33、集成电路设计规则与器件特性解析

集成电路设计规则与器件特性解析

1. 集成电路设计规则概述

集成电路中晶体管、导线等元件的物理设计受一套设计规则的约束。这些规则主要分为最小尺寸、最小间距和最小环绕三类，它们与制造工艺和光刻工艺紧密相关。

1.1 设计规则类型

设计规则可分为可缩放规则和绝对规则。可缩放规则以 X 表示（最小特征尺寸为 2X），适用于不同 X 值的工艺线，但可能无法同时针对不同 X 值进行优化；绝对规则则以长度单位（纳米）表示。目前，两种规则都在实际中使用。

1.2 常见设计规则及取值

常见的设计规则包括最小宽度、最小间距和最小环绕，以下是一些重要规则及其取值：
|规则类型|规则编号|描述|取值|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|最小尺寸|L1|栅极长度/多晶硅宽度|2X|
|L2|多晶硅栅极超出有源区的延伸量|1X|
|L3|接触窗口宽度|2X|
|L4|有源区宽度|3X|
|L5|注入区宽度|3X|
|L6|金属 1 宽度|3X|
|L7|金属 2 宽度|3X|
|最小间距|D1|多晶硅栅极/导线间距|2X|
|D2|多晶硅栅极与源/漏接触窗口间距|2X|
|D3|接触间距|2X|
|D4|有源区间距|3X|
|D5|相同类型注入区间距|3X|
|D6|金属 1 导线间距|3X|
|D7|金属 2 导线间距|4X|
|D8|相反类型注入区间距|5X|
|最小环绕|S1|接触窗口周围的有源区|1X|
|S2|接触窗口周围的金属 1|1X|
|S3|接触窗口周围的金属 2|1X|
|S4|接触窗口周围的多晶硅|1X|
|S5|接触窗口周围的 nselect 或 pselect 区|1X|
|S6|有源区周围的 nselect 或 pselect 区|1X|
|S7|p - MOS 有源区周围的 n 阱|5X|

1.3 设计规则的影响因素

最小线宽和间距主要由工艺技术、设备尤其是光刻工艺决定，同时也受横向掺杂和耗尽效应的影响。注入区在退火过程中会横向扩散，杂质扩散也会产生横向掺杂效应，此外，相反导电类型的半导体中存在耗尽区，这些都会影响掺杂区的最小间距。违反最小线宽或间距规则可能导致电路无法正常工作，如线宽不足会导致线路断裂，间距不足会导致短路。

1.4 各类元件的设计规则示例

• 多晶硅 ：最小宽度为 2X（规则 L1），多晶硅 - 多晶硅最小间距为 2X（规则 D1）。
• 注入区 ：最小宽度为 3X（规则 L5），大于多晶硅宽度以考虑掺杂区边缘的耗尽效应。相反导电类型注入区的最小间距为 5X（规则 D8），以减少寄生双极晶体管的电流增益，避免闩锁问题。
• 金属 ：金属 1 的最小宽度为 3X（规则 L6），最小间距为 3X（规则 D6）；更高层金属的宽度和间距通常更大，以适应表面平整度损失和掩模层之间的对准误差。

1.5 接触和过孔设计规则

通过在金属化之前在覆盖氧化物中开孔来实现与 n +、p + 或多晶硅器件区域的接触。在可缩放规则集中，金属接触的最小尺寸为 2X（规则 L3），实际中所有接触孔都采用此尺寸，通过增加接触孔数量而非增大单个孔面积来增加接触面积。接触窗口间距为 2X（规则 D3），接触窗口周围的金属 1、金属 2、多晶硅或 nselect/pselect 区的最小环绕为 1X。不同金属层之间的特殊接触称为过孔，如金属 1 和金属 2 之间的接触。

