电阻，电容选取考量

JoyShockley · 发表于 2015-7-19 23:27:17

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本帖最后由 JoyShockley 于 2015-7-22 21:30 编辑

电阻，电容选取考量

Yizhe Hu

一个完整的工艺库，往往会提供各种选择的电阻和电容，本文根据28nm 工艺库实例，和Jacbo的书来简要讨论一下选取原则。
本文只供新手考量，不足之处烦请指正。

1. 电阻篇

片内电阻主要有：多晶硅电阻（p+ poly，n+ poly），扩散区电阻（p+，n+），和n-well电阻。其中，多晶硅电阻和扩散区电阻，又分为添with silicide和without silicide （通过添加silicide层，可以获得更低的方块电阻值，如图1所示）。

它们的阻值会受到电压和温度的影响，简单的计算公式如下：
res温度.png

其中，TCR1，VCR1是一阶温度系数和电压系数，单位：10e-6/摄氏度，10e-6/V；
TCR2，VCR2是二阶温度系数和电压系数。

图2. 总结了典型CMOS工艺中各个材料的性能。我们可以发现，

* N-well，p+ poly without silicide都有很大的方块电阻。用于产生几k电阻。
但是，n-well电阻的温度系数和电压系数很大。电压系数大的原因，主要是n-well和p-sub之间的耗尽层随着电压增加而增加。
* 加了silicide层后，各个材料方块电阻显著降低。用于产生几百欧的电阻。

* 各个材料的由于物理特性不同，表现的电压系数，温度系数也不尽相同，应该根据实际应用场合决定。

图3 给出了 28nm工艺下Base band 和 RF各个电阻模型。以RF为例，提供了三种电阻模型：
rppolyl_rf, rpploys_rf, 和rppolywo_rf
这里r 代表resistor，ppoly代表p+ poly，wo代表without silicide，s代表small（W<2um）, l代表large（W>2um）。
根据阻值公式 R=方块电阻*（L/W）, 我们可以知道，

rppolywo_rf 适合作大电阻1k-几k，用于射频电路中“隔交通直”的作用。例如：LNA和Mixer间的大电阻
rpploys_rf 和 rppolyl_rf 都适合做小电阻几百欧，其中同样L下，rppolyl_rf 能够提供更小的电阻。
我们还发现，射频电阻只有ppoly材料，这可能与ppoly有较小的电压系数，温度系数以及低mismatch相关。
毕竟在射频设计中，电路性能对参数更加敏感。

图1. 采用Silicide来降低Active Region和Poly的方块电阻

图2. CMOS工艺各项电阻材料典型性能总结

TSMC RES 1.png

图3. 28nm电阻模型

2. 电容篇

CMOS工艺出现过的固定电容主要有：Poly-to-Poly电容，MIM电容，以及MOM电容。

2.1 Poly-to-Poly电容
要实现Poly-to-Poly电容，必须有两层Poly的CMOS结构。图4 显示了Poly-to-Poly电容的结构示意图。
缺点：两层poly工艺，单位面积电容值小，底层poly和P-sub之间会形成大的寄生电容（已淘汰）。

pp cap.png

图4. Poly-to-Poly电容

2.2 MIM电容
MIM电容主要利用不同层金属和他们之间的介质形成电容，如图5所示。
优点：相比于Poly-to-Ploy电容，其可以利用Via和特殊工艺分别将奇数层连接（M9, M7, M5）和偶数层 (M8，M6, M4)连接, 如图5所示），这样可以增加单位面积电容。
缺点：在65nm工艺下，即便用上9层金属和Poly去构建MIM，其单位面积电容也只有（1.4fF/微米平方），而寄生电容Cp可以达到总电容的10%，如图6所示。

图5. MIM电容结构示意图

图6. MIM电容及其寄生电容

2.3 MOM电容
与MIM电容不同，MOM电容是主要利用同层金属的插指结构来构建电容，如图7所示。
在图7中，同侧不同层金属可以仅用Via连接，来增加单位面积电容，不需要增加新的工艺，与金属连线制作相同。
这样，9层金属都用上，可以增加约9倍电容值；而对于MIM结构来说，9层金属只能增加约一半4倍（奇数层和偶数层”一正一负“）。

优点：
*高单位电容值
*低寄生电容
*对称平面结构
*优良RF特性
*优良匹配特性
*兼容金属线工序，无需增加额外工序

正因为如此，在先进CMOS制程中，MOM电容已经成为最主要的电容结构。
如图8所示，在28nm工艺中，固定电容只有唯一的MOM形式。

图9 显示了28nm工艺下电容的电路符号和版图。
RF MOM只有唯一的模型：cfmom_wo_rf（上）。它是三端器件，制作在N-well上方，N-well接到VDD，对周围噪声起到屏蔽作用。
BB MOM有两种选择：cfmom_2t（中） cfmom_wo（下）。前者是二端器件，下方没有well。后者为三端器件制作在N-well上。

图7. MOM电容

图8. 28nm 电容模型

TSMC mom sche.png