2.3 CMOS电阻

电阻是电路中的重要元件，CMOS工艺可以制作多种电阻，长条形的扩散区、N阱和多晶硅栅等都可以制作成电阻，中高端工艺中很细的金属线条也可以制作成电阻。版图设计者需要了解不同类型电阻的版图结构和电学特性，为合理选型和优化版图做好准备。

方块电阻R_□：由于CMOS工艺是平面工艺，所以电阻率用方块电阻（sheet resistance，薄层电阻）R_□来表征，这是描述电阻导电特性的重要概念。R_□就是正方形平面对边之间的电阻值，根据电阻的串并联关系可知，R_□与正方形的边长无关。CMOS电阻通常制作成长条形，EDA工具只需要提取出电阻包含的正方形个数，然后乘以R_□就能算出电阻值。不同类型的CMOS电阻具有不同的R_□、温度系数、电压系数和噪声特性，这些特性对器件选型非常重要，下面对常见的CMOS电阻类型进行讨论。

1.扩散电阻

扩散区可以制作扩散电阻，其由长条形的扩散区构成，两端通过接触孔引出电极连接到金属，分为N型和P型两类。为了实现器件隔离，N型扩散电阻要制作在P型衬底上，P型扩散电阻要制作在N型衬底上。对于N阱CMOS工艺，N型扩散电阻可以直接制作在P型衬底上，而P型扩散电阻必须制作在N阱里，并且为了保证电阻与衬底之间的二极管隔离，要求P型衬底必须接地，N阱接电源。

图2.16是N型扩散电阻版图和剖面图，由于N阱CMOS工艺已经将P型衬底接地，所以N型扩散电阻与衬底之间已经天然地形成了二极管隔离。图中长条形的N型扩散区是电阻的主体，两个接触孔打在长条形扩散区的两端用于连接金属。由于接触孔处的扩散区不属于电阻的识别区域，所以需要在版图中划出电阻识别层，EDA工具将根据电阻识别层内包含的方块个数和扩散区的R_□来计算总电阻值，本例中有4个方块。

硅化（salicide）：为了可以与扩散区、N阱和多晶硅栅等表面形成导体般（conductor-like）的接触，CMOS工艺会将它们的表面进行硅化处理[3]。硅化可以在表面形成一个低电阻层，能够减小MOS管电极的引出电阻，常用的硅化材料有TiSi₂、CoSi₂和NiSi等。因此，根据是否对扩散区进行硅化，可以把扩散电阻分为硅化（salicide）电阻和非硅化（nonsalicide）电阻两类。为了隔离多晶硅栅与源漏扩散区，硅化前要在多晶硅栅的边缘生长氧化隔离带，然后再进行硅化物淀积（the deposition of the silicide），由于这个工艺过程具有自对准（self-aligned）特性，所以salicide（硅化）一词是由“self-aligned silicide”组合而成的。

由于硅化扩散电阻是与源漏区同时进行离子注入和硅化的，所以其方块电阻既不可选也不可调，硅化扩散电阻的R_□较小，大概是几欧到十几欧；非硅化扩散电阻需要加入硅化阻挡层（SAlicide Block，SAB），将非硅化区域挡住。非硅化扩散电阻的R_□是硅化扩散电阻的R_□的十几倍，能够用来制作中阻值电阻。

N阱中的P+扩散区也可以制作扩散电阻，由于N阱接连Ⅴ_DD，P型扩散电阻也能实现二极管隔离，它的版图结构与N型扩散电阻版图结构基本相同，这里不再赘述。

扩散电阻的误差通常在10%～20%之间，温度系数在500～1000ppm/℃之间，并且电压系数也很大。由于扩散电阻的精度低，寄生参数大，温度特性和电压特性也不好，所以只能用在低精度的电路中，作为保护或限流电阻使用比较合适。

图2.17所示为扩散电阻版图，上边两个为N型扩散电阻，下边两个为P型扩散电阻。图中的电阻都是20个有效方块，每种电阻都分为硅化和非硅化两类，其中N型和P型硅化电阻的阻值较小，其方块电阻主要由硅化物决定，所以基本相同，其总阻值分别为130Ω和120Ω；而两个非硅化电阻的阻值都比较大，N型为1kΩ，P型为2.3kΩ，可见与硅化电阻相比，非硅化电阻是硅化电阻的10～20倍。

2.N阱电阻

用N阱也可以制作电阻，如图2.18所示为N阱电阻版图和剖面图，在长条形N阱两端制作了N型扩散区，N型扩散区上有接触孔可连接金属引出电极。N阱的离子注入浓度由工艺决定，它比N型扩散区的浓度低很多，因此方块电阻在kΩ量级，远远大于非硅化的N型扩散电阻，适合制作大阻值电阻。N阱电阻的精度很低，误差在70%左右，温度系数高达几千ppm/℃，与衬底的寄生电容也很大，在电路中常作为保护电阻或限流电阻使用。