1.6 MOSFET 设计规则

• n - MOS 晶体管 ：沟道形成于多晶硅线与有源区重叠的区域，多晶硅线的最小宽度（即“印刷栅极长度 L”）为 2X（规则 L1），多晶硅线必须在有源区两侧至少延伸 1X（规则 L2）。nselect 注入区必须超出有源区边缘 1X（规则 S6）。接触窗口为 2X 正方形（规则 L3），必要时可使用多个接触孔。覆盖接触孔的金属必须在窗口边缘外延伸 1X（规则 S2），且与沟道区至少间距 1X。晶体管总面积与 X² 成正比，最小特征尺寸减半将使晶体管面积减小为原来的四分之一。
• p - MOS 晶体管 ：器件被 n 阱环绕，n 阱必须在有源区各方向至少延伸 5X（规则 S7）。

mermaid 流程图：MOSFET 设计规则流程

graph LR
    A[确定最小特征尺寸 2X] --> B[设计多晶硅线]
    B --> B1[宽度 2X（L1）]
    B --> B2[超出有源区 1X（L2）]
    A --> C[设计有源区]
    C --> C1[宽度 3X（L4）]
    A --> D[设计接触窗口]
    D --> D1[宽度 2X（L3）]
    D --> D2[间距 2X（D3）]
    A --> E[设计金属层]
    E --> E1[金属 1 宽度 3X（L6）]
    E --> E2[金属 1 间距 3X（D6）]
    E --> E3[金属 2 宽度 3X（L7）]
    E --> E4[金属 2 间距 4X（D7）]
    A --> F[设计 n 阱（p - MOS）]
    F --> F1[超出有源区 5X（S7）]

2. p - n 结开关瞬态特性

2.1 概述

在 MOS VLSI 电路中，p - n 结通常处于反向偏置，但在静电放电和闩锁等情况下，其大信号开关特性很重要。p - n 结的开启响应迅速，但关断响应可能因少数载流子电荷存储效应而迟缓。

2.2 电荷控制模型

对于单边 n + - p 结，通过考虑 p 型基区中少数载流子的连续性方程可得到电荷控制方程。若忽略产生和漂移，连续性方程为：
[ \frac{\partial n_p’}{\partial t} = - \frac{n_p’}{\tau_n} - \frac{1}{qA} \frac{\partial i_n(x,t)}{\partial x} ]
两边乘以 - q 并在基区宽度上积分，再乘以结面积，得到电荷控制方程：
[ \frac{dQ_B(t)}{dt} + \frac{Q_B(t)}{\tau_F} = - i_n(0,t) ]
若考虑过渡层电容中的位移电流，完整的电荷控制方程为：
[ \frac{dQ_B(t)}{dt} + \frac{Q_B(t)}{\tau_F} - C_T \frac{dv}{dt} = - i_n(0,t) ]
其中，(Q_B) 是基区中存储的过剩少数载流子电荷，(\tau_n) 是基区中少数载流子的寿命，(t_{tB}) 是少数载流子的基区渡越时间，(\tau_F) 是“有效正向寿命”。

2.3 关断瞬态

p - n 结关断需要有限时间，这是由于过剩少数载流子电荷的存储和过渡层电容的影响。假设结在长时间正向偏置后施加反向电压，偏置切换前，(i(t) = I_F = \frac{V_F}{R})（(t < 0)）；偏置切换后，在“延迟时间”内会有大的反向电流流动，过剩少数载流子从结中移除，(i(t) = - I_R = - \frac{V_R}{R})（(0 \leq t \leq t_s)）。
应用电荷控制方程可得：
[ I_R \approx \frac{dQ_B}{dt} + \frac{Q_B}{\tau_F} ]
其解为：
[ Q_B(t) \approx - I_R + (I_F + I_R) \exp(-t / \tau_F) ]
在存储延迟时间结束时，存储的少数载流子电荷约为 (-I_R \tau_R)，存储延迟时间 (t_s) 为：
[ t_s = \tau_F \left( \ln \left( 1 + \frac{I_F}{I_R} \right) - \ln \left( 1 + \frac{\tau_R}{\tau_F} \right) \right) ]
由此可见，结的实际开关速度不仅取决于器件设计（通过 (\tau_F) 和 (\tau_R)），还取决于电路设计（通过 (I_F) 和 (I_R)）。

