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芯片设计中作为匹配电容应用的金属寄生电容的架构分析,罗海峰,赵伟,本文分别分析了6种不同的金属电容做匹配电容时的优缺点,并且同时给出了其中3种主要金属电容架构的实际版图排版方法。文中还根据�
国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 所以在Ⅹ,Y的平面方向,Meta需要选择尽量小的间距和宽度,以得到最大的单位面积电容 70值。在现代的工艺中,随着工艺尺寸的不断进步,tx,Dmim和Wmin的尺寸不断的减小。 表1.1不同工艺尺寸的变化即闻 0.18um 0.26 0.28 0.53 90nm 0.14 0.14 0.32 0.31 55nm 0.13 0.18 0.2 由上表可以看出在不同的工艺中,tx一般都大于Dnin,Wmi,所以在架构的选择中 75当无法使3维方向电容都达到最大值是,都会尽量加大XY方向的Cx,C的比例。 金属电容的主要架构 参考文档, Metal的寄生电容中卡要的几种结构分别如下: Top wiew Lateral vica I'armllel plate capacitor Parallel wires configuration r Vertical parallel pla es structurE, Vertical bars structure 与 Mcdified vertical parallel plates strueture QuRsifracial capacitor structures 图1.2Meta电容的主要架构 以上的几种电容架构,依次分别为 l) Parallcl plate capacitor,简写为 PP cap 2) Parallcl wircs capacitor,简写为 PW cap 3)Ⅴ ertical parallel plates capacitor;简写为 VPP cap 4) Vertical bars capacitor;简写为 VB cap 5) Modified vertical parallel plates capacitor;简与为 MVPP cap 6) Quasilractal vertical parallel plates capacitor;简写为QⅤ PP cap 这儿种电容中, PP cap完全采用Z方向的寄生电容,由于tx较大,所以其单位面积电 3 国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 90容式最小,并且这个差异随工艺进步,尺寸D,W的减小而变大,所以在应用中很少采用 但这种电容的结构和通常用的MM电容相似,所以在版图中匹配电容的排版是比较容易实 现的。 VB cap可以最大程度的应用XyY方向的寄生电容,所以理论上其单位面积电容为最 大,但实际上可以看出由于单个电容分的太小,版图上必须预留出一层的 Metal层次作为这 种电容的连接线,所以其最终的单位面积电容要比理论上的最大值要小的多。PW, VPP cap 95都是条状电容方式,其中 PW cap.用了X,z方向, VPP cap则完全采用X方向的寄生电 容,所以一般的结果 PW cap的电容值较大,但由于Z方向电容很小,所以这个差异并不会 太大,而在版图中, VPP cap的匹配性要比 PW cap好,并且版图上更易于实现; MVPP cap, QⅤ PP cap就是Ⅴ PP cap的变化, MVPP cap使得在工艺上的不同DRC要求的 metal层次也 可以组合利用,比如在1~5层为溥金属层次,而6层为厚金属层次的工艺中,第6层的Dmin, 100Wm都比其他金属层要大,在 VPP cap中是无法使用的,所以可以采用 MVPP cap的排版方 式米加大单位面积电容密度,但 MVPP cap的缺点是匹配性差,在需要高比较精度的应用 是不能用的;对于 QVPP cap,下一节可以看到其单位面积电容要比 PP cap小 匹配应用中金属电容的选取 在 pipeline adc的设计中,或者说在下图的SW-cap应用电路中 C2 VIN OPAⅦP VOUT 105 图2.1乘2运算电路 C1,C2作为增益匹电容应用,电峰原理上要求C1,2具有很高的相对比例精度,一般 其比例值为1,2或是4倍,比例精度大多要求达到1/1000的程度,而并不要求电容的绝对 110精度。结合考虑实际的版图和生产,我们选择合适的金属电容结构,该金属电容结构应该满 足以下几个条件 1)电容在实际生产中能具有很高的比例精度 2)电容具有尽量大的单位面积电容值; 3)在1,2的条件下,版图上,电容也应该希望能易于排版,连线,即从 layout工程 115 师的角度考虑,希望这个电容在版图的应用上相对简单; 对应考虑以上的几点,我们将分析上一节中的6种电容结构,来选择合适的金属电容架 构:(为了表达方便,假设采用工艺为6层金属,并且1~5层为薄金属层次,第6层为厚佥 属层次。) 120 4 山国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 与 Modified VPP cap电容的匹配精度较差,所以不会在这个电路中采用; PP cap在版图上 易于实现匹配,排版和连线,但其单位面积电容太小,一般也不会采用; VB cap的单位电容理论上是最大,因为这种架构最大化的应用了X,Y方向的寄生电容。 