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(jì)電阻版圖設(shè)計(jì)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(lèi)型、長(zhǎng)度、寬度也將改變電阻值。、材料的類(lèi)型、長(zhǎng)度、寬度也將改變電阻值。n 對(duì)于一個(gè)給定的集成電路工藝，可以認(rèn)為薄膜厚度是常數(shù)，對(duì)于一個(gè)給定的集成電路工藝，可以認(rèn)為薄膜厚度是常數(shù)，它是我們不能改變的參數(shù)之一。對(duì)于一個(gè)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(duì)于一個(gè)給定的材料，我們能夠改變的只有長(zhǎng)度和寬度。變的只有長(zhǎng)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(lái)面積的四倍，但總電阻仍是原來(lái)正方形的電阻值。因而，人們逐漸以每方歐姆來(lái)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(jì)算就可以簡(jiǎn)單的計(jì)算方塊的數(shù)量，而不必考慮方塊的尺寸，在一個(gè)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(jì)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(gè)制造工藝有一個(gè)參數(shù)手冊(cè)，可以查尋以每方歐姆表每個(gè)制造工藝有一個(gè)參數(shù)手冊(cè)，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(dǎo)體）方小電阻；良導(dǎo)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(cè)試法：對(duì)芯片上一個(gè)很大的正方形電阻器通以四探針測(cè)試法：對(duì)芯片上一個(gè)很大的正方形電阻器通以給定的電流并且測(cè)試兩端電壓差的方法。根據(jù)已知的電給定的電流并且測(cè)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(jì)算得到電阻值。，計(jì)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(shí)際上，正方形尺寸小電阻大實(shí)際上，正方形尺寸小電阻大原則上，因?yàn)橥环N材料的各種正方形尺寸都具有相同原則上，因?yàn)橥环N材料的各種正方形尺寸都具有相同的電阻值，所以，圖形應(yīng)該是呈水平直線(xiàn)。然而，實(shí)際的電阻值，所以，圖形應(yīng)該是呈水平直線(xiàn)。然而，實(shí)際情況是，當(dāng)通過(guò)金屬接觸點(diǎn)去測(cè)量一個(gè)較小尺寸的電阻情況是，當(dāng)通過(guò)金屬接觸點(diǎn)去測(cè)量一個(gè)較小尺寸的電阻時(shí)，測(cè)量高于預(yù)測(cè)值，就是因?yàn)榻佑|電阻的存在。時(shí)，測(cè)量高于預(yù)測(cè)值，

7、就是因?yàn)榻佑|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(gè)接觸端的接觸電阻）為兩個(gè)接觸端的接觸電阻）接觸區(qū)被認(rèn)為是有固定長(zhǎng)度的。如果接觸區(qū)的寬度增接觸區(qū)被認(rèn)為是有固定長(zhǎng)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(jì)規(guī)則，可能會(huì)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(shí)我們要方，有時(shí)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(guò)改變已淀積在芯片上的多晶硅材料層、可以通過(guò)改變已淀積在芯片上的多晶硅材料層的結(jié)構(gòu)來(lái)改變電阻率。的結(jié)構(gòu)來(lái)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(kāi)一個(gè)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(kāi)一個(gè)窗口，并注入另外的雜質(zhì)材料，阻礙電子的流動(dòng)，來(lái)提高電阻率。的流動(dòng)，來(lái)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(huì)有一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則用以說(shuō)明體區(qū)邊界。通常會(huì)有一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則用以說(shuō)明體區(qū)邊界與接觸區(qū)的最小距離，這個(gè)間隔上原始的多晶硅被稱(chēng)為電阻器的與接觸區(qū)的最小距離，這個(gè)間隔上原始的多晶硅被稱(chēng)為電阻器的“頭頭”?？傠娮瑁?。總電阻：u 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(shí)際做出來(lái)的電

11、阻器經(jīng)常是明顯地小于或原因：實(shí)際做出來(lái)的電阻器經(jīng)常是明顯地小于或者大于你所畫(huà)的，被稱(chēng)為者大于你所畫(huà)的，被稱(chēng)為項(xiàng)，需要在公式里對(duì)該項(xiàng)項(xiàng)，需要在公式里對(duì)該項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。進(jìn)行補(bǔ)償。n 接觸區(qū)誤差：接觸區(qū)誤差：n 接觸孔刻蝕的時(shí)候，得到的實(shí)際接觸孔尺寸和接觸孔刻蝕的時(shí)候，得到的實(shí)際接觸孔尺寸和寬度產(chǎn)生了誤差，我們稱(chēng)之為寬度產(chǎn)生了誤差，我們稱(chēng)之為也稱(chēng)為公差、誤差、也稱(chēng)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）?？烧韶?fù)，可正可負(fù)，即過(guò)加工或者欠加工。即過(guò)加工或者欠加工。n 寬度、長(zhǎng)度變化分別用寬度、長(zhǎng)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(shí)際的寬度最，這表明實(shí)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(guò)加工還是欠加工。示的是過(guò)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(xiě)為：頭區(qū)誤差同樣也需考慮。電阻公式改寫(xiě)為：cchhhhbbbbWWRWWLLWWLLRc2.2.hbn4.2.5 考慮擴(kuò)展電阻考慮擴(kuò)展電阻n small spread regionbig spread regionuncertain regionuncertain regionn電子經(jīng)接觸孔進(jìn)入電阻后，并非直線(xiàn)流動(dòng)，而是逐漸擴(kuò)展開(kāi)，直到最終到達(dá)整

