CN102339850A - 一种八边形网格状mosfet功率管版图结构 - Google Patents
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Abstract
大尺寸MOSFET通常在集成电路中作为功率器件使用，常见的叉指MOSFET功率管版图结构面积效率较低，且存在导通电阻大，寄生电容大，版图设计规则难以满足等缺点。针对这个问题，本发明公开了一种八边形网格状MOSFET功率管版图结构，通过使用八边形多晶硅条组成的网格把有源区分成方格阵列，实现了各个方向上相邻MOSFET的源/漏共用，提高了面积利用率，同时利用相邻八边形斜边组成的区域巧妙的解决了MOSFET中背栅接触的问题。本发明公开的八边形网格状MOSFET功率管的基本单元由有源区、源区接触孔、漏区接触孔、背栅接触孔、多晶硅条和金属绕线组成，而整体MOSFET的版图结构是由多个基本单元拼接实现的。
Description
技术领域
本发明属于集成电路版图设计领域，主要涉及一种大尺寸MOSFET功率管的版图拓扑结构，特指一种用八边形网格状的MOSFET功率管的版图实现方式。
背景技术
在开关电源、低压降稳压器等集成电路中，大尺寸的晶体管经常被用作大电流开关或大功率器件。为了与低功率或者小信号器件加以区分，专门为这类应用而设计的器件称为功率管，主要有双极型晶体管和场效应晶体管两种。与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有所需驱动功率小、器件功率容量大以及工艺兼容性好等优点，应用十分广泛。
作为功率器件使用的MOSFET通常需要较大的尺寸。以用作开关的MOSFET功率管为例加以分析，MOSFET的输入为容性网络，驱动器件时必须对输入电容进行充、放电，驱动的是电容负载。因此，驱动MOSFET的实质就是驱动电路产生脉冲信号源，对其栅极电容进行充、放电，并使其在规定的栅极电荷或相应的栅极阈值电压下开通或关断的控制过程。由于功率管导通时必然存在一定的导通电阻，这会带来一定的导通损耗，从而影响电源的转换效率。为了获得较高的转换效率，则必须采用低导通电阻的开关管，要获得低的导通电阻就必须采用大尺寸的功率管。而事实上，MOSFET功率管在做其它功能使用时，也同样存在上述的问题。
MOSFET版图的面积效率十分重要。使用大尺寸的MOSFET功率管，虽然在理论上降低了功率管的导通电阻，但是在版图制作过程中MOSFET功率管将占用非常大的芯片面积，金属连线和焊线电阻对最终导通电阻值影响很大，同时也会引入较大的寄生电容，严重影响MOSFET功率管的响应速度。常规叉指结构的MOSFET功率管(版图如图1所示)，其性能固然有所提高，但不得不牺牲更大的面积来解决源/漏接触以及背栅接触的问题，增加了芯片的成本。
发明内容
如前文所述，图1所示的常规叉指MOSFET功率管结构，芯片面积利用率较低，寄生电容和电阻较大。针对这个问题，本发明公开了一种八边形网格状MOSFET功率管版图结构，其结构示意图如图2所示，其主要技术思想体现为：
1.通过使用八边形多晶硅条组成的网格把有源区分成方格阵列，实现了相邻MOSFET的源/漏共用，提高了面积利用率；
2.八边形多晶硅条组成的方格阵列中，小正方形的网格区域可以作为背栅接触使用，且仅需要使用通孔与其正上方连接源区接触孔的金属绕线连接，巧妙的解决了叉指结构中背栅接触与源/漏距离较大问题，不增加额外的布线开销，进一步提高了面积利用率。
针对图1的叉指MOSFET功率管的结构，八边形网格结构的MOSFET功率管主要技术优势体现在如下几个方面：
1.八边形网格结构，因其源/漏的共用以及背栅接触问题的巧妙解决，较大的提高了版图面积利用率，且寄生电容和电阻有所降低，使得MOSFET功率管的工作性能获得较大的提高；
2.八边形网格状结构中所有图形均为0°、45°、90°或135°放置，不存在其它角度的图形，因此不存在版图格点错误；
3.八边形网格结构面积的减小有效降低了芯片成本；
4.八边形网格结构较叉指结构相比具有更好的版图填充性，其效果使得MOSFET功率管的跨导提高，MOSFET功率管工作效率更高。
附图说明
图1叉指结构MOSFET功率管示意图；
图2本发明公开的八边形网格状MOSFET功率管的版图示意图；
图3图2所示的新型结构中，有源区覆盖多晶硅条方式的示意图；
图4以PMOS管为例，N阱排布、P+注入和N+注入的方式示意图；
图5本发明公开的八边形网格状MOSFET基本单元的版图概要步骤；
图6本发明公开的八边形网格状MOSFET版图结构与叉指状版图结构的面积效率对比。
具体实施方式
以下结合附图，详细说明本发明公开的八边形网格状MOSFET功率管版图结构。