2.4 开启瞬态

与关断瞬态不同，p - n 结的开启响应相对较快，通常不会限制电路性能。假设 p - n 结突然正向偏置，若结长时间处于零偏置状态，由于结电容的存在，结电压不能突变。开关闭合时，电流迅速上升到 (I_F \approx \frac{V_F}{R})。
开关闭合后，近似电荷控制方程为：
[ - I_F \approx \frac{dQ_B}{dt} + \frac{Q_B}{\tau_F} ]
初始条件 (Q_B(t = 0) = 0)，最终条件 (Q_B(t = \infty) = - I_F \tau_F)，解为：
[ Q_B(t) = - I_F \tau_F \left( 1 - \exp(-t / \tau_F) \right) ]
若假设 (Q_B(t)) 与耗尽区边缘的过剩少数载流子浓度成正比，根据结定律可得结电压与时间的关系：
[ v(t) = V_{ss} + \frac{kT}{q} \ln \left( 1 - \exp(-t / \tau_F) \right) ]
这表明结开启时电流和电压迅速增加。

mermaid 流程图：p - n 结开关瞬态流程

graph LR
    A[正向偏置] --> B{施加反向电压}
    B -- 是 --> C[关断瞬态]
    C --> C1[移除过剩少数载流子]
    C --> C2[计算存储延迟时间 \(t_s\)]
    B -- 否 --> D{施加正向电压}
    D -- 是 --> E[开启瞬态]
    E --> E1[电流迅速上升]
    E --> E2[计算结电压 \(v(t)\)]
    D -- 否 --> A

3. 双极和 BiCMOS 电路

3.1 双极结型晶体管概述

双极结型晶体管（BJT）在数字电路中应用广泛，因其在相同器件面积下具有比 MOSFET 更高的电流驱动能力，适合驱动大负载电容。但 BJT 是电流控制型器件，静态功耗较大，限制了其封装密度。目前，CMOS 是数字电路的主导技术，但 BJT 在线性和混合信号集成电路中仍很重要。

3.2 BJT 的结构和工作模式

BJT 是包含两个 p - n 结的三端器件，分为 n - p - n 和 p - n - p 两种类型，n - p - n 晶体管因其性能优越而更受青睐。在正向有源模式下，正向偏置的发射极 - 基极结注入少数载流子（电子），这些电子扩散穿过基区并被反向偏置的集电极 - 基极结收集，此时 BJT 作为电流控制的电流源，基极电流 (I_B) 控制集电极电流 (I_C)。

BJT 有四种工作模式：截止、正向有源、反向有源和饱和。在典型数字电路中，BJT 常作为开关工作在截止（“关”）或饱和（“开”）模式，但在数字双极电路中会使用到所有四种模式，开关晶体管在截止和饱和模式之间切换时会经过正向有源模式。

3.3 BJT 各工作模式特性

3.3.1 截止模式

在截止模式下，两个结都反向偏置（(V_{BE}) 和 (V_{BC}) 均为负），泄漏电流可忽略不计。手工计算时，假设 (I_C \approx I_E \approx I_B \approx 0)。

3.3.2 正向有源模式

正向有源模式下，发射极 - 基极结正向偏置，集电极 - 基极结反向偏置（(V_{BE} > 0) 但 (V_{BC} < 0)）。此时基区中过剩少数载流子浓度呈线性分布，类似短基二极管，这种晶体管称为短基晶体管。
基极 - 发射极施加正向偏置 (V_{BE}) 时，基区发射极端的过剩少数载流子浓度为：
[ n_B(0) - n_{B0} \approx n_{B0} \left( \exp \left( \frac{qV_{BE}}{kT} \right) - 1 \right) ]
基区中过剩少数载流子浓度分布为：
[ n_B(x) - n_{B0} \approx n_{B0} \left( \exp \left( \frac{qV_{BE}}{kT} \right) - 1 \right) \left( 1 - \frac{x}{W_B} \right) ]
扩散少数载流子产生的电流为：
[ I_C \approx \frac{qAD_{nB} n_{i}^2}{W_B N_{aB}} \left( \exp \left( \frac{qV_{BE}}{kT} \right) - 1 \right) ]
双极晶体管的共基极电流增益 (\alpha_F) 为：
[ \alpha_F \approx \gamma_E \alpha_T ]
其中，发射极注入效率 (\gamma_E) 为：
[ \gamma_E = \frac{1}{1 + \frac{D_{nB} N_{aB} W_B}{D_{pE} N_{dE} L_{pE}}} ]
基区输运因子 (\alpha_T) 为：
[ \alpha_T \approx 1 - \frac{W_B^2}{2L_{nB}^2} ]
共发射极电流增益 (\beta_F) 与共基极电流增益的关系为：
[ \beta_F = \frac{\alpha_F}{1 - \alpha_F} ]
手工计算时，正向有源模式可建模为 (V_{BE} \approx V_{BEA}) 和 (I_C \approx \beta_F I_B)。