13、個(gè)多晶硅寬度，導(dǎo)致實(shí)際流經(jīng)的路徑增長(zhǎng)，方塊數(shù)增多。這種電阻叫“擴(kuò)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(kāi)到全部電阻器寬度前將走更長(zhǎng)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(kāi)區(qū)的問(wèn)題。能否這樣設(shè)計(jì)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(lái)保持低的接觸電阻。 減小擴(kuò)展電阻的另一個(gè)方法：使接觸孔的寬度精確地與體相同。 對(duì)于擴(kuò)展電阻項(xiàng)精確而詳細(xì)的計(jì)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(kuò)展電阻項(xiàng)，這些技術(shù)和公式的大部分

14、是不公開(kāi)的。 總電阻方程： R = rb + 2rh + 2rc + 2rs （“rs是來(lái)自于擴(kuò)展區(qū)的電阻，擴(kuò)展因子，見(jiàn)工藝手冊(cè)） （也有將接觸電阻和擴(kuò)散電阻組合在一起以一個(gè)單獨(dú)項(xiàng)表示的）scchhhhbbbbrWWRWWLLWWLLRc22.2.hb21n5、實(shí)際的最小電阻尺寸：、實(shí)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(duì)外制造商可以很好地控制中部區(qū)域體區(qū)的材料，但對(duì)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(yīng)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(yīng)保持最小體區(qū)長(zhǎng)度為最小體區(qū)長(zhǎng)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(gè)相當(dāng)精確的電阻，則要確保體區(qū)長(zhǎng)度為如果需要一個(gè)相當(dāng)精確的電阻，則要確保體區(qū)長(zhǎng)度為10um或更長(zhǎng)，以使或更長(zhǎng)，以使的影響最小化。的影響最小化。n - “確保體區(qū)長(zhǎng)度至少達(dá)到確保體區(qū)長(zhǎng)度至少達(dá)到10um，寬度，寬度5um?！眓 則電阻器的最小寬度也應(yīng)為則電阻器的最小寬度也應(yīng)為5um。n經(jīng)驗(yàn)法則：對(duì)高精度要求，將電阻做寬，做長(zhǎng)，或即寬又經(jīng)驗(yàn)法則：對(duì)高精度要求，將電阻做寬，做長(zhǎng)，或即寬又長(zhǎng)。長(zhǎng)。 （經(jīng)驗(yàn)是給出至少是（經(jīng)驗(yàn)是給出至少是10微米長(zhǎng)，微米長(zhǎng)，5微米寬）微米寬）n高阻值低精度-在有些設(shè)計(jì)中，可能會(huì)需要很大的電阻值，如果對(duì)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(xiàn)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(méi)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(jì)算注意，拐角處方塊數(shù)只計(jì)算1/2外角沒(méi)有電子流過(guò)，電阻誤差較大外角沒(méi)有電子流過(guò)，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(gè)阻值極低的電阻，而精度要求如果想要得到一個(gè)阻值極低的電阻，而精度要求很高，可以選擇用金屬來(lái)做。大的面積將有助于很高，可以選擇用金屬來(lái)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(duì)于選擇電阻的寬度，電流密度

17、是重要的。如果需要通過(guò)電阻大量的電流，你會(huì)使用一個(gè)大的、粗的線(xiàn)。電流密度是材料中能夠可靠流過(guò)的電流量。工藝手冊(cè)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(dǎo)電流的材料都有一個(gè)對(duì)應(yīng)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?yàn)樵O(shè)計(jì)得越寬，能夠通過(guò)的電流越多。 - 用下面公式就可以計(jì)算出電阻能夠可靠流過(guò)的毫安值。 Imax = D * W Imax：最大允許可靠流過(guò)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(jì)的重要依據(jù)、電阻設(shè)計(jì)的重要依據(jù): 電流密電流密度度1.1.某電阻需要通過(guò)某電阻需要通過(guò)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(zhǎng)度某電阻器的圖形尺寸為：長(zhǎng)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(shí)，測(cè)量得到的電阻器的寬度減小了歐姆。在制造時(shí)，測(cè)量得到的電阻器的寬度減小了0.2um0.2um，實(shí)際電阻值是多少呢？，實(shí)際電阻值是多少呢？3. 3. 假設(shè)需要一個(gè)能承受假設(shè)需要一個(gè)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(duì)工藝變化不敏感。有三個(gè)選擇：并且要求其對(duì)工藝變化不敏感。有三個(gè)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