第4章 外围器件及阻容元件设计

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1、第第4章章 外围器件及外围器件及阻容阻容 元元件设计件设计主要内容主要内容 4.1 特殊尺寸器件的版图设计 4.2 电阻、电容及二极管的版图设计 4.3 CMOS集成电路的静电放电保护电路 4.4 压焊块的版图设计 4.5 电源和地线的设计4. 1 特殊尺寸器件的版图设计特殊尺寸器件的版图设计 特殊尺寸器件是指： 大尺寸MOS管宽长比（W/L）很大； 小尺寸W/L1（倒比管）。4.1.1 大尺寸器件大尺寸器件 1. CMOS电路的缓冲输出电路的缓冲输出 缓冲输出是指在内部电路输出端串联二级反相器，改善输出驱动能力。各级器件尺寸（W/L）： I0为小尺寸，I1为中等尺寸，I2为大尺寸。I2的尺寸

2、根据输出电流的大小和输出波形参数的要求进行设计。CMOS集成电路的缓冲输出 2. 大尺寸器件大尺寸器件 反相器I2的版图布局：通过改变MOS管的图形形状进行设计。 (1）分段大尺寸MOS管分段成若干小尺寸MOS管。(a) MOS管的W/L=200/1 (b) 截成4段（W/L=50/1） （2）源漏共享合并源/漏区，4个小MOS管并联成大尺寸MOS管 (a)形成S-G-D、S-G-D排列 (b)左起第二个和第四个的源和漏互 (c)变成S-D-D-S-S-D-D-S的排列 并联管数为N，并联管的宽长比等于大尺寸管宽长比的1/N。并联后连接源和漏 的金属线形成“叉指”结构。 3. 隔离环及其作用隔

3、离环及其作用 1) 寄生MOS管 当金属线通过场氧化层时,金属线和场氧化层及下面的硅衬底形成一个MOS管。如果金属线的电压足够高,会使场区的硅表面反型,在场区形成导电沟道,这就是场反型或场开启。寄生MOS管接通不该连通的两个区域，破坏电路的正常工作。 (a)金属导线跨过两个扩散区 (b)场反型形成场区寄生MOS管 寄生MOS管示意图 2)场开启电压 影响场开启电压的因素： 场氧化层厚度场氧化层越厚，场开启电压就越高。 衬底掺杂浓度衬底浓度越高，场开启电压也越高。 要求场开启电压足够高，至少应大于电路的电源电压，使每个MOS管之间具有良好的隔离特性 版图设计中增加沟道隔离环提高场开启电压。3)

4、沟道隔离环 沟道隔离环是制作在衬底上或阱内的重掺杂区，能提高场开启电压，防止衬底反型形成寄生MOS管。 P管的隔离环是N-衬底上的N+环 N管的隔离环是P-阱内的P+环 4) 大尺寸NMOS管 制作在P阱(实线)内，有源区为虚线。 由4个MOS管并联。 多晶硅栅为封闭结构，左边用金属引线连接，保证每个并联N管的栅极得到的信号相同。 在阱外，N管四周有N+隔离环，隔离环的有源区是完整的封闭环。隔离环具有一定宽度，环上每隔一段距离开一个接触孔并用金属线将环连接到Vdd。 连接隔离环的金属线在左右边都开口，让金属线从隔离环内和环外进行连接。 在P阱的上下两端各进行重掺杂，作为N管源区和衬底的接触。5

5、) P阱硅栅CMOS反相器输出级与压焊块(PAD)的连接 特点: P管和N管都由多管并联而成。 P管和N管放在两个隔离环内。 考虑到电子迁移率比空穴约大2.5倍，所以P管的尺寸比N管大，使反相器的输出波形对称。(a) 无铝层的版图 (b) 完整的版图 4.1.2 倒比管倒比管 1）W/L1的MOS管称为倒比管。 倒比管在电路中可作为上拉电阻或下拉电阻。作上拉电阻用栅极接地的P管；作下拉电阻用栅极接电源的N管。 2）应用实例：开机清零电路。开机清零电路 3）版图：有源区设计成U型(图a)或反S型(图b)。 (a) U型：L=2L1+L2 (b) 反S型4. 2 电阻、电容及二极管的版图设计电阻、

6、电容及二极管的版图设计4.2.1 MOS集成电路中的电阻集成电路中的电阻 1.半导体扩散薄层的方块电阻半导体扩散薄层的方块电阻 R =L/ dW=(/d)L/W 薄层导体的电阻R 与L/W成正比，比例系数/d 称为方块电阻(用R表示)，单位为欧姆。 R=/d R= RL/W 当L=W时，有R=R。这时R表示一个正方形的薄层电阻,它与正方形边长的大小无关, 只与半导体的掺杂水平和掺杂区的结深有关。2.MOS集成电路中的无源电阻集成电路中的无源电阻 (1) 多晶硅电阻 1) 阻值由掺杂浓度和电阻形状决定。 2) 电阻形状： 做成长条，在两端开接触孔与金属连接，如图(a)； 做成狗骨头状，如图(b)