为了减小方块电阻，利用N+离子浓度大于P+离子浓度的特点，在N阱中进行N+和P+两次离子扩散注入，N+浓度超出的部分可以用于减小N阱的方块电阻，这样在不用特殊工艺步骤的情况下，就能有效地减小N阱的方块电阻。图2.19所示为N阱电阻版图，上面是普通N阱电阻，下面是进行了N+和P+两次离子注入的N阱电阻。两个电阻都是20个方块，其中普通N阱电阻的阻值是10.7kΩ，而进行N+和P+两次离子扩散注入的N阱电阻的阻值是4.7kΩ，方块电阻减小了一半以上。

3.Poly电阻

CMOS数模混合信号工艺通常有两层多晶硅，即Poly1和Poly2，它们都可以制作Poly电阻，其中Poly1主要用于制作MOS管的栅，但也可以制作电阻，在不额外增加工艺步骤的情况下，它的方块电阻较小且不可变，因此只适合制作小阻值电阻。Poly2主要用于制作电阻和电容，电阻的性能比扩散电阻和N阱电阻都好，是中低端混合信号工艺的首选电阻。

在CMOS自对准工艺中，用没有掺杂的多晶硅制作栅，未掺杂的多晶硅栅基本不导电，需要与源漏同时掺杂（离子注入）才能具有导电性，因此用Poly1制作的电阻有N型和P型之分。硅化后Poly1电阻的方块电阻较小，在几欧到十几欧的量级，误差在35%左右，温度系数大约为1000 ppm/℃，适合作为低阻值低精度电阻。

Poly2进行独立的离子注入，可以通过调整工艺得到不同的方块电阻，使用比较灵活，很多CMOS混合信号工艺都提供几种Poly2方块电阻供用户选择。Poly2方块电阻的正常阻值是几百欧，可制作中阻值电阻，如果增加一些高电阻识别层，Poly2方块电阻可以达到几千欧，能够用于制作高阻值电阻。

Poly1电阻和Poly2电阻在版图结构上是基本相同的，图2.20所示为Poly2电阻版图和剖面图，图中可以看出接触孔直接打在Poly2上与金属相连引出电极。

Poly2电阻的电压系数和温度系数都优于扩散电阻和N阱电阻，寄生参数也相对较小，同时Poly2上下都有绝缘隔离，电极电压也不受限制，因此成为中低端CMOS混合信号集成电路设计的首选电阻。虽然Poly2电阻比其他类型电阻性能优良，但是它需要额外制版和工艺流程，尤其是当需要多种Poly2方块电阻时，芯片成本会进一步提高。

图2.21所示为Poly1和Poly2电阻版图，每个电阻都包括20个有效方块，最上面两个是Poly1硅化电阻，第一个是N型，第二个是P型。下面3个是Poly2电阻，它们的R_□从上到下依次是正常方块、1k方块和2k方块。从图中可以看出，两个Poly1电阻阻值相差不大，N型为365Ω，P型为383Ω，R_□不到20Ω，其R_□主要由表面硅化物决定；3个Poly2电阻阻值差别很大，正常方块的阻值为1.176kΩ，1k方块的阻值为21.5kΩ，2k方块的阻值为40.5kΩ，其中正常方块的R_□大约为60Ω，远远小于1k和2k方块的R_□。

需要指出的是，Poly2最主要的功能是制作电容，如果PDK中有其他种类电容可替代，那么就尽量不使用Poly2电容，在这种情况下Poly电阻最好只用Poly1制作，以减少额外的制版和工艺步骤。在不增加额外制版和工艺步骤的情况下，只用Poly1可以制作出硅化和非硅化两类电阻，而每类电阻又都可以分为N型和P型两种。

如图2.22所示，图中有3个Poly1电阻，它们都包括20个方块，上面两个是N型硅化和P型硅化的Poly1电阻，根据阻值可以算出N型硅化的Poly1电阻的R_□为7.5Ω，P型的为9.9Ω。下面的电阻是非硅化的Poly1电阻，其R_□比较大，接近1kΩ，是该工艺提供的唯一一种高阻值电阻，虽然在其图层中没有给出N型注入和P型注入的区分层，但是它一定是属于其中之一，且不能由用户制定。

还需要说明一下，图2.21中的电阻来自0.5μm工艺，图2.22的电阻来自0.18μm工艺，同样是硅化的Poly1电阻，0.5μm的方块电阻接近20Ω，而0.18μm的方块电阻不到10Ω，二者相差将近一倍。

4.金属电阻

随着集成电路工艺的不断进步，金属线条越来越细，使得用细金属条制作电阻成为可能。在高端的集成电路工艺中，一般都会提供金属电阻。为了用更小的面积得到更大的电阻，金属电阻通常会做成如图2.23所示的形状。另外，虽然每层金属都可以制作电阻，但在几何尺寸相同的条件下，金属层越厚，制作的电阻阻值越小。顶层金属最厚，主要用于连接电源、地和制作电感，所以用它制作电阻时，面积效率最低。

如图2.24所示为一个M1的金属电阻版图，金属线宽为230nm，阻值为10Ω，左侧为电阻版图，根据图中的尺寸可以看出，这个电阻大约占用（3.7×4.5）μm2的面积，中间和右侧为分解图，其中，中间为M1的线条，右侧为电阻识别层（M1R）。