)心應(yīng)該對(duì)準(zhǔn)而且布局緊湊。

2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)（2）共質(zhì)心版圖結(jié)構(gòu)

共質(zhì)心版圖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該減少器件版圖質(zhì)心的間距。設(shè)置兩個(gè)陣列化的器件，使它們有相同的對(duì)稱軸，那么這兩個(gè)器件的質(zhì)心就可以重合。這時(shí)，質(zhì)心間距最小為零。器件共質(zhì)心對(duì)稱排列結(jié)構(gòu)一般對(duì)稱：兩個(gè)器件之間以一個(gè)軸（X或Y）結(jié)構(gòu)對(duì)稱，如圖（a）所示。相同比例對(duì)稱：兩個(gè)器件之間以相同的比例結(jié)構(gòu)對(duì)稱，如圖（b）所示。不同比例對(duì)稱：兩個(gè)器件之間以不同的比例結(jié)構(gòu)對(duì)稱，如圖（c）所示。二維共質(zhì)心陣列：兩個(gè)器件之間以二維結(jié)構(gòu)對(duì)稱，如圖（d）所示。

（a）

（b）（c）

（d）2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)（2）共質(zhì)心版圖結(jié)構(gòu)共質(zhì)心對(duì)稱排列的結(jié)構(gòu)，如表1所示是一維叉指對(duì)稱排列，如表2所示是二維叉指對(duì)稱排列。

一組兩組三組四組AAAAAAAAAAABABBAABBAABABABABBABABAABCABCCBAABCBACBCAABCABCCBACBAABCDABCDDCBAABCDBCADBCDAABCDDCBAABCDDCBAABAABAABAABAABAABAABAABAABAABAABABAABABAABABAABABAABABAABABAABABAABABAABABAABABAAABAAABAABAAAABAAABAAABAAABAABAAAABAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAA二組四組六組八組

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AABBAABAAAABAABBAABAAAABAABBAAAABBAABAAAABBAAAABAABBAA表1一維叉指對(duì)稱表2二維叉指對(duì)稱2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)（2）共質(zhì)心版圖結(jié)構(gòu)共質(zhì)心版圖的要求一般包括以下幾點(diǎn)：一致性：匹配器件的質(zhì)心位置應(yīng)該是一致的。理想情況下，質(zhì)心應(yīng)該完全重合。對(duì)稱性：陣列應(yīng)該同時(shí)相對(duì)于X軸和Y軸對(duì)稱。理想情況下，應(yīng)該是陣列中各個(gè)單元位置互相對(duì)稱，而不是單元自身具有對(duì)稱性。分散性：陣列應(yīng)具有最大程度的分散性。即每個(gè)器件的各個(gè)組成部分應(yīng)盡可能均勻分布在陣列中。緊湊性．陣列排布應(yīng)盡可能緊湊。理想情況下，應(yīng)接近于正方形。方向性：每個(gè)匹配器件中應(yīng)包含等量的朝向相反的段，即應(yīng)具有相等的叉指值。

2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)（3）一維陣列版圖匹配

簡(jiǎn)單的陣列形式是把多個(gè)器件叉指并行放置，通過恰當(dāng)?shù)牟季?，MOS匹配器件的質(zhì)心與陣列對(duì)稱軸的中心對(duì)準(zhǔn)。一維陣列匹配設(shè)計(jì)，如圖所示。兩個(gè)MOS管采用ABBA叉指結(jié)構(gòu)。

晶體管A、B相對(duì)于對(duì)稱軸線對(duì)稱，且二者的質(zhì)心重合。每個(gè)晶體管都包含的段具有兩個(gè)相反的方向。每個(gè)晶體管向左和向右的段數(shù)相同，那么不會(huì)受到方向的影響，晶體管匹配良好。

2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)（4）二維陣列版圖匹配

二維陣列（通常稱為交叉耦合對(duì)）的匹配特性一般優(yōu)于一維陣列，它能夠更好消除梯度的影響，這是由于二維陣列具有更好的緊湊性和分散性。

如圖所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的二維陣列，版圖實(shí)現(xiàn)使用交叉形式：

2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)（4）二維陣列版圖匹配

大尺寸兩個(gè)MOS晶體管交叉耦合對(duì)匹配，隨著陣列變大，會(huì)由于缺乏分散性導(dǎo)致匹配不好。可以把匹配晶體管分成四段或六段或更多。排列成二維陣列：

2024/1/15任務(wù)7.1MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)（4）二維陣列版圖匹配

對(duì)于如圖所示的放大器差分對(duì)電路。兩個(gè)MOS管需要匹配設(shè)計(jì)，采用二維匹配。

分割兩個(gè)MOS晶體管實(shí)現(xiàn)四方交叉：將晶體管M1等分為M1a和M1b，晶體管M2等分為M2a和M2b，就可以實(shí)現(xiàn)四方交叉：M1和M2的寬長(zhǎng)比很大，M1a、M1b、M2a和M2b都采用多管并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。這四個(gè)MOS管的源已經(jīng)連接到金屬布線MT1，為了避免和MT1交叉短路,M1和M2的漏極要用金屬布線MT2連接。ThankYou!2024/1/15李亮《集成電路版圖設(shè)計(jì)項(xiàng)目教程》2024/1/15放大器電路圖與版圖二MOS管版圖匹配設(shè)計(jì)技術(shù)一2024/1/15項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)版圖后仿真三2024/1/15任務(wù)7.2放大器電路與版圖項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)（1）放大器電路圖

如圖中是一個(gè)基本的二級(jí)運(yùn)放電路，電路由一個(gè)差分放大器（差分輸入晶體管對(duì)由M2和M3構(gòu)成，尾電流源由晶體管M5和M7構(gòu)成，電流鏡負(fù)載由晶體管M0和M1構(gòu)成）和一個(gè)PMOS共源放大器（晶體管M2是放大管，晶體管M6是電流源負(fù)載）構(gòu)成基本二級(jí)放大電路。

第一級(jí)差分放大與第二級(jí)共源放大具有相同大小的電流。電流源基準(zhǔn)電壓由電阻R1和M7管構(gòu)成，再由M7、M5、M6構(gòu)成的電流鏡像電路，提供給差分對(duì)尾電流和第二級(jí)的負(fù)載電流。同時(shí)增加了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)米勒補(bǔ)償電容C0和一個(gè)消除零點(diǎn)電阻R0構(gòu)成。2024/1/15任務(wù)7.2放大器電路與版圖項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)（2）放大器版圖布局

放大器版圖布局圖如圖所示。

其中放大器差分對(duì)管使用二維共質(zhì)心匹配對(duì)稱陣列；電流鏡使用一維共質(zhì)心匹配對(duì)稱陣列；電流源使用一維共質(zhì)心叉指陣列；補(bǔ)償電容使用PIP電容；基準(zhǔn)電阻和調(diào)零電阻使用多晶硅電阻。所有單元版圖都加保護(hù)環(huán)。2024/1/15任務(wù)7.2放大器電路與版圖項(xiàng)目7放大器版圖設(shè)計(jì)（3）放大器版圖

放大器版圖如圖所示ThankYou!