CN106253904B - 一种流水线adc***中采样mom电容的版图设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流水线ADC***中采样MOM电容的版图设计方法，包括：根据前级放大器和后级采样开关的高度确定MOM采样阵列的高度；根据所述MOM采样阵列的高度确定MOM电容的高度；选取MOM电容的金属层数目；设置MOM电容的电容值，选取MOM电容的电容参数；根据前级放大器和后级采样开关的位置来确定MOM电容的输入端和输出端的金属走向。公开了的MOM电容的电容参数、电容高度、输入端和输出端的金属走向等的确定方法，使得MOM电容在工艺误差梯度的范围内失配率最小,从而满足ADC采样数据输入端与电容公共端之间的寄生电容值相等。
Description
技术领域
本发明涉及MOM电容的版图设计技术领域，特别是涉及一种流水线ADC***中采样MOM电容的版图设计方法。
背景技术
随着人们对于模/数转换器(ADC)速度和精度等方面要求越来越高,出于低功耗和低成本等方面的考虑,器件尺寸的不断缩小和电源电压的持续降低使得高速高精度ADC的采样MOM电容版图匹配变得越来越具有挑战性。在各种不同类型的ADC中,流水线结构(pipeline)的ADC很好的协调了面积与速度之间的矛盾,但是在实现高分辨率的流水ADC时,由于器件失配因素引起的误差(电容失配)不消除,将对ADC性能产生严重的影响,在所有的电容种类中(MOSCAP、MIM、PIP、MOM),其中只有MOM的电容值可以做到很小,而且成本便宜。
匹配误差在版图中主要表现为:
(1)随机匹配误差,随即误差由匹配特性决定,取决于单位MOM电容的尺寸,通常尽可能增加电容的尺寸降低随即匹配误差给电路带来的不利影响,但同时会让电容阵列的输出端到前级放大器和后级转换开关的走线长度加长,而且相互之间不匹配,需要根据面积适当的调整；
(2)两维的梯度误差,即X方向和Y方向的梯度误差,且具有线性特性,在MOM阵列中,由于各单元器件之间通过金属连接,金属线存在电阻电容,沿着数据流方向,电压存在一个梯度变化,这个电压梯度变化,就会导致数据采样不一致；
(3)温度场误差,芯片工作会散发热量,使得芯片上的温度以某一点为中心向四周逐渐降低,导致采样数据组线之间的延迟不一致,对ADC芯片而言,尤其明显,因为大多数芯片工作的电流非常大,有几安培电流.要减小此种误差,需要各单元中心对称分布。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种流水线ADC***中采样MOM电容的版图设计方法，使得MOM电容在工艺误差梯度的范围内失配率最小,从而满足ADC采样数据输入端与电容公共端之间的寄生电容值相等。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种流水线ADC***中采样MOM电容的版图设计方法，包括：根据前级放大器和后级采样开关的高度确定MOM采样阵列的高度；根据所述MOM采样阵列的高度确定MOM电容的高度；选取MOM电容的金属层数目；设置MOM电容的电容值，选取MOM电容的电容参数；根据前级放大器和后级采样开关的位置来确定MOM电容的输入端和输出端的金属走向。
所述版图设计方法还包括MOM电容的验证失配率的步骤。
所述MOM电容的高度的计算公式为：MOM电容的高度＝MOM采样阵列电容的高度/MOM采样阵列电容中MOM电容的数量。
所述MOM电容的电容参数包括水平方向金属条数目、垂直方向金属条数目、金属条间距、金属条宽度、电容起始金属层次和电容结束金属层次。
所述水平方向金属条数目和垂直方向金属条数目均为偶数。
所述水平方向金属条数目和垂直方向金属条数目的取值范围为6～288。
所述MOM电容的电容参数的选取方法为：根据MOM电容参数模型，生成多组电容参数，且各组电容参数中任意两组电容参数对应的MOM电容的电容值之差小于阈值；选取使得对应MOM电容的寄生参数最小的电容参数。
所述MOM电容的寄生参数包括MOM电容内部两端金属线形成的电感、MOM电容的输入端和输出端的金属电阻、MOM电容的输入端和输出端对电容屏蔽层的寄生电容。
确定各MOM电容的输入端和输出端的金属走向时，输入端走向层次的金属层次和输出端走向层次的金属层次对称，输入端的打孔数目和输出端的打孔数目对称。
本发明的有益效果是：本发明公开了的MOM电容的电容参数、电容高度、输入端和输出端的金属走向等的确定方法，使得MOM电容在工艺误差梯度的范围内失配率最小,从而满足ADC采样数据输入端与电容公共端之间的寄生电容值相等。
附图说明
图1为本发明流水线ADC***中采样MOM电容的版图设计方法的流程图；
图2为本发明中MOM电容的电容参数模型；
图3为本发明中MOM电容的寄生参数模型；
图4为MOM电容的电容值在不同的工艺尺寸随金属条间距变化的曲线图；
图5为MOM电容的结构示意图；
图6为MOM电容失配随反馈电容之间的间距的变化曲线图；