3.3.3 反向有源模式

反向有源模式下，发射极 - 基极结反向偏置，集电极 - 基极结正向偏置（(V_{BE} < 0) 但 (V_{BC} > 0)），此时 (V_{BC} \approx V_{BCA}) 且 (I_E \approx \beta_R I_B)，其中 (\beta_R) 是反向共发射极电流增益。

3.3.4 饱和模式

饱和模式下，两个结都正向偏置（(V_{BE} > 0) 且 (V_{BC} > 0)），两个正向偏置的结向基区注入少数载流子，同时基区向集电极注入大量少数载流子，饱和的双极晶体管在基区和集电极中存储大量少数载流子电荷，因此从饱和模式切换到截止模式很慢。手工计算时，饱和模式可建模为 (V_{BE} \approx V_{BES}) 和 (V_{CE} \approx V_{CES})。

3.4 BJT 的 SPICE 模型

在 SPICE 中，BJT 的器件方程基于 Gummel - Poon 模型。(I_{BE}) 和 (I_{CB}) 是包含可调发射系数的肖克利型电流源，计算如下：
[ I_{CB} = IS \left( \exp \left( \frac{qV_{BE}}{NFkT} \right) - 1 \right) - IS \left( \exp \left( \frac{qV_{BC}}{NRkT} \right) - 1 \right) \left( 1 - \frac{V_{BC}}{V_{AF}} \right) - \frac{IS}{BR} \exp \left( \frac{qV_{BC}}{NRkT} \right) ]
[ I_{BE} = IS \left( \exp \left( \frac{qV_{BE}}{NFkT} \right) - 1 \right) - IS \left( \exp \left( \frac{qV_{BC}}{NRkT} \right) - 1 \right) \left( 1 - \frac{V_{BC}}{V_{AF}} \right) + \frac{IS}{BF} \exp \left( \frac{qV_{BE}}{NFkT} \right) ]
其中，(V_{BE}) 是基极 - 发射极电压，(V_{BC}) 是基极 - 集电极电压，(IS) 是结饱和电流，(NF) 是正向发射系数，(NR) 是反向发射系数，(BF) 是正向 beta，(BR) 是反向 beta，(V_{AF}) 是正向厄利电压，(\phi_T) 是热电压（300 K 时为 26 mV）。(C_{BE}) 和 (C_{BC}) 分别是基极 - 发射极和基极 - 集电极电容，包括耗尽和扩散贡献；(C_{CS}) 是集电极 - 衬底电容，是耗尽层电容，它们的计算如下：
[ C_{BE} = TF \frac{IS}{NF} \exp \left( \frac{qV_{BE}}{NFkT} \right) + C_{JE} \left( 1 - \frac{V_{BE}}{\phi_T} \right)^{-M_{JE}} ]
[ C_{BC} = TR \frac{IS}{NR} \exp \left( \frac{qV_{BC}}{NRkT} \right) + C_{JC} \left( 1 - \frac{V_{BC}}{\phi_T} \right)^{-M_{JC}} ]
[ C_{CS} = C_{JS} \left( 1 - \frac{V_{CS}}{V_{JS}} \right)^{-M_{JS}} ]

mermaid 流程图：BJT 工作模式切换流程

graph LR
    A[截止模式] --> B{施加正向偏置}
    B -- 是 --> C[正向有源模式]
    C --> D{继续增加基极电流}
    D -- 是 --> E[饱和模式]
    E --> F{施加反向偏置}
    F -- 是 --> C
    C --> G{减小基极电流}
    G -- 是 --> A
    B -- 否 --> A
    D -- 否 --> C
    F -- 否 --> E
    G -- 否 --> C

