集成電路版圖布局對電阻精度的影響

劉靜++梁超++蔣強

摘 要本文主要介紹了集成電路版圖布局對電阻精度的影響。隨著集成電路的發展，半導體器件的特征尺寸不斷減小，版圖設計過程中產生的一些寄生參數對芯片的影響會越來越大，版圖質量的好壞，大大影響著芯片的良率，甚至影響著芯片的成敗。本文在相同電路設計的前提下，改變版圖布局方式，研究了不同版圖布局對電阻精度的影響，依據公式計算并給出對比結果，總結了要得到精確電阻值應采用的版圖布局方式。

【關鍵詞】布局 電阻精度 集成電路版圖

1 引言

隨著集成電路的發展，半導體器件的特征尺寸不斷減小，器件的工作速度越來越快，且工作電壓越來越低，同時互連線寬也不斷減小，使得芯片面積大大減小，降低了芯片設計的成本。同時版圖設計過程中產生的一些寄生參數對芯片的影響會越來越大，版圖質量的好壞，不僅關系到集成電路的功能是否正確，而且它也會極大程度地影響集成電路的性能、成本與功耗。本文在相同電路設計的前提下，改變版圖布局方式，研究了不同版圖布局對電阻精度的影響。文章第2節主要講述目前電路常用的電阻版圖實現方式，第3節以具體公式推導為依據，計算研究了不同版圖布局對電阻精度的影響。第4節給出結論。

2 目前芯片內電阻常用的版圖實現方式

電路中用到電阻時一般是比值要求，如各種電阻分壓電路，R1：R2=7：4等，因此電阻的版圖設計時首要考慮的是匹配的要求。電阻一般會遵循三個匹配的原則：電阻應該被放置相同的方向、相同的器件類型以及相互靠近。這些原則對于減少工藝誤差對模擬器件功能的影響是非常有效的。具體來講，首先我們要保證電阻使用相同的類型、相同的寬度、相同的長度以及相同的間距。

畫匹配電阻時，應該先找最大公約數作為電阻的基本單元。首選大電阻，因為其匹配特性要比小電阻的匹配特性好。比如電阻串中存在2R，R，1/2R等阻值，選用R作為單位電阻，1/2R阻值由兩個R電阻并聯而得。而且，匹配電阻的兩端必須加dummy電阻，保證盡可能精確地得到匹配電阻的寬度和長度。并且將dummy電阻兩端短接到地。如圖1所示。對于高精度的電阻，建議電阻的寬度為工藝最小寬度的5倍，這樣能夠有效降低工藝誤差。對于陣列中有大量電阻的情況，使用交叉陣列電阻，把電阻放置成多層的結構，形成二維陣列。對于一些阻值小于20歐的電阻，使用金屬層來做電阻，會得到更準確的阻值。

3 版圖布局對電阻精度的影響

雖然多數電路用到電阻時常是比值要求，然而還有些電路中需要用到的是電阻的絕對值。比如帶隙基準電壓源中的自啟動電路，需要用固定電壓來得到電流值，或者電流鏡電路，需要從固定電流得到電壓值。此時，版圖設計要以阻值的精確度為考慮的主要因素。而芯片的實際生產過程中因為環境原因會產生各種各樣的偏差，比如光照衍射會導致電阻器件的寬度W和長度L偏差。本文對比了幾種電阻布局方法，將單位電阻按照不同的方式和方向布局擺放，降低因為生產過程中尺寸偏差而造成的電阻絕對值偏差，提高電阻精度，使系統性能更穩定。

如圖2所示，本文提出對電阻采用一字形布局方式，其中一半單元橫向放置另一半單元豎向放置的布局方式，假設同一個電阻需要2N個單位電阻R組成，取其中N個單位電阻R豎向放置，另外N個單位電阻R旋轉90度橫向放置。總阻值不變，仍然為2N*R。使得電阻阻值變化率與電阻長度以及寬度偏差關聯性降低，在不增加原有面積的基礎上，提高了電阻的實際精度。

對于理想電阻，總電阻值Rt，其中Rsq是方塊電阻，L是電阻的長度，W是電阻的寬度。

假設在生產過程中，L方向變化了a倍，W方向變化了b倍，對于現有的電阻布局方式，總電阻Rt'，

參見表1，是如圖1所示常用電阻布局方式的電阻變化率，隨著電阻寬度和長度偏移量的不同而不同，假設長度變化幅度ΔL和寬度變化幅度ΔW都為-30%～30%，電阻變化率為-41%～85%。

對于本文中的電阻布局方式，旋轉90度橫向放置的N個單位電阻的寬度和長度與豎向放置的N個單位電阻趨勢相反，即豎向電阻單元L變化a倍，但橫向電阻單元W變化a倍。因此總電阻Rt''為：

參見表2，是本文提出的如圖2所示一字型電阻布局方式的電阻變化率，隨著電阻寬度和長度偏移量的不同而不同，假設長度變化幅度ΔL和寬度變化幅度ΔW都為-30%～30%，電阻變化率為0%～19.78%。變化范圍遠遠小于常用電阻布局方式的變化率。

同時，在一字型布局的基礎上，電路的版圖布局也可靈活修改，對于不同長度的電阻，可采用回字形布局方式，或者人字形布局方式。使橫向電阻和縱向電阻總數為N個，或者使橫向電阻的總長度和縱向電阻的總長度一致，則尺寸偏差對電阻值的影響與一字型布局方式中尺寸偏差對電阻值的影響相同。

如圖3所示，電阻可采用回字形布局方式，2N個單位電阻平均分成四組，每組有N/2個單位電阻，第一組和第三組豎向放置，第二組和第四組中的N/2個單位電阻橫向放置，四組依次連接形成一個回字。

如圖4所示，還可以對電阻采用人字形布局方式，2N個單位電阻平均分成六組，每組有N/3個單位電阻，第一組中的位于首位的單位電阻的一端為輸入端；第六組中位于末位的單位電阻的另一端為輸出端；六組依次連接形成一個人字。

4 結論

本文通過改變版圖布局的方式，盡可能的減小工藝對電阻精度的影響。電阻可采用一字形布局方式，即其中一半單元橫向放置另一半單元豎向放置的布局方式。對于不同長度的電阻，也可選用回字形或者人字形布局方式，使橫向電阻的總長度和縱向電阻的總長度一致，從而會使電阻阻值變化率與電阻長度以及寬度偏差關聯性降低，在不增加原有版圖面積的基礎上，大大提高了電阻的實際精度。

參考文獻

[1]Alan Hastings，”The art of Analog Layout”P253-P256[J].電子工業出版社，2007.

作者簡介

劉靜（1982-），女，河北省滄州市人。碩士學位。高級工程師，從事DRAM/Flash 芯片中版圖設計工作。

作者單位

西安紫光國芯半導體有限公司 陜西省西安市 710075