《CMOS器件结构.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CMOS器件结构.pdf（44页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China EST-ICC CMOS工艺中的元件 邹志革 感谢李福乐博士为本课件提供的资料！ 邹志革EST- ICC 2 CMOS集成电路中的元件 MOS晶体管 版图和结构 电特性 隔离 串联和并联 连线 集成电阻 集成电容 寄生二极管和三级管 邹志革EST- ICC 3 CMOS集成电路中元件 MOS晶体管 连线 连线寄生模型 寄生影响 集成电阻 集成电容 寄生二极管和三级管 邹志革EST- ICC 4 CMOS集成电路中元件 MOS晶体管 连线 集成电阻 多晶硅电阻 阱电阻 MOS电
2、阻 导线电阻 集成电容 寄生二极管和三级管 邹志革EST- ICC 5 CMOS集成电路中元件 MOS晶体管 连线 集成电阻 集成电容 多晶硅- 扩散区电容 双层多晶硅电容 MOS电容 多层“ 夹心” 电容 寄生二极管和三级管 邹志革EST- ICC 6 CMOS集成电路中的元件 MOS晶体管 连线 集成电阻 集成电容 寄生二极管和三级管 衬底PNP BJT PSD/NWELL Diode NSD/P- epi Diode 邹志革EST- ICC 7 MOS晶体管 MOS晶体管 最基本的有源元件 在CMOS工艺中，有PMOS和NMOS 两种 可用作跨导元件，开关，有源电阻， MOS电容 邹志革
3、EST- ICC 8 MOS晶体管 NMOS晶体管的 版图和结构 D S B G NMOS晶体管符号 NMOS晶体管剖面图 NMOS晶体管版图 N管 源漏区 N N N N N NP FOX FOX D G SB L W D G SB 邹志革EST- ICC 9 MOS晶体管 PMOS晶体管的 版图和结构 D S B G PMOS晶体管符号 PMOS晶体管剖面图 PMOS晶体管版图 P- substrateP- substrate N- 阱N- 阱 P管 源漏区 PP N- 阱 FOX FOX N N D G SB L W D G SB 邹志革EST- ICC 10 MOS晶体管 在物理版图中
4、, 只要一条多晶硅跨过一个有源 区就形成了一个MOS晶体管, 将其S, G, D, B四 端用连线引出即可与电路中其它元件连接. MOS晶体管的电特性 MOS晶体管是用栅电压控制源漏电流的器件, 重要的公式是萨方程(I- V方程): IDS=k W/L (VG- VT- VS)2- (VG- VT- VD)2 邹志革EST- ICC 11 MOS晶体管 MOS晶体管的电特性 VG, VS, VD分别是栅, 源, 漏端的电压, VT是开启电压. k是本征导电因子, k= Cox/2, 是表面迁移率, 属 于硅材料参数, Cox是单位面积栅电容,属于工艺参数 W, L分别是MOSFET的沟道宽度和
5、长度,属于物理参数 管子的最小沟道长度Lmin标志着工艺的水平 特征 尺寸, 如0.35um, 0.18um. W表示管子的大小, W越大 则管子越大,导电能力越强, 等效电阻越小. 邹志革EST- ICC 12 MOS晶体管 MOS晶体管的电特性 1. 晶体管的三种工作状态 截止区： IDS=0 条件： 饱和区： IDS=k W/L (VG- VT- VS)2- (VG- VT- VD)2 条件： 线性区： IDS= k W/L (VG- VT- VS)2- (VG- VT- VD)2 条件： 2. 晶体管的开启电压公式 0 STG VVV 0, 0 DTGSTG VVVVVV 0, 0 D
6、TGSTG VVVVVV FBSFTT VVV+=22 0 邹志革EST- ICC 13 MOS晶体管的隔离 在集成电路中, 两个无关的晶 体管都是用场 氧隔离的 将MOS1和MOS2隔离开 VddGndout in P- substrateP- substrate N-N- N NPP N N N N N- 阱 P FOX FOX 剖 面 图 N N MOS1MOS2 BS G DDSB G 邹志革EST- ICC 14 MOS晶体管的并联 晶体管的D端相连, S端相连. 如果两个晶体管中有一个晶体管导通,从D到S就有 电流流过, 若两个晶体管都导通,则 I=I1+I2. 每只晶体管相当于一
