北大集成电路版图设计课件_第5章 电容和电感.ppt

第五章 电容和电感 * * 一. 电 容 电容器是一种能够储存一定量电荷（即一定数目电子）的器件。电容器储存电荷的能力称为电容，电容的单位是法拉（简称为法，F）。 电容可分为多种规格和种类，包括陶瓷电容、云母电容、玻璃膜电容、纸质电容、铝电解电容和钽电容等等，图5.1所示的是各种分立器件形式的电容。 一. 电 容 由于集成电路是平面加工工艺，所以在集成电路中所有的电容都是平板电容。平板电容是由两块导电平板构成，两块导电平板被称之为电介质的绝缘材料隔开，电荷就存储在这个电介质中。平板电容示意图如图5.2所示。 图 5.2 平板电容示意图 一. 电 容 电容由电介质的厚度、介电常数以及两块平板相互覆盖部分的面积决定，其中介电常数是衡量电介质质量的常数。想要得到大的电容，可以利用介电常数大的材料或减小电介质的厚度。减小电介质的厚度可以增大电容，但当电介质的厚度减小时，电介质内部的电场强度会增加，太大的电场强度会导致介质击穿，从而隔离失效。在一定工作电压下，电介质的厚度有一最小值，低于最小值则不能保证电介质的有效隔离。 一. 电 容 表5-1 常用材料的相对介电常数 6-9 氮化硅（Si3N4） 4-5 二氧化硅（SiO2） 11.8 硅（Si） 相对介电常数（真空 =1） 材料 一. 电 容 边缘效应： 实际电场不单单存在于两平板之间，在平板的边缘也存在电场，即边缘效应，如图5.3所示。由于边缘效应而产生的电容称为边缘电容，边缘电容等于单位边缘电容常数乘以极板的周长，它存在于极板的四个边。边缘效应的存在相当于增大了平板的面积，增加的程度与电介质的厚度成正比。如果平板的尺寸远大于电介质的厚度，边缘效应可以被忽略。 图 5.3 平板电容的边缘效应 一. 电 容 1. 多晶硅-多晶硅电容 多晶硅-多晶硅电容可以在双层多晶硅集成电路工艺中制作，也称为双层多晶硅电容。第二层多晶硅作为电容的上电极板，第一层多晶硅作为电容的下电极板，氧化层作为电介质。如图5.4所示，C1和C2为电容的两个电极。 图 5.4 多晶硅-多晶硅电容示意图 一. 电 容 多晶硅-多晶硅电容通常制作在场区处，由场氧化层把电容和衬底隔开。由于场氧化层较厚，所以多晶硅-多晶硅电容的寄生参数小，而且无横向扩散影响。通过精确控制两层多晶硅的面积以及两层多晶硅之间的氧化层的厚度，可得到精确的电容值。 由于多晶硅-多晶硅电容制作在场氧化层上，所以电容结构的下方不能有氧化层台阶，因为台阶会引起电容下极板的表面不规则，将造成介质层局部减薄和电场集中，从而破坏电容的完整性。 一. 电 容 一. 电 容 多晶硅-多晶硅电容的实际版图包括： 电容标示层、第一层多晶硅（或多晶硅1）、第二层多晶硅（或多晶硅2）、金属1、多晶硅1与金属1接触孔和多晶硅2与金属1接触孔。电容标示层表示在此区域内制作电容，；多晶硅1作为电容的下极板；多晶硅2作为电容的上极板；金属1起到连接电极的作用，通常为金属铝；多晶硅1与金属1之间的接触孔，引出下极板电极C1；多晶硅2与金属1之间的接触孔，引出上极板电极C2。图中上下两层多晶硅的面积并不相等，计算电容时只需要考虑重叠部分即可。 2 多晶硅和扩散区（注入区或N阱）组成电容器 单层多晶工艺使用的方法。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。有PN结的寄生电容。 一. 电 容 2 多晶硅和扩散区（注入区或N阱）组成电容器 例： 缺点：下极板寄生结电容和串联电阻，在一定电压下有 非线性效应。 一. 电 容 一. 电 容 对于多晶硅-N阱电容，由于N阱是轻掺杂的，所以下极板N阱具有较大的串联电阻，可通过在N阱的四周布置接触孔来降低串联电阻的影响。同时下极板N阱还有寄生结电容，该寄生结电容来自于PN结，如图所示。在进行多晶硅-N阱电容下极板电位的连接时需要注意，必须始终保证N阱和P型衬底之间的PN结始终反偏。多晶硅-N阱电容在一定电压下有非线性效应。 一. 电 容 3. 金属-多晶硅电容 如果利用多晶硅作为电容的下极板，金属作为电容的上极板，就可形成金属-多晶硅电容。如图5.9所示，金属-多晶硅电容与多晶硅-多晶硅电容相似，只不过上极板是金属而不是多晶硅。 图 5.9 金属-多晶硅电容示意图