但在实际的版图中,还需要考虑电容的连线和匹幽电容的排版方式,所以在设计中需要进行 调整,可以采用如下的方式: 鼷 图2.2单个ⅤBcap电容的版图及其俯视图 N 酵 图2.32个匹配 VB cap电容版图俯视图 135 为了连线的考虑,单个方块电宽度无法采用最小的尺小,必须至少采用2个ⅵa的尺 大小,这样会减小电容的单位面积密度。并且可以看到,由于需要采用M5层次作为电容的 连线,所以M5层次金属只能作为平行线电容架构,也相应的减小了电容的密度。不过即便 如此,在作为单个电容采用时,其最终的单位面积密度仍然是所有金属电容中最大的,只 是其差距非常的有限,这在后面节中会给出不同架构的金属电容单位面积密度大小的参考 140 值 图23为应用在图2电路中的2个 VB cap匹配电容的排版方式,从图中可以看出, 这种版图,除了需要的电容C1(Ca),C2(Cb)外,还会产生 Ca-sub, cb-sub,Cesh,Ca2的寄 生电容。这些电容在下图给出 145 国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Cab Cl C2 A B 图242个匹配电容的完整 Metal寄生电容图 Casb,Cbab, Ce sub是任何电容都会产生的与sub的寄生电容,Cab则是不同的架构其大 150小影响可能不同。在下一章节会给出不同架构的这些无用的寄生电容比例人小比较。 由于Cas,Che在版图的位置上具有不对称性,使得在整个电容版图的边缘部分无法匹配 而如果希望提高匹配性,可以参考如下一小节 PW cap的方式增加隔离点,这样的方法当然 又会使单位面积电容密度变小,令版图复杂 155 PW cap,采用Ⅹ,Z方向的寄生电容,埋论单位面积电谷会比 VB cap要小,但连线简单 更加易于实现 对于匹配电容排版如下图: N圖N 41翻 删N團N 160 图25 PW cap的匹配电容排版 同ⅤBcap一样, Pw cap也有Ca电容较人,Cs,Che位置不对称的问题。所以为了提 高匹配性,需要修改版图的排版,使得C,Cbe可以对称的排列,可以参考如下图: l65 国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 睏4BN 围N([燃 图26 PW cap匹配电容排版修改 同样的, VB cap也可以进行同样的改变,但很明显,这样的变化会使得电谷的单位面积密 170度明显的变小,具体的变化在下一节会给出。 VPP cap,电容的结构最为简单,并且在实际的版图中也易于实现匹配电容,易于连线, 如下图: N[4」 ANNB翻 A63)N」 175 图2.7 VPP cap匹配电容排版 可以从上图中看出, VPP cap作为匹配电容不需要特别的变化,连线简单,并且几乎没 有Cab电容,从下一节也可以看出 PP cap匹配电容的单位面积密度和以上的两种电容是相 180近的,甚全可能比ⅤB, PW cap采用匹配电容排版后的电容密度要大,所以应该说 PP cap 是最适合作为匹型电容应用的,适合于在图21电路中应用。 VPP cap匹配电容,利用的是X方向的奇生电容,所以如果将其近似看为X方向的平 板电容,顶部视图如下: 国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn CO A W 图28 VPP cap俯视图 图中,W为单根金属条得宽度,D为金属条或是电谷两极之间的间距,为了得到最大 的电容密度,都取为⊥艺上的最小值,设为Wm,Dmin。L为金属条的长度。那么其XY平 面的单根电容大小可以求为 l90 C=E I(L-2- Dmin )/ Dmin+2/Ln(1 +2*Dmin/Wmin) 区域面积为:S=(Wm+Dm)/(L+Dm) 单位面积电容密度为 a=al[L/( Dmin *(L+ Dmin))+a2/(L+Dmin) 其中al (Dmin+ Wmin a2=2/Ln(1+2*Dmin/Wmin)-2 所以其在XY平面的电容密度的变化率为 dp/dL=al*(1-a2/(L+Dmin 对于一般的工苎,a2<1都成立,所以可以看出L越人则电容的密度将会越人,也就 是说为了加大电客密度,应该将单根Meta尽量画长,减少转角区域的比重,当L→>∞时, 200mx=al/ D当然也可以知道将L取得过长也是没有意义的,在90nm工艺中,Dmin= Wmin=0.14um,Φmx=ε/0.0392um2,当L=10um时,单位血积电容密度已经达到了最大密 度的约98%,选用很大的L的数值并不会使得电容密度加大很多,意义不大,反而会使版 图不容易排版,不易连接,也会使电容的电阻性变大 从公式也可以看出QⅤ PP cap是没有必要选择的,因为 QVPP cap的结构方式和ⅤPcap 205本质上是一样的,但是 QVPP cap的拐角部分更加得多,所以其单位面积电容将会小于ⅤPP cap的结构。 国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 通过以上的儿种电容架构的分析比较, VPP cap对于少配电容的应用应该是最好的选 择,这种架构具有结构简单,匹配性好,匹配结构易于实现,电容的密度也相对较大的优 210所以在类似 pipeline adc等的电路设计中,完全可以选用 VPP cap作为增益匹配电容。