综上所述，集成电路的设计规则和器件特性对于电路的性能和可靠性至关重要。了解这些规则和特性有助于设计出更高效、稳定的集成电路。在实际设计中，需要根据具体需求合理选择设计规则和器件类型，并充分考虑各种因素的影响。

4. 集成电路设计规则的应用与注意事项

4.1 设计规则在实际电路设计中的应用

在实际的集成电路设计中，设计规则起着至关重要的作用。以下是一些具体的应用场景：
- 晶体管布局 ：根据 MOSFET 设计规则，合理安排 n - MOS 和 p - MOS 晶体管的位置和尺寸。例如，在设计一个简单的反相器电路时，要确保 n - MOS 和 p - MOS 晶体管的栅极长度、有源区宽度等符合设计规则要求，以保证电路的性能和稳定性。
- 金属布线 ：在进行金属布线时，需要严格遵守金属层的宽度和间距规则。例如，金属 1 的宽度和间距都应满足 3X 的要求，金属 2 的宽度为 3X，间距为 4X。合理的金属布线可以减少信号干扰和电阻，提高电路的速度和效率。
- 接触和过孔设计 ：在连接不同层次的器件和金属层时，要正确设计接触和过孔。接触窗口的宽度和间距应符合规则，接触窗口周围的环绕尺寸也必须满足要求，以确保良好的电气连接。

4.2 违反设计规则的后果

违反设计规则可能会导致严重的后果，影响电路的正常工作。具体如下：
|违反规则类型|后果|
| ---- | ---- |
|最小线宽规则|线路可能断裂，导致电路开路，无法正常传输信号。|
|最小间距规则|可能会出现短路现象，使电路无法按照预期工作，甚至可能损坏器件。|
|最小环绕规则|可能会影响电气连接的稳定性，增加接触电阻，降低电路性能。|

4.3 设计规则的选择与优化

在设计集成电路时，需要根据具体的工艺和设计要求选择合适的设计规则。可缩放规则适用于不同工艺线，但可能无法同时针对不同 X 值进行优化；绝对规则则以固定的长度单位表示，更适用于特定工艺。在实际应用中，可以结合两者的优点进行设计优化。
具体操作步骤如下：
1. 确定设计目标和工艺要求，包括最小特征尺寸、电路性能要求等。
2. 根据工艺选择合适的设计规则类型，可先考虑可缩放规则的通用性，再根据具体情况进行调整。
3. 在设计过程中，不断检查设计是否符合规则要求，如有必要，进行局部优化。
4. 对设计进行仿真和验证，评估电路性能，根据结果进一步优化设计规则的应用。

mermaid 流程图：设计规则选择与优化流程

graph LR
    A[确定设计目标和工艺要求] --> B{选择设计规则类型}
    B -- 可缩放规则 --> C[进行初步设计]
    B -- 绝对规则 --> C
    C --> D[检查设计是否符合规则]
    D -- 是 --> E[进行仿真和验证]
    D -- 否 --> F[局部优化设计]
    F --> D
    E --> G{评估电路性能}
    G -- 满足要求 --> H[完成设计]
    G -- 不满足要求 --> I[进一步优化规则应用]
    I --> C

5. p - n 结开关瞬态特性的影响与应对策略

5.1 开关瞬态特性对电路性能的影响

p - n 结的开关瞬态特性对电路性能有着重要的影响。关断瞬态的延迟时间可能会限制电路的开关速度，导致信号传输延迟，影响电路的工作频率。而开启瞬态虽然相对较快，但也可能会产生电流冲击，对电源和其他器件造成影响。

