集成电路版图布局对电阻精度的影响

刘静++梁超++蒋强

摘 要本文主要介绍了集成电路版图布局对电阻精度的影响。随着集成电路的发展，半导体器件的特征尺寸不断减小，版图设计过程中产生的一些寄生参数对芯片的影响会越来越大，版图质量的好坏，大大影响着芯片的良率，甚至影响着芯片的成败。本文在相同电路设计的前提下，改变版图布局方式，研究了不同版图布局对电阻精度的影响，依据公式计算并给出对比结果，总结了要得到精确电阻值应采用的版图布局方式。

【关键词】布局 电阻精度 集成电路版图

1 引言

随着集成电路的发展，半导体器件的特征尺寸不断减小，器件的工作速度越来越快，且工作电压越来越低，同时互连线宽也不断减小，使得芯片面积大大减小，降低了芯片设计的成本。同时版图设计过程中产生的一些寄生参数对芯片的影响会越来越大，版图质量的好坏，不仅关系到集成电路的功能是否正确，而且它也会极大程度地影响集成电路的性能、成本与功耗。本文在相同电路设计的前提下，改变版图布局方式，研究了不同版图布局对电阻精度的影响。文章第2节主要讲述目前电路常用的电阻版图实现方式，第3节以具体公式推导为依据，计算研究了不同版图布局对电阻精度的影响。第4节给出结论。

2 目前芯片内电阻常用的版图实现方式

电路中用到电阻时一般是比值要求，如各种电阻分压电路，R1：R2=7：4等，因此电阻的版图设计时首要考虑的是匹配的要求。电阻一般会遵循三个匹配的原则：电阻应该被放置相同的方向、相同的器件类型以及相互靠近。这些原则对于减少工艺误差对模拟器件功能的影响是非常有效的。具体来讲，首先我们要保证电阻使用相同的类型、相同的宽度、相同的长度以及相同的间距。

画匹配电阻时，应该先找最大公约数作为电阻的基本单元。首选大电阻，因为其匹配特性要比小电阻的匹配特性好。比如电阻串中存在2R，R，1/2R等阻值，选用R作为单位电阻，1/2R阻值由两个R电阻并联而得。而且，匹配电阻的两端必须加dummy电阻，保证尽可能精确地得到匹配电阻的宽度和长度。并且将dummy电阻两端短接到地。如图1所示。对于高精度的电阻，建议电阻的宽度为工艺最小宽度的5倍，这样能够有效降低工艺误差。对于阵列中有大量电阻的情况，使用交叉阵列电阻，把电阻放置成多层的结构，形成二维阵列。对于一些阻值小于20欧的电阻，使用金属层来做电阻，会得到更准确的阻值。

3 版图布局对电阻精度的影响

虽然多数电路用到电阻时常是比值要求，然而还有些电路中需要用到的是电阻的绝对值。比如带隙基准电压源中的自启动电路，需要用固定电压来得到电流值，或者电流镜电路，需要从固定电流得到电压值。此时，版图设计要以阻值的精确度为考虑的主要因素。而芯片的实际生产过程中因为环境原因会产生各种各样的偏差，比如光照衍射会导致电阻器件的宽度W和长度L偏差。本文对比了几种电阻布局方法，将单位电阻按照不同的方式和方向布局摆放，降低因为生产过程中尺寸偏差而造成的电阻绝对值偏差，提高电阻精度，使系统性能更稳定。

如图2所示，本文提出对电阻采用一字形布局方式，其中一半单元横向放置另一半单元竖向放置的布局方式，假设同一个电阻需要2N个单位电阻R组成，取其中N个单位电阻R竖向放置，另外N个单位电阻R旋转90度横向放置。总阻值不变，仍然为2N*R。使得电阻阻值变化率与电阻长度以及宽度偏差关联性降低，在不增加原有面积的基础上，提高了电阻的实际精度。

对于理想电阻，总电阻值Rt，其中Rsq是方块电阻，L是电阻的长度，W是电阻的宽度。

假设在生产过程中，L方向变化了a倍，W方向变化了b倍，对于现有的电阻布局方式，总电阻Rt'，

参见表1，是如图1所示常用电阻布局方式的电阻变化率，随着电阻宽度和长度偏移量的不同而不同，假设长度变化幅度ΔL和宽度变化幅度ΔW都为-30%～30%，电阻变化率为-41%～85%。

对于本文中的电阻布局方式，旋转90度横向放置的N个单位电阻的宽度和长度与竖向放置的N个单位电阻趋势相反，即竖向电阻单元L变化a倍，但横向电阻单元W变化a倍。因此总电阻Rt''为：

参见表2，是本文提出的如图2所示一字型电阻布局方式的电阻变化率，随着电阻宽度和长度偏移量的不同而不同，假设长度变化幅度ΔL和宽度变化幅度ΔW都为-30%～30%，电阻变化率为0%～19.78%。变化范围远远小于常用电阻布局方式的变化率。

同时，在一字型布局的基础上，電路的版图布局也可灵活修改，对于不同长度的电阻，可采用回字形布局方式，或者人字形布局方式。使横向电阻和纵向电阻总数为N个，或者使横向电阻的总长度和纵向电阻的总长度一致，则尺寸偏差对电阻值的影响与一字型布局方式中尺寸偏差对电阻值的影响相同。

如图3所示，电阻可采用回字形布局方式，2N个单位电阻平均分成四组，每组有N/2个单位电阻，第一组和第三组竖向放置，第二组和第四组中的N/2个单位电阻横向放置，四组依次连接形成一个回字。

如图4所示，还可以对电阻采用人字形布局方式，2N个单位电阻平均分成六组，每组有N/3个单位电阻，第一组中的位于首位的单位电阻的一端为输入端；第六组中位于末位的单位电阻的另一端为输出端；六组依次连接形成一个人字。

4 结论

本文通过改变版图布局的方式，尽可能的减小工艺对电阻精度的影响。电阻可采用一字形布局方式，即其中一半单元横向放置另一半单元竖向放置的布局方式。对于不同长度的电阻，也可选用回字形或者人字形布局方式，使横向电阻的总长度和纵向电阻的总长度一致，从而会使电阻阻值变化率与电阻长度以及宽度偏差关联性降低，在不增加原有版图面积的基础上，大大提高了电阻的实际精度。

参考文献

[1]Alan Hastings，”The art of Analog Layout”P253-P256[J].电子工业出版社，2007.

作者简介

刘静（1982-），女，河北省沧州市人。硕士学位。高级工程师，从事DRAM/Flash 芯片中版图设计工作。

作者单位

西安紫光国芯半导体有限公司 陕西省西安市 710075