八边形网格状MOSFET功率管的基本单元由有源区、多晶硅条、源区接触孔、漏区接触孔、背栅接触孔和金属绕线组成，功率MOSFET的版图结构由基本单元拼接实现。其中，多晶硅条是一个直边较长，斜边较短的八边形结构，将四个这样的八边形多晶硅条对称拼接且相邻直边重合，在其中心形成一个面积较小正方形区域；有源区覆盖每个八边形内的区域和小正方形内的区域，以及八边形多晶硅条的直边，但不覆盖多晶八边形多晶硅条的斜边，有源区的注入方式如图3所示；将源区接触孔放置于四个八边形有源区中的两个对角区域内，漏区接触孔放置于另外两个对角区域内；金属绕线如同“W”的形状布置，使用金属绕线连接源区接触孔并作为MOSFET的源极，金属绕线连接漏区接触孔作为MOSFET的漏极；背栅接触孔需放置在小正方形有源区的区域内，且所有放置背栅接触孔的小正方形区域都是被连接源区接触孔的金属绕线覆盖的区域；以PMOS功率管为例，对于典型的N阱CMOS工艺来说，PMOS管需要制作在N阱中，同时要有P+的注入。其中的一个基本单元，N阱排布和P+的注入方式如图4所示，小正方形内的有源区作为PMOS管的阱接触，且小正方形区域内需要N+注入，而正是这样一个阱接触的巧妙实现，使得基本单元能够大面积的重复调用，无需额外的阱接触空间，有效的提高了面积利用率，并且这些排列紧密的阱接触在很大程度上避免了闩锁效应的发生。
图5给出了本发明公开的八边形网格状MOSFET基本单元的版图生成过程中的概要步骤。图5A图为完成八边形多晶硅条放置及源/漏/背栅注入后的图形，图5B为完成金属绕线后的图形，图5C为完成各接触孔后的图形。
在实现八边形网格状MOSFET基本单元的基础上，利用基本单元图形的重复性，将多个八边形网格状MOSFET基本单元拼接起来，使其直边重叠，且任意直边的两侧分别为源注入区和漏注入区，可以实现可扩展的大尺寸MOSFET。
对比叉指状MOSFET，八边形网格状结构的面积利用率大幅度提高。图6为在某CMOS工艺下，本发明公开的八边形网格状MOSFET功率管版图结构与叉指状版图结构的面积效率对比。对于1000μm/0.35μm的MOSFET，叉指结构A采用10组每组10个10μm/0.35μm MOS的结构，组间放置背栅接触，其面积开销为3100μm2；叉指结构B采用10组每组20个5μm/0.35μm MOS的结构，组间放置背栅接触，其面积开销为3300μm2；八边形结构A采用直边3μm，斜边1μm的八边形，其面积开销为1650μm2；八边形结构B采用直边2μm，斜边为0.5μm的八边形，其面积开销为1250μm2。可见，八边形网格状MOSFET版图结构大幅度的提高了版图的面积效率。
综上所述，鉴于常规MOSFET功率管版图结构面积利用率低的问题，本发明公开了一种八边形网格状MOSFET功率管版图结构，通过使用八边形多晶硅条组成的网格把有源区分成方格阵列，实现了相邻MOSFET的源/漏共用，同时也巧妙的解决了大尺寸MOSFET中背栅接触的问题，从而极大的减小了版图面积，提高了MOSFET功率管的性能，降低了芯片的成本。
Claims (7)
1.一种功率MOSFET版图的结构，包括：
八边形网格状MOSFET功率管的版图结构由基本单元的重复拼接来实现，基本单元由有源区、多晶硅条、源区接触孔、漏区接触孔、背栅接触孔和金属绕线组成；
2.根据权利要求1所述的基本单元组成，多晶硅条的特征在于：
多晶硅条是一个直边较长，斜边较短的八边形结构，将四个这样的八边形多晶硅条对称拼接且相邻直边重合，其中心形成一个面积较小的正方形区域；
3.根据权利要求1所述的基本单元组成，根据权利要求2所述的多晶硅条结构，有源区的特征在于：
有源区覆盖每个八边形内的区域、权利要求2所述的小正方形内的区域，以及八边形多晶硅条的直边，但不覆盖八边形多晶硅条的斜边；
4.根据权利要求1所述的基本单元组成，根据权利要求2所述的多晶硅条结构，根据权利要求3所述的有源区构成方式，源区接触孔、漏区接触孔的特征在于：
源区接触孔放在四个八边形有源区中的两个对角八边形区域内，漏区接触孔放在另外两个对角区域内；
5.根据权利要求1所述的基本单元组成及MOSFET的版图结构，根据权利要求2所述的多晶硅条结构，根据权利要求3所述的有源区构成方式，根据权利要求4所述的源区接触孔、漏区接触孔的排布方式，金属绕线的特征在于：
金属绕线是由金属线如同“W”的形状构成，金属绕线连接所有的源区接触孔作为MOSFET的源极，金属绕线连接所有漏区接触孔作为MOSFET的漏极；
6.根据权利要求1所述的基本单元组成及MOSFET的版图结构，根据权利要求2所述的多晶硅条结构，根据权利要求3所述的有源区构成方式，根据权利要求4所述的源区接触孔、漏区接触孔的排布方式，根据权利要求5金属绕线的连接方式，背栅接触孔的特征在于：
在连接源区接触孔的金属绕线覆盖的小正方形区域内，放置背栅接触孔；
7.根据权利要求1所述的基本单元组成及MOSFET的版图结构，根据权利要求2所述的多晶硅条结构，根据权利要求3所述的有源区构成方式，根据权利要求4所述的源区接触孔、漏区接触孔的排布方式，根据权利要求5金属绕线的连接方式，根据权利要求6背栅接触孔的排布方式，N+注入和P+注入的特征在于：
在典型的CMOS工艺中，若背栅接触区域内为N+注入，那么背栅接触将作为PMOS管的阱接触，除背栅接触区域以外的其它区域需进行P+注入；相反，若背栅接触区域内为P+注入，那么背栅接触将作为NMOS管的衬底接触，除背栅接触区域以外的其它区域进行N+注入。
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