科普:MOM,MIM和MOS电容有何区别?

IP与SOC设计 湖杉资本 今天

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在模拟IC电路设计中,会经常使用到电容。芯片内部的电容一般使用金属当作上下基板,但是这种金属电容缺点是消耗面积太大。为了作为替代,在一些对电容要求不是很高的电路中,有人想到了使用MOS管。


对于CMOS工艺,集成电容一般有MIM, MOM和MOS电容三类。MIM和MOM电容二端都是金属,线性度较高,可用于OPA补偿电容等,MOS电容一般需要一端接地或电源,且线性度差,一般做大电容滤波使用。


关于MIM电容


MIM电容(Metal-Insulator-Metal):MIM电容相当于一个平行板电容,最顶层二层金属间距较大,形成的电容容值很小,MIM电容一般由最顶层二层金属和中间特殊的金属层构成,MIM电容结构如下,CTM和Mt-1中间的介质层比较薄,形成的电容密度较高,且在顶层,寄生较小,精度高。


MIM电容主要利用不同层金属和他们之间的介质形成电容。


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MIM结构

MIM电容的优点: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,这样可以增加单位面积电容。


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MIM电容的缺点: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%。


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关于MOM电容


MOM电容(Metal-Oxide-Metal):MOM电容一般是金属连线形成的插指电容,结构如下,随着工艺技术的进步,金属线可以靠的更近,同时会有很多金属层可以用,因此这种结构的电容密度在先进工艺下会较大,使用更多。


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。


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MOM结构


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MOM电容的优点:

 -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


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


关于MOS电容


MOS晶体管的栅电容可以实现较高的电容密度,但容值会随着栅电压的不同会变化,具有较大的非线性,栅压的不同,晶体管可工作在积累区,耗尽区和反型区。反型区栅氧层下形成大量的反型少子,积累区则形成大量多子,在这二个区,MOS结构类似于平行板电容,容值近似等于栅氧电容Cox,如图所示,是MOS晶体管随栅压变化容值图,为了得到较好的线性度,需MOS电容要工作在反型区,即Vgs>Vth。


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MOS容值随栅压的变化


MOS电容是晶体管的重要组成部分,与PN结相同,MOS电容也拥有两个端口。


物理结构


MOS电容可以分为三层,上层是金属制成的栅电极(gate),下层是半导体制成的基极(substrate),中间层填充了氧化物,通常为SiO2。它只有 gate 和 substrate 两个端口,示意图如下:


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P型半导体的MOS电容结构:顶端的金属,称为门极,相对于基底的P型半导体施加负向偏置电压。门极的金属端将聚集负电荷,同时呈现出如下图中箭头所示方向的电场。


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PMOS电容


N型半导体形成的MOS电容机制与P型半导体相类似。下图是N型半导体MOS电容的结构示意图,在门级施加正向偏置电压时,在门级产生正电荷,感应产生出相应的电场;同时在氧化物-半导体界面处产生电子聚集层。


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NMOS电容


某些工艺下,为了避免反型,专门的MOS管构成MOS电容,会将NMOS管放在n阱,即当栅压为0时候,MOS管已经开启了,阈值电压Vth接近为0,当Vgs>0时候电容值趋于稳定,这种结构称为积累型MOS电容,常称为native MOS,下图是这种类型电容结构。


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积累型MOS电容结构


MOS管电容的原理


MOS管形成电容的主要原理,就是利用gate与沟道之间的栅氧作为绝缘介质,gate作为上极板,源漏和衬底三端短接一起组成下极板。


它的源漏和沉底连到一起到地,gate上有一个电压源。


当gate的电源大到一定程度,超过阈值电压Vth,会引起源漏之间出现反型层,即沟道形成,这样栅氧就充当了gate与沟道之间的绝缘介质,一个电容就形成了。


这个电容的单位面积大小,与栅氧的厚度和介电常数有关。如果gate电压是个比地还低的电压,这个时候源漏之间的N型沟道不能形成,但是却会使P型衬底的空穴在栅氧下方累积。


如此一来,gate与衬底之间仍然会形成电容,此时的绝缘介质仍是栅氧,所以此时与形成沟道时的电容大小几无二致。


如果gate电压处在一个不尴不尬的位置,既不能使源漏之间形成沟道,也不能使P型衬底的空穴在上方积累。此时可以认为,栅氧下方会形成一个空间电荷区,这个空间电荷区是电子与空穴结合后形成的区域,所以它不带电,是一个“绝缘体”。


由此,你应该清楚了,这个“绝缘体”会与栅氧这个绝缘体相叠加,导致等效的绝缘介质厚度增加,所以电容值随之下降。


MOS电容的优缺点:

MOS电容主要的优势就是节省面积、方便;缺点则是,MOS电容其实是个“压控电容”,当上下两个极板的压差发生变化,容值也会跟着改变,这在要求高精度的电路中,几乎是致命的。在微弱信号采集的前端模拟电路中,MOS电容并不适用。


MIM、MOM、MOS电容的比较


MOS电容:两端结构的mos管,电容值不精确,可以实现随控制电压变化而变化的容值,上下极板接法不可互换。


MOM电容:finger 插指电容,即利用同层metal边沿之间的C。为了省面积,可以多层metal叠加,PDK中metal层数可以选择。一般只在多层金属的先进制程上使用,因为是通过多层布线的版图来实现的,但得到的电容值确定性和稳定性不如MIM,一般可能会用在那种对电容值要求不高,只是用到相对比值之类的应用。上下极板接法可互换。


MIM电容:类似于平板电容,电容值较精确,电容值不会随偏压变化而变化,一般制程上用mTOP l & mTOP -1 来做,电容值可以用上级板面积*单位容值来进行估算,上下极板接法不可互换,一般用于analog,RF工艺。


相同面积的三个电容,电容值 MIM<MOM,MIM约是1/3 MOS电容值.


MOM电容优势在于不需要额外mask,MIM需要额外mask和工艺才能实现。


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额外再介绍下Poly-to-Poly电容。


Poly-to-Poly电容


要实现Poly-to-Poly电容,必须有两层Poly的CMOS结构。


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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。


目前使用Poly-to-Poly电容的已经不多。

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