文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文通過分析器件制造中的影響因素，提出了版圖設計技術與匹配原則及其應用。

層次化版圖設計通過模塊化分解和系統級優化，顯著提升了設計效率、布局優化和失配控制。然而，工藝偏差和復雜設計仍是挑戰。結合Dummy Layer技術、工藝參數控制、先進設計工具及模塊化方法，可有效應對挑戰，推動集成電路性能與可靠性的持續提升。本文分述如下：

器件制造中的影響因素

版圖設計技術與匹配原則及其應用

器件制造中的影響因素

在MOS場效應管的制造過程中，設計尺寸與最終硅片上的實際尺寸存在差異，主要因素包括：

一、有效尺寸

1.有效溝道長度（Leff）

設計值L：多晶硅線寬的設計值。

實際值Leff：由于離子注入、摻雜、退火等工序中的橫向擴散，實際電學溝道長度減小，即 Leff=L?ΔL，其中 ΔL 為擴散引起的長度減小量。

2.有效溝道寬度（Weff）

設計值W：有源區的邊長設計值。

實際值Weff：由于場氧生長引起的有源區侵蝕，實際寬度減小，即 Weff=W?ΔW，其中 ΔW 為工藝引起的寬度減小量。

3.電氣分析依據

寬長比：使用有效值之比 Leff/Weff進行電路性能分析。

二、匹配設計與失配分析

匹配設計是模擬集成電路精度的關鍵，失配分為隨機失配和系統失配：

1.隨機失配：

原因：元器件尺寸、摻雜濃度、氧化層厚度的微觀波動。

減小方法：電容，失配與面積平方根成反比，容量加倍可減小失配約30%；電阻，失配與寬度成反比，阻值加倍可減小失配50%；MOS管，閾值電壓和跨導的失配與晶體管面積平方根成反比。

2.系統失配：

原因：工藝偏差、接觸孔電阻、擴散區相互影響、機械壓力和溫度梯度。

實例分析：多晶硅電阻，寬度偏差0.1μm導致阻值比失配2.4%；雙層多晶電容，刻蝕偏差0.16μm導致電容面積失配1.1%。

三、實際應用中的最佳實踐

1.MOS管的Dummy技術

在MOS管設計中，Dummy技術主要用于提高器件的可靠性和一致性。

Dummy Poly的作用

避免柵長變化：在MOS管兩側增加Dummy Poly，防止柵極長度因工藝偏差而受到影響。

保護環設計：NMOS管，先加P型保護環連接到地，再加N型保護環連接到電源；PMOS管，先加N型保護環連接到電源，再加P型保護環連接到地。

拆分原則：拆分MOS管時，應保證偶數根，Source端與四周保護環就近連接。

實例分析

保護環連接：保護環的設計有助于減小噪聲和工藝偏差對MOS管性能的影響。

Dummy Poly布局：通過合理布局Dummy Poly，可以平衡MOS管周圍的工藝條件，提高器件的一致性。

2.電阻和電容的Dummy技術

電阻和電容的Dummy技術主要用于減小噪聲和工藝偏差的影響。

電阻的Dummy技術：N阱使用，在多晶或擴散區電阻下面增加N阱，連接高電位與襯底反偏，以減輕噪聲對電阻的影響；金屬覆蓋，在N阱電阻上面覆蓋金屬并連接高電位，以降低光照使電阻阻值下降的影響。

電容的Dummy技術：N阱阻擋，用N阱阻擋來自襯底的噪聲，N阱接高電位，襯底反偏；布局優化，在電容周圍增加Dummy電容，保證電容陣列的一致性。

版圖設計技術與匹配原則及其應用

一、版圖設計技術

版圖設計技術旨在減小系統失配，提高元器件的匹配性能

1.單元元器件復制技術

原理：匹配的兩個元器件由某一個元器件單元的多個復制版本串聯或并聯構成。

優勢：降低工藝偏差和歐姆接觸電阻不匹配的影響。

2.冗余單元增加

原理：在元器件周圍增加冗余單元，保證周圍環境的一致性。

實例：如上圖(c)通過增加冗余單元減小了晶體管的不匹配。

3.元器件距離控制

原理：使匹配元器件之間的距離盡量接近，減小擴散區之間的相互影響。

優勢：提高元器件的匹配性能。

4.公用重心設計法

原理：使匹配元器件的“重心”重合，減小線性梯度的影響。

實例：上圖采用重心重合的MOS管設計。

5.元器件隔離

原理：匹配元器件與其他元器件保持一定距離，減小擴散區之間的相互影響。

優勢：提高元器件的匹配精度。

二、 匹配原則

匹配原則旨在提高元器件的匹配性能：

1.靠近放置

原理：將匹配的器件靠近放置，以減小工藝偏差的影響。

優勢：提高元器件的匹配精度。

2.方向一致

原理：保持器件的方向一致，以提高匹配性能。

實例：圖(b)中晶體管方向一致但周圍環境不同，仍存在一定不匹配。

3.對稱結構

原理：采用對稱結構，減小管子的失配。

優勢：提高電路的性能和可靠性。

4.布線最小化

原理：減少寄生電容，提高電路性能。

優勢：減小噪聲對關鍵信號的影響。

三、應用場景與最佳實踐

1.應用場景

改善匹配性：通過添加Dummy圖案，使芯片的各個區域在工藝過程中受到更加均勻的處理。

防止刻蝕過度或不足：Dummy圖案作為刻蝕阻擋層，幫助控制刻蝕的深度和范圍。

降低寄生電容和電感：通過合理設計Dummy圖案，降低寄生電容和電感。

提高芯片的可靠性：Dummy圖案幫助緩解應力，提高芯片的可靠性。

2.最佳實踐

分析DRC報告：根據DRC報告確定需要添加Dummy的區域。

選擇合適的工具：使用Calibre等EDA工具添加Dummy。

檢查和優化：插入Dummy后，再次運行DRC檢查，確保新的版圖滿足所有的設計規則。

LVS驗證：完成Dummy插入的版圖需要再次進行LVS驗證。