图7为MOM采样阵列的示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种流水线ADC***中采样MOM电容的版图设计方法，包括：
步骤一、根据前级放大器和后级采样开关的高度确定MOM采样阵列的高度。
步骤二、根据所述MOM采样阵列的高度确定MOM电容的高度。
所述MOM电容的高度的计算公式为：MOM电容的高度＝MOM采样阵列电容的高度/MOM采样 阵列电容中MOM电容的数量。以MOM采样阵列包含16个MOM电容为例，MOM采样阵列的高度为h，单个MOM电容的高度为h(n)，其中n的取值为1～16的整数，则h(n)＝h/16。
步骤三、选取MOM电容的金属层数目。进行金属层数目的选取时，需要根据实际工艺金属层数需求进行选取，以7层金属、其中M7/M6为两层厚金属的工艺为例，MOM电容金属层次选取M3至M5。
步骤四、设置MOM电容的电容值，选取MOM电容的电容参数。
如图2所示，所述MOM电容的电容参数包括水平方向金属条数目(NH)、垂直方向金属条数目(NV)、、金属条宽度(W)、电容起始金属层次(STM)和电容结束金属层次(SPM)。所述水平方向金属条数目和垂直方向金属条数目的取值范围为6～288，且所述水平方向金属条数目和垂直方向金属条数目均为偶数；金属条间距(S)为0.1…0.13(um)，其间距值不同电容值也不同,随间距增大而增大,成递增函数关系。
如图3所示，a和b两个节点代表MOM电容的输入端和输出端，是寄生参数模型建立的起点和终点，其中其La和Lb分别代表MOM电容内部两端金属线形成的电感(包含金属自感和互感),Ra和Rb分别代表两个节点的金属电阻,Cmom代表两个节点叉指金属线由金属边缘形成的金属-氧化层-金属电容,是整个是寄生参数模型电容值贡献最重要的部分,Cpa和Cpb分别代表两个节点对电容屏蔽层的寄生电容。
如图4所示，为MOM电容的电容值随金属条间距和工艺尺寸变化的曲线图,由图4可知,在工艺尺寸逐渐减小至A点和B点之后的这两段曲线,MOM电容的电容值随金属条间距呈递减函数关系,在A点和B点之间的这段工艺尺寸的MOM电容的电容值随金属条间距呈递增函数关系,其原因是由金属之间电场曲线随金属间距非线性变换,在工艺尺寸逐渐减小过程中,电场强度在某个临点存在反转的关系。
所述MOM电容的电容参数的选取方法为：根据MOM电容参数模型，生成多组电容参数，且各组电容参数中任意两组电容参数对应的MOM电容的电容值之差小于阈值；选取使得对应MOM电容的寄生参数最小的电容参数。在一个实施例中，根据MOM电容参数模型，列举多组金属条数目不同、电容起始金属层次和电容结束金属层次不同、金属条间距不同的电容参数组合，任意两组电容参数对应的MOM电容的电容值之差小于阈值，选取使得MOM电容内部两端金属线形成的电感、MOM电容的输入端和输出端的金属电阻、MOM电容的输入端和输出端对电容屏蔽层的寄生电容的值最小的一组电容参数。
表1和表2分别列举了电容值为约8.7fF时的不同电容参数的MOM电容。
如表1所示，当金属条宽度(W)和金属条间距(S)都为0.1um时,垂直方向金属条数目(NV)分别是14、10、8、6逐渐递减,水平方向金属条数目(NH)分别是12、16、20、26逐渐递增,电容起始金属层次(STM)为2，即金属M2,电容结束金属层次(SPM)为4,即金属M4时,MOM电容用calibre验证工具提取寄生参数,得到的结果如下：
La和Lb的数值为1.61,1.61,1.825,2.05(pH)
Ra和Rb的数值为7.514,7.514,8.034,9.074(Ω)
Cpa和Cpb的数值为4.05,4.05,4.08,4.12(f F)
当金属条宽度(W)为0.1um,金属条间距(S)都为0.13um时,垂直方向金属条数目(NV)分别是14、10、8、6逐渐递减,水平方向金属条数目(NH)分别是10、14、18、24逐渐递增,电容起始金属层次(STM)为2,即金属M2,电容结束金属层次(SPM)为4,即金属M4时,MOM电容用calibre验证工具提取寄生参数,得到的结果如下:
La和Lb的数值为1.68,1.68,1.954,2.12(pH)
Ra和Rb的数值为7.582,7.582,8.45,9.646(Ω)
Cpa和Cpb的数值为4.08,4.08,4.12,4.2(f F)
当金属条宽度(W)为0.13um,金属条间距(S)都为0.13um时,垂直方向金属条数目(NV)分别是12、10、8、6逐渐递减,水平方向金属条数目(NH)分别是12、14、16、22逐渐递增,电容起始金属层次(STM)为2,即金属M2,电容结束金属层次(SPM)为4,即金属M4时,MOM电容用calibre验证工具提取寄生参数,得到的结果如下:
La和Lb的数值为2.02,2.02,2.02,2.78(pH)
Ra和Rb的数值为8.78,8.78,8.78,10.14(Ω)