5.2 应对开关瞬态问题的策略

为了减少 p - n 结开关瞬态特性对电路性能的影响，可以采取以下策略：
- 优化器件设计 ：通过调整器件的结构和参数，如减小基区宽度、增加少数载流子寿命等，来减少过剩少数载流子的存储，从而缩短关断延迟时间。
- 优化电路设计 ：合理选择电路中的电阻、电容等元件，调整偏置电流和电压，以控制开关瞬态过程中的电流和电压变化。例如，在电路中加入缓冲电路或钳位电路，来减少电流冲击和电压波动。
- 采用合适的驱动电路 ：选择合适的驱动电路来控制 p - n 结的开关，确保开关过程平稳、快速。例如，采用高速驱动芯片或优化驱动信号的波形。

5.3 开关瞬态特性的仿真与验证

在设计电路时，需要对 p - n 结的开关瞬态特性进行仿真和验证，以确保电路性能符合要求。具体步骤如下：
1. 建立 p - n 结的模型，包括电荷控制方程和相关参数。
2. 使用电路仿真软件，如 SPICE，对电路进行仿真，模拟 p - n 结的开关过程。
3. 分析仿真结果，评估开关瞬态特性对电路性能的影响，如延迟时间、电流冲击等。
4. 根据仿真结果进行优化设计，调整器件参数或电路结构，直到满足设计要求。

mermaid 流程图：p - n 结开关瞬态仿真与验证流程

graph LR
    A[建立 p - n 结模型] --> B[使用仿真软件进行仿真]
    B --> C[分析仿真结果]
    C --> D{评估是否满足要求}
    D -- 是 --> E[完成设计]
    D -- 否 --> F[优化设计]
    F --> A

6. 双极和 BiCMOS 电路的发展与应用前景

6.1 双极和 BiCMOS 电路的发展历程

双极结型晶体管（BJT）在早期的数字电路中占据重要地位，因其具有较高的电流驱动能力，适合驱动大负载电容。随着技术的发展，CMOS 技术逐渐成为数字电路的主导，但 BJT 在线性和混合信号集成电路中仍有广泛应用。BiCMOS 电路结合了 BJT 和 CMOS 的优点，既具有 BJT 的高电流驱动能力，又具有 CMOS 的低功耗特性，近年来得到了越来越多的关注和应用。

6.2 双极和 BiCMOS 电路的应用领域

双极和 BiCMOS 电路在许多领域都有重要的应用，具体如下：
- 通信领域 ：在高速通信系统中，需要高速度和高驱动能力的电路，双极和 BiCMOS 电路可以满足这些要求，用于射频前端、高速数据传输等模块。
- 功率管理领域 ：在电源管理电路中，需要处理大电流和高电压，双极和 BiCMOS 电路的高电流驱动能力使其成为理想的选择，可用于电压调节器、功率放大器等。
- 传感器接口电路 ：在传感器接口电路中，需要对微弱信号进行放大和处理，双极和 BiCMOS 电路的高增益和低噪声特性可以提高传感器的性能。

6.3 双极和 BiCMOS 电路的未来发展趋势

随着技术的不断进步，双极和 BiCMOS 电路将朝着更高性能、更低功耗、更小尺寸的方向发展。未来可能会采用更先进的工艺技术，如纳米级工艺，来进一步提高电路的性能。同时，与其他技术的融合也将成为发展趋势，如与 MEMS 技术结合，实现更复杂的功能。

mermaid 流程图：双极和 BiCMOS 电路发展与应用流程

graph LR
    A[双极和 BiCMOS 电路发展] --> B[应用于不同领域]
    B --> B1[通信领域]
    B --> B2[功率管理领域]
    B --> B3[传感器接口电路]
    B --> C{技术进步}
    C -- 是 --> D[采用先进工艺]
    D --> E[与其他技术融合]
    E --> A
    C -- 否 --> B

综上所述，集成电路的设计规则、p - n 结开关瞬态特性以及双极和 BiCMOS 电路都具有重要的理论和实际意义。深入了解这些知识，并在实际设计中合理应用，可以设计出性能更优、可靠性更高的集成电路，推动电子技术的不断发展。在未来的发展中，随着技术的不断进步，这些领域也将不断创新和完善。