7、个电阻,它的并联和电阻并联 的规律一样, 等效电阻减小, 电流增大. D2 S2 B2 G2 D S B G D1 S1 B1 G1 D S I I1I2 M1M2 Meff 邹志革EST- ICC 15 MOS晶体管的串联 * 串联: 晶体管的S端和另外一个晶体管的D端相连. 晶体管的串联和电阻的串联规律相同, 等效 电阻增大, 电流不变: I=I1=I2. D2 S2 B2 G2 D S B G D1 S1 B1 G1 D S I I1 I2 M1 M2 Meff 邹志革EST- ICC 16 MOS晶体管 MOS晶体管的串联和并联 * 串联和并联的物理实现 P1 P2 N1 N2 P1和
8、P2并联，N1和N2串联 P1 P2 N2 N1 邹志革EST- ICC 17 连线 连线 * 电路由元件和元件间的连线构成 * 理想的连线在实现连接功能的同时，不带来额 外的寄生效应 * 在版图设计中，可用来做连线的层有： 金属，扩散区，多晶硅 邹志革EST- ICC 18 连线 连线寄生模型 * 串联寄生电阻 * 并联寄生电容 RRRRRRRRRR CCCCCCCCC 简单的长导线寄生模型 邹志革EST- ICC 19 连线 串联寄生电阻典型值 * 金属(铝, 铜) 0.05/ * 多晶硅 1015 / * 扩散区（N） 2030 / 邹志革EST- ICC 20 连线 substrate
9、 t w h + += 5 . 025. 0 06. 106. 177. 0 h t h w h w C 单位长度电容的经验公式： Ploy Metal1 Metal2 Metal3 Metal4 最小宽度(um) 0.25 0.35 0.45 0.50 0.60 底板电容(aF/um*um) 90 30 15 9.0 7.0 侧墙电容（两边）(aF/um) 110 80 50 40 30 4- metal 0.25um technology 邹志革EST- ICC 21 连线 复杂互连线的寄生电容 P型衬底 金属1 金属2 金属3 邹志革EST- ICC 22 连线 串联寄生电阻和并联寄生电
10、容的影响 电源地上，电阻造成直流和瞬态压降 长信号线上，分布电阻电容带来延迟 在导线长距离并行或不同层导线交叉时，带来 相互串扰问题 邹志革EST- ICC 23 其他元件 MOS集成电路是以MOS晶体管(MOSFET)为 主要元件构成的电路，以及将这些晶体管连接 起来的连线，此外，集成电阻，电容，以及 寄生三极管，二极管，等也是MOS集成电路 中的重要元件. 邹志革EST- ICC 24 集成电阻 电阻 * 两端元件 V=RI * 最基本的无源元件之一，是输入输出静 电保护电路， 模拟电路中必不可少的元件 * 方块电阻，线性，寄生效应 邹志革EST- ICC 25 集成电阻 高阻 多晶硅 多
11、晶硅电阻 P型衬底 场氧多晶硅 * 多晶硅电阻做在场区上. * 其方块电阻较大, 因此 可以作为电阻. 如在作电 阻的多晶硅处注入杂质, 使其方块电阻变大, 可制 作阻值很大的电阻. R=Rpoly- Si L/W * 典型值：Rpoly- Si=1k 邹志革EST- ICC 26 集成电阻 NWELL电阻 P型衬底 场氧 N+N+ N阱 N阱 金属 * 因为阱是低掺杂的, 方块电 阻较大, 因此大阻值的电阻亦 可以用阱来做 R=Rwell L/W * 典型值：Rwell=0.85k N+ implantN+ implantactive 邹志革EST- ICC 27 集成电阻 MOS管电阻 *
12、 工作在线性区的MOS管可用作电阻 * 它是一个可变电阻, 其变化取决于各极电 压的变化： ()() 22 DTGSTG SD DS DS VVVVVVk VV I V R = 邹志革EST- ICC 28 集成电阻 多晶硅 导线电阻 * 多晶硅导线 1015 / * 扩散区（N） 2030 / N+ implantN+ implantactive 邹志革EST- ICC 29 集成电容 电容 * 两端元件，电荷的容器 Q=CV * 最基本的无源元件之一，是电源滤波电路，信号滤 波电路，开关电容电路中必不可少的元件 * 单位面积电容，线性，寄生效应 邹志革EST- ICC 30 集成电容 多晶