Cpa和Cpb的数值为4.43,4.43,4.43,4.9(f F)
由列表1的各个参数对比可以知道,当金属条宽度(W)为0.1um,金属条间距(S)为0.1um,垂直方向金属条数目(NV)为14,水平方向金属条数目(NH)为12,电容起始金属层次(STM)为2,电容结束金属层次(SPM)为4这个组合,各个寄生参数值最优。
表1电容值为约8.7fF时的不同电容参数的MOM电容一
| NV | 14 | 10 | 8 | 6 | 14 | 10 | 8 | 6 | 12 | 10 | 8 | 6 |
| NH | 12 | 16 | 20 | 26 | 10 | 14 | 18 | 24 | 12 | 14 | 16 | 22 |
| W(um) | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 |
| S(um) | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 |
| STM | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| SPM | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| La/Lb(pH) | 1.61 | 1.61 | 1.825 | 2.05 | 1.68 | 1.68 | 1.954 | 2.12 | 2.02 | 2.02 | 2.02 | 2.78 |
| Ra/Rb(Ω) | 7.514 | 7.514 | 8.034 | 9.074 | 7.582 | 7.582 | 8.45 | 9.646 | 8.78 | 8.78 | 8.78 | 10.14 |
| Cpa/Cpb(ff) | 4.05 | 4.05 | 4.08 | 4.12 | 4.08 | 4.08 | 4.12 | 4.2 | 4.43 | 4.43 | 4.43 | 4.9 |
如表2所示，当金属条宽度(W)和金属条间距(S)都为0.1um时,垂直方向金属条数目(NV)分别是14、10、8、6逐渐递减,水平方向金属条数目(NH)分别是12、16、20、26逐渐递增,电容起始金属层次(STM)为3,即金属M3,电容结束金属层次(SPM)为5,即金属M5时,MOM电容用calibre验证工具提取寄生参数,得到的结果如下:
La和Lb的数值为1.61,1.61,1.825,2.05(pH)
Ra和Rb的数值为7.514,7.514,8.034,9.074(Ω)
Cpa和Cpb的数值为3.86,3.86,3.99,4.07(f F)
当金属条宽度(W)为0.1um,金属条间距(S)都为0.13um时,垂直方向金属条数目(NV)分别是14,10,8,6逐渐递减,水平方向金属条数目(NH)分别是10,14,18,24逐渐递增,电容起始金属层次(STM)为3,即金属M3,电容结束金属层次(SPM)为5,即金属M5时,MOM电容用calibre验证工具提取寄生参数,得到的结果如下:
La和Lb的数值为1.68,1.68,1.954,2.12(pH)
Ra和Rb的数值为7.582,7.582,8.45,9,646(Ω)
Cpa和Cpb的数值为3.86,3.86,3.99,4.07(f F)
当金属条宽度(W)为0.13um,金属条间距(S)都为0.13um时,垂直方向金属条数目(NV)分别是12,10,8,6逐渐递减,水平方向金属条数目(NH)分别是12,14,16,22逐渐递增,电容起始金属层次(STM)为3,即金属M3,电容结束金属层次(SPM)为5,即金属M5时,MOM电容用calibre验证工具提取寄生参数,得到的结果如下:
La和Lb的数值为2.02,2.02,2.02,2.78(pH)
Ra和Rb的数值为8.78,8.78,8.78,10.14(Ω)
Cpa和Cpb的数值为3.94,3.94,4.03,4.13(f F)
由列表2的各个参数对比可以知道,当金属条宽度(W)为0.1um,金属条间距(S)为0.1um,垂直方向金属条数目(NV)为14,水平方向金属条数目(NH)为12,电容起始金属层次(STM)为3,电容结束金属层次(SPM)为5这个组合,各个寄生参数值最优。
表2电容值为约8.7fF时的不同电容参数的MOM电容二
| NV | 14 | 10 | 8 | 6 | 14 | 10 | 8 | 6 | 12 | 10 | 8 | 6 |
| NH | 12 | 16 | 20 | 26 | 10 | 14 | 18 | 24 | 12 | 14 | 16 | 22 |
| W(um) | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 |
| S(um) | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 |
