科普：MOM，MIM和MOS電容有何區(qū)別？

在模擬IC電路設(shè)計(jì)中，會(huì)經(jīng)常使用到電容。芯片內(nèi)部的電容一般使用金屬當(dāng)作上下基板，但是這種金屬電容缺點(diǎn)是消耗面積太大。為了作為替代，在一些對(duì)電容要求不是很高的電路中，有人想到了使用MOS管。

對(duì)于CMOS工藝，集成電容一般有MIM, MOM和MOS電容三類(lèi)。MIM和MOM電容二端都是金屬，線(xiàn)性度較高，可用于OPA補(bǔ)償電容等，MOS電容一般需要一端接地或電源，且線(xiàn)性度差，一般做大電容濾波使用。

關(guān)于MIM電容

MIM電容（Metal-Insulator-Metal）：MIM電容相當(dāng)于一個(gè)平行板電容，最頂層二層金屬間距較大，形成的電容容值很小，MIM電容一般由最頂層二層金屬和中間特殊的金屬層構(gòu)成，MIM電容結(jié)構(gòu)如下，CTM和Mt-1中間的介質(zhì)層比較薄，形成的電容密度較高，且在頂層，寄生較小，精度高。

MIM電容主要利用不同層金屬和他們之間的介質(zhì)形成電容。

MIM結(jié)構(gòu)

MIM電容的優(yōu)點(diǎn)：可以利用Via和特殊工藝分別將奇數(shù)層連接（M9, M7, M5）和偶數(shù)層 (M8，M6, M4)連接，這樣可以增加單位面積電容。

MIM電容的缺點(diǎn)：在65nm工藝下，即便用上9層金屬和Poly去構(gòu)建MIM，其單位面積電容也只有（1.4fF/微米平方），而寄生電容Cp可以達(dá)到總電容的10%。

關(guān)于MOM電容

MOM電容（Metal-Oxide-Metal）：MOM電容一般是金屬連線(xiàn)形成的插指電容，結(jié)構(gòu)如下，隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，金屬線(xiàn)可以靠的更近，同時(shí)會(huì)有很多金屬層可以用，因此這種結(jié)構(gòu)的電容密度在先進(jìn)工藝下會(huì)較大，使用更多。

與MIM電容不同，MOM電容是主要利用同層金屬的插指結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建電容。

MOM結(jié)構(gòu)

MOM電容的優(yōu)點(diǎn)：

-高單位電容值

-低寄生電容

-對(duì)稱(chēng)平面結(jié)構(gòu)

-優(yōu)良RF特性

-優(yōu)良匹配特性

-兼容金屬線(xiàn)工序，無(wú)需增加額外工序

在先進(jìn)CMOS制程中，MOM電容已經(jīng)成為最主要的電容結(jié)構(gòu)。在28nm工藝中，固定電容只有唯一的MOM形式。

關(guān)于MOS電容

MOS晶體管的柵電容可以實(shí)現(xiàn)較高的電容密度，但容值會(huì)隨著柵電壓的不同會(huì)變化，具有較大的非線(xiàn)性，柵壓的不同，晶體管可工作在積累區(qū)，耗盡區(qū)和反型區(qū)。反型區(qū)柵氧層下形成大量的反型少子，積累區(qū)則形成大量多子，在這二個(gè)區(qū)，MOS結(jié)構(gòu)類(lèi)似于平行板電容，容值近似等于柵氧電容Cox，如圖所示，是MOS晶體管隨柵壓變化容值圖，為了得到較好的線(xiàn)性度，需MOS電容要工作在反型區(qū)，即Vgs>Vth。

MOS容值隨柵壓的變化

MOS電容是晶體管的重要組成部分，與PN結(jié)相同，MOS電容也擁有兩個(gè)端口。

物理結(jié)構(gòu)

MOS電容可以分為三層，上層是金屬制成的柵電極(gate)，下層是半導(dǎo)體制成的基極(substrate)，中間層填充了氧化物，通常為SiO2。它只有 gate 和 substrate 兩個(gè)端口，示意圖如下：

P型半導(dǎo)體的MOS電容結(jié)構(gòu)：頂端的金屬，稱(chēng)為門(mén)極，相對(duì)于基底的P型半導(dǎo)體施加負(fù)向偏置電壓。門(mén)極的金屬端將聚集負(fù)電荷，同時(shí)呈現(xiàn)出如下圖中箭頭所示方向的電場(chǎng)。

PMOS電容

N型半導(dǎo)體形成的MOS電容機(jī)制與P型半導(dǎo)體相類(lèi)似。下圖是N型半導(dǎo)體MOS電容的結(jié)構(gòu)示意圖，在門(mén)級(jí)施加正向偏置電壓時(shí)，在門(mén)級(jí)產(chǎn)生正電荷，感應(yīng)產(chǎn)生出相應(yīng)的電場(chǎng)；同時(shí)在氧化物-半導(dǎo)體界面處產(chǎn)生電子聚集層。