13、硅- 扩散区电容 * 电容作在扩散区上, 它的上 极板是第一层多晶硅，下极 板是扩散区, 中间的介质是 氧化层 * 需要额外加一层版 P型衬底 N+ 多晶硅1 多晶硅1N+ N+ implant for capN+ implant for cap active 邹志革EST- ICC 31 P型衬底 N+ 集成电容 多晶硅- 扩散区电容 * 线性特性 耗尽区 () 2 210 1VVCC+ 25 2 14 1 105: 105: V V * 典型值 多晶硅1 底板寄生 * 底板寄生电容 20%C * 单位面积电容小于MOS栅电容 邹志革EST- ICC 32 集成电容 多晶硅- 多晶硅电容：
14、* 电容作在场区上, 它的两个电 极分别是两层多晶硅, 中间的介 质是氧化层 * 线性特性和底板寄生与多晶 硅- 扩散区电容相近 * 典型值：0.7fF/um*um P型衬底 场氧 多晶硅1 多晶硅2 P型衬底 多晶硅2 多晶硅1 邹志革EST- ICC 33 集成电容 MOS电容： * 结构和MOS晶体管一样, 是一个感应沟道电容, 当栅上加电压形成沟道时电容存在. 一极是栅, 另一极是沟道, 沟道这一极由S(D)端引出. * 电容的大小取决于面积, 氧化层的厚度及介电数. ox t WL C= Cch Rs P型衬底 N+ N+ Vc +- 沟道 * 单位面积电容最大的电容 * 沟道电阻问
15、题 邹志革EST- ICC 34 集成电容 MOS电容： * 非线性电容 适用于电源滤波 * 沟道长度需权衡考虑 Vc Cch MOS电容C/V特性 减小沟道电阻的方法 邹志革EST- ICC 35 集成电容 “ 夹心” 电容 * 线性电容 * 电容值为： * 底板寄生电容大约为 (5060%C) P型衬底 C1 C2 C3 C4 Cp C=C1+C2+C3+C4 多晶硅 金属1 金属2 金属3 金属4 邹志革EST- ICC 36 衬底双极晶体管(BJT) 衬底BJT * 有源元件之一 * 对于N阱CMOS工艺，可实现PNP BJT * 可用于电压基准电路 邹志革EST- ICC 37 衬底
16、BJT PNP BJT的版图和结构 P型衬底 场氧 N+ N阱 N阱 P型衬底 P+P+ BEC E C B 特点： 1）集电极C电压受到限 制，须接地 2）基区宽度WB没有很好 控制，电流增益差别较大 3）结构上的两个主要参 数：基区宽度WB和BE结 面积A WB 邹志革EST- ICC 38 衬底BJT 电特性 * 饱和电流 IS正比于A，反比于WB * 集电极电流 * 共发射极电流增益 当iC一定，vBE具有负温度系数 = t BE SC V v Iiexp BCF ii= 邹志革EST- ICC 39 二极管（Diode） 二极管 * 有源元件之一 * 对于N阱CMOS工艺，有PSD/
17、NWELL和 NSD/P- epi两种Diode * 主要用于ESD保护电路 邹志革EST- ICC 40 二极管 PSD/NWELL Diode的版图和结构 P型衬底 场氧 N+ N阱 N阱 P型衬底 P+ CA 特点： 1）存在寄生PNP BJT问 题，电流容易漏到衬底， BJT的beta范围可从10 2）有较大的串联寄生电阻 3）结构上的主要参数：结 面积A 邹志革EST- ICC 41 二极管 NSD/P- epi Diode的版图和结构 P型衬底 场氧 N+ P型衬底 P+ CA 特点： 1）C端的电压要低于衬底 电压才能正向导通 2）在ESD中用于抑制负的 尖峰电压 2）结构上的主要参数：结 面积A 邹志革EST- ICC 42 二极管 电特性 * 饱和电流 IS正比于A * 电流- 电压关系公式 * PN结电容 =1exp t D SD V v Ii 邹志革EST- ICC 43 本讲小结 CMOS集成电路工艺中的元件 MOS晶体管 集成电阻 集成电容 连线 BJT晶体管和二极管 元件的版图和结构 元件的电特性和寄生效应 Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China EST-ICC The End ！ Thanks！