在下 节还会给出3种电容的具体大小比较 电容值比较及应用结果 实际工艺中几种电容的大小 从0.18um工艺到90nm,氧化层厚度和Meal的宽度和间距不断变小,但在90nm和 21555mm,这些尺寸并没有很大的变化,下图表列出了不同⊥艺和不同结构的单位面积电谷密 度大小: 表3.1,不同工艺不同架构的电容密度单位:fF/um2 Pp cap B cap Pw cap l Pw capl (图25) (图26) VPP cap(noIⅤ PP cas s, VIA) (inc VIa) 0.18um 0.166 0.88 0.83 0.66 0.71 0.85 2.05 1.91 1.75 l98 55nm 0.65 1.66 1.72 1.26 1.6 1.86 VB cap的电容密度在55n时的异常,主要是因为金属厚度变小以及在55m工艺的 220DRC原因使得ⅤBcap单个结构不能采用最小的尺寸,这两个因数的影响使其电容密度变小。 VPP cap的电容密度在55m中是最大的,ⅥA的作用也很明显 参看图24对于匹配电容的应用,实际电容中还包含有4个额外寄牛的电容:Cab,C3 bsab,Cstb,这些电容相对主电容的人小也是需要考虑的 225 表3.2,各个额外寄牛电容的大小相对主电容的比例大小 在55nm工艺中,假定Cl=C2=C cap Pw cap l ap ap VPP cap(no VPP cal 图2.2 (图24) 图2.5 VIA) (inc VIa) C 0.093 0.09 0.03 0.02 0.02 0.02 0.022 0.032 0.024 0.029 C 0.022 0.022 0.032 0.024 0.029 C 0.038 0.044 0.075 0.048 0.045 通过以上两个表的数据参考分析,不同的工艺厂当然有可能具有不同的结果,但相信总 的趋势和相对的结果的相近的,可以得出在前2节描述的电容密度的相对关系, PP cap的电 230容密度最小;而 VB cap虽然单个电容密度很人,但其额外寄牛电容也很人,而目如果为了 匹配改变排版方式(如同 PW cap),那么其电容密度反而要减小:同样 PW cap的单个电容 密度大」Ⅴ PP cap,但同样存在采用匹配架构的电容密度卜降的问题; VPP cap电容的密度 也很大,在90nm工艺中可以达到1.98T/um2,这个大小大约是模拟工艺中的MIM电容 的2倍。特别的,在 VPP cap中,ⅥIA的作用也是非常的明显的,不仪能够增加不同电谷层 235次金属地联结,减小电容的寄生电阻,并且可以加大电容密度,从图衣上可以看山,增加 VA的 VPP cap的单位面积电容值会变大约10%以上,比 Pw cap还要大。 电容在 中匹配应用的结果 通过比较分析后,选择Ⅴ PP cap作为 pipeline adc设计中的匹配电容该电容应用在10bit 低速的 pipeline adc的电路中,设计工艺为TSMC90mm,寄生电容Metl层次为 Metal 1~5 山国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 240层,寄生抽取计算单位面积电容为198/um2。由 pipeline ad的原理,通过对芯片中 pipeline adc性能的测试可以反映出其匹配电容的性能,下两图就是adc在低速采样频率和低速输入 信号的测试环境下的INL,DNL的性能 图3.1采用Ⅴ PP cap的adc测试结果 245总结 以上几节描述了6和不同的 Metal电容的架构,从金属电容形成的原理开始到实际版图 应用时的优缺点分析,最后得出了在匹配电容的应用中,Ⅴ PP cap金属电容是设计者最优的 选择。这种金属电容的电容值较大,匹配好,版图结构简单,非常的易于实现及电位连接, 并且在不同的工艺下,电容面积密度比较的稳定,所以在设计SW-cap相关电路,例如 pipeline 250adc, delta- -sigma adc, SAR adc,Sw- cap Filter等电路吋,可以选择这种金属电容,采用兼容 的标准工艺,节约工艺成本,节约面积,并且有足够的匹配精度。当然如果在不在意匹配精 度的场合,ⅤBcap是可以考虑的,因为这种金属电容的面积密度是最大的。而如果也不考 虑电容对电压温度的稳定性, MOS cap是很好的选择,因为其电容的面积密度是所有电容中 最大的。 255参考文献 [1 Roberto Aparicio, Ali Hajimiri. Capacity Limits and Matching Propcrtics of Intcgratcd Capacitors. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS.VOL 37, NO3, MARCH 2002 [2]TSMC台灣集成电路制造有限公司.180 nm process design guideline files [3]TSMC台湾集成电路制造有限公司.90 nm process design guideline files 260「4]TSMC台湾集成电路制造有限公司.55 nm process design guideline files 「5] Behzad razaⅵi.模拟CMOS集成电路设训.西安:西安交通大学出版社,2003 10

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