NMOS電容

某些工藝下，為了避免反型，專(zhuān)門(mén)的MOS管構(gòu)成MOS電容，會(huì)將NMOS管放在n阱，即當(dāng)柵壓為0時(shí)候，MOS管已經(jīng)開(kāi)啟了，閾值電壓Vth接近為0，當(dāng)Vgs>0時(shí)候電容值趨于穩(wěn)定，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為積累型MOS電容，常稱(chēng)為native MOS，下圖是這種類(lèi)型電容結(jié)構(gòu)。

積累型MOS電容結(jié)構(gòu)

MOS管電容的原理

MOS管形成電容的主要原理，就是利用gate與溝道之間的柵氧作為絕緣介質(zhì)，gate作為上極板，源漏和襯底三端短接一起組成下極板。

它的源漏和沉底連到一起到地，gate上有一個(gè)電壓源。

當(dāng)gate的電源大到一定程度，超過(guò)閾值電壓Vth，會(huì)引起源漏之間出現(xiàn)反型層，即溝道形成，這樣?xùn)叛蹙统洚?dāng)了gate與溝道之間的絕緣介質(zhì)，一個(gè)電容就形成了。

這個(gè)電容的單位面積大小，與柵氧的厚度和介電常數(shù)有關(guān)。如果gate電壓是個(gè)比地還低的電壓，這個(gè)時(shí)候源漏之間的N型溝道不能形成，但是卻會(huì)使P型襯底的空穴在柵氧下方累積。

如此一來(lái)，gate與襯底之間仍然會(huì)形成電容，此時(shí)的絕緣介質(zhì)仍是柵氧，所以此時(shí)與形成溝道時(shí)的電容大小幾無(wú)二致。

如果gate電壓處在一個(gè)不尷不尬的位置，既不能使源漏之間形成溝道，也不能使P型襯底的空穴在上方積累。此時(shí)可以認(rèn)為，柵氧下方會(huì)形成一個(gè)空間電荷區(qū)，這個(gè)空間電荷區(qū)是電子與空穴結(jié)合后形成的區(qū)域，所以它不帶電，是一個(gè)“絕緣體”。

由此，你應(yīng)該清楚了，這個(gè)“絕緣體”會(huì)與柵氧這個(gè)絕緣體相疊加，導(dǎo)致等效的絕緣介質(zhì)厚度增加，所以電容值隨之下降。

MOS電容的優(yōu)缺點(diǎn)：

MOS電容主要的優(yōu)勢(shì)就是節(jié)省面積、方便；缺點(diǎn)則是，MOS電容其實(shí)是個(gè)“壓控電容”，當(dāng)上下兩個(gè)極板的壓差發(fā)生變化，容值也會(huì)跟著改變，這在要求高精度的電路中，幾乎是致命的。在微弱信號(hào)采集的前端模擬電路中，MOS電容并不適用。

MIM、MOM、MOS電容的比較

MOS電容：兩端結(jié)構(gòu)的mos管，電容值不精確，可以實(shí)現(xiàn)隨控制電壓變化而變化的容值，上下極板接法不可互換。

MOM電容：finger 插指電容，即利用同層metal邊沿之間的C。為了省面積，可以多層metal疊加，PDK中metal層數(shù)可以選擇。一般只在多層金屬的先進(jìn)制程上使用，因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)多層布線(xiàn)的版圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但得到的電容值確定性和穩(wěn)定性不如MIM，一般可能會(huì)用在那種對(duì)電容值要求不高，只是用到相對(duì)比值之類(lèi)的應(yīng)用。上下極板接法可互換。

MIM電容：類(lèi)似于平板電容，電容值較精確，電容值不會(huì)隨偏壓變化而變化，一般制程上用mTOP l & mTOP -1 來(lái)做，電容值可以用上級(jí)板面積*單位容值來(lái)進(jìn)行估算，上下極板接法不可互換，一般用于analog，RF工藝。

相同面積的三個(gè)電容，電容值 MIM

MOM電容優(yōu)勢(shì)在于不需要額外mask，MIM需要額外mask和工藝才能實(shí)現(xiàn)。

額外再介紹下Poly-to-Poly電容。

Poly-to-Poly電容

要實(shí)現(xiàn)Poly-to-Poly電容，必須有兩層Poly的CMOS結(jié)構(gòu)。

缺點(diǎn)：兩層poly工藝，單位面積電容值小，底層poly和P-sub之間會(huì)形成大的寄生電容。

目前使用Poly-to-Poly電容的已經(jīng)不多。

等公司提供優(yōu)質(zhì)的Memory Compiler相關(guān)產(chǎn)品。

審核編輯：湯梓紅