7、。 蛇形，如图(c），包括29个方块，如图(d)。(a)基本电阻 (b)狗骨头电阻(c)蛇形 (d) 29个方块 多晶硅电阻的版图 (2) 阱电阻 阱是轻掺杂区，电阻率很高，可作大电阻，但精度不高。 阱电阻两端要重掺杂做接触孔。(3) 有源区电阻 有源区可以做电阻和沟道电阻(在两层掺杂区之间的中间掺杂层，例如npn中的p型区)。 上述两种电阻要考虑衬底的电位，将P型衬底接最低电位，N型衬底接最高电位，使电阻区和衬底形成的PN结反偏。例如，P+电阻做在N阱内，除电阻两端有接触孔外，阱内要增加接最高电位的接触孔。3. MOS管做有源电阻管做有源电阻 对MOS管适当的连接，使其工作在一定的状态，利用

8、它的直流导通电阻和交流电阻作电阻。优点是占用面积非常小。 在模拟集成电路中，把MOS管的栅极和漏极相连形成非线性电阻。 倒比管应用也是做电阻。4.2.2 MOS集成电路中的电容器集成电路中的电容器 MOS集成电路中的电容器几乎都是平板电容器。平板电容器的电容表示式： C = ooxWL/tox 式中W和L是平板电容器的宽度和长度，二者的乘积即为电容器的面积。 WL=Ctox/oox MOS集成电路中常用的电容： (1) 双层多晶硅组成电容器 双层多晶工艺使用的方法：多晶硅2作电容的上电极板，多晶硅1作电容的下电极板，栅氧化层作介质。 (2) 多晶硅和扩散区（或注入区）组成电容器 单层多晶工艺使

9、用的方法。淀积多晶硅前先掺杂下电极板区域，再生长栅氧化层和淀积作上电极的多晶硅。多晶硅和扩散区组成的电容器 (3)金属和多晶硅组成电容器 多晶硅作电容器下电极板、金属作上电极板构成的MOS电容器。4.2.3 集成电路中的二极管集成电路中的二极管 在PN结的P区和N区分别加上电极就构成了二极管。 P型衬底上N区和P区构成二极管，图(a)。 做在N阱内的二极管，n+环围绕p+接触，图(b)。 做在P型衬底上的二极管,中央为N型区,四周被P+环包围，图(c)。(a)P型衬底上的二极管 (b)做在N阱内的二极管 (c)做在P型衬底上的二极管 4.3 CMOS集成电路的静电放电保护电路集成电路的静电放电

10、保护电路 常采用二极管和电阻组成静电放电保护电路 如图(a)；版图如图(b)。(a) 电路图 (b)版图 另一种静电放电保护电路如图(a)，栅源连接的MOS管等效于二极管，如图(b)；图(c)P管和N管的版图都利用漏和衬底所形成的二极管，漏区面积很大，可以流过较大的电流。 (b) 等效电路 (c) 版图 4.4 压焊块的版图设计压焊块的版图设计 为了使内引线与管芯相连，在芯片的四周放置大的压焊块(pad)，将它们与电路中相应的结点连接。芯片上的键合压焊块 压焊块的结构：由最上层金属构成；由最上面的两层金属构成，金属层之间由四周的通孔相连接，如图所示。 键合压焊块结构 防止压焊过程中的穿通。有时

11、在压焊块的金属层下面还增加N阱和多晶等层，防止压焊中的穿通。实例如下图（用于除GND之外的电极，GND压焊块没有多晶硅和NWELL层）。 压焊块实例 4.5电源和地线的设计电源和地线的设计4.5.1 电源和地线在外围的分布框架电源和地线在外围的分布框架两种决定芯片面积大小的类型:(1) 管芯限制型内部电路面积大，压焊块很少；(2) 压焊块限制型内部电路的面积不大，压焊块数特别多。 在管芯限制型布局中，压焊块的一种分布框架如图所示。外圈金属线是Vss（地线）；内圈金属线为电源Vdd，输入和输出管脚位于它们之间。芯片版图端口分布框架 4.5.2 电源和地线在内部的分布电源和地线在内部的分布 1.电流密度和金属线宽度电流密度和金属线宽度 金属线能安全承受的电流称为承受电流常数(Ib)。用Ib可确定承受电流(I)的金属线宽度(W)：I=WIb 内部单元用较小金属线宽度，较大单元的金属线要相应加宽，电源和地线的压焊块用最大宽度的金属导线。 2.电源和地线采用叉指结构电源和地线采用叉指结构 内部电路中的电源和地线布局采用叉指型结构。(a)合并前 (b)合并后 (c) Vdd和Vss采用叉指结构 合并共同的地线