| STM | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| SPM | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| La/Lb(pH) | 1.61 | 1.61 | 1.825 | 2.05 | 1.68 | 1.68 | 1.954 | 2.12 | 2.02 | 2.02 | 2.02 | 2.78 |
| Ra/Rb(Ω) | 7.514 | 7.514 | 8.034 | 9.074 | 7.582 | 7.582 | 8.45 | 9.646 | 8.78 | 8.78 | 8.78 | 10.14 |
| Cpa/Cpb(ff) | 3.86 | 3.86 | 3.99 | 4.07 | 3.86 | 3.86 | 3.99 | 4.07 | 3.94 | 3.94 | 4.03 | 4.13 |
对比表1和表2的最优参数组合如下表3所示，由列表对比可知,参数(W)为0.1um,金属间距(S)为0.1um,NV为14,NH为12,(STM)为3,(SPM)为5时,版图寄生参数最小。
表3表1和表2的中最优参数组合
| NV | NH | W | S | STM | SPM | La/Lb | Ra/Rb | Cpa/Cpb | |
| 表1 | 14 | 12 | 0.1um | 0.1um | 2 | 4 | 1.61pH | 7.514Ω | 4.05fF |
| 表2 | 14 | 12 | 0.1um | 0.1um | 3 | 5 | 1.61pH | 7.514Ω | 3.86fF |
如图5所示，在完成MOM电容的电容参数的最优选择选择后,就能确定单个MOM电容的形状,金属M3和M5横向布局,金属M4竖向布局,节点连接线金属呈水平方向,且为电容、电阻都比较小的高层金属。
如表4和表5所示，16组MOM电容不是按照1…16的顺序排列,而是相互交错,目的是减小工艺梯度带来的工艺误差,由图表4可知,两个相同的MOM电容单元1…16,是并列排放置,然后按照1,15,3,13,5,11,7,9,8,10,6,12,4,14,2,16的顺序,从上向下依次排列,即,该阵列单元是以MOM电容8和9为中心点,上下对称,数据相加之和都为17,例如1+16,15+2,3+13…,而且奇数和偶数分别都在一边,以消除奇偶效应。
表4 MOM电容的一个顺序排布表
| 1 | 1 |
| 15 | 15 |
| 3 | 3 |
| 13 | 13 |
| 5 | 5 |
| 11 | 11 |
| 7 | 7 |
| 9 | 9 |
| 8 | 8 |
| 10 | 10 |
| 6 | 6 |
| 12 | 12 |
| 4 | 4 |
| 14 | 14 |
| 2 | 2 |
| 16 | 16 |
表5 MOM电容的一个顺序排布表
| 1 | 16 |
| 15 | 2 |
| 3 | 14 |
| 13 | 4 |
| 5 | 12 |
| 11 | 6 |
| 7 | 10 |
| 9 | 8 |
| 8 | 9 |
| 10 | 7 |
| 6 | 11 |
| 12 | 5 |
| 4 | 13 |
| 14 | 3 |
| 2 | 15 |
| 16 | 1 |
由表5可知,两个相同的MOM电容单元1…16,不是并列排成一排,而是按照16、2、14、4、12、6、10、8、9、7、11、5、13、3、15、1的顺序和1、15、3、13、5、11、7、9、8、10、6、12、4、14、2、16的顺序对称放置。
表4和表5中的两种排列方式A和B,用MATLAB软件做Monte Carlo分析,表5的失配率要小于表4,即表5的排列方式要优于表4。然而在版图的实际布局布线中,如果按照表5方式布局,数据输入端data1…data16的每一位数据,都会有两根金属连接线M6,增加了寄生的电阻和电容,在实际的运用中反而不如表4,所以最终我们按照表4的方式布局。
如图6所示，为金属条间距(S)在工艺上失配率的大小,由图6可知水平方向金属条数目(NH)、垂直方向金属条数目(NV)越大,工艺失配率越小,MOM相互之间的距离越小,工艺失配率越小.在MOM相互之间距离足够大,如图7所示,distance为1000…10000(um)的时候水平方向金属条数目(NH)和垂直方向金属条数目(NV)越大,失配度越大,这种情况在布局的时候应当避免，所以本实施例按照在满足DRC规则的前提下,MOM相互之间的距离最小化。
如图7所示,电容阵列的四周布满虚拟电容,虚拟电容能在工艺刻蚀和曝光程序中,减小误差,使其工艺环境一致。电容公共端INN/INP与放大器相接,输入端与开关相接,所有连接线都采用电容和电阻比较小的金属M6,竖向接入放大器的这一段金属采用金属M7,以减小电阻带来的数据延迟.每组相邻数据通道之间的公共端头金属M5,与M6的交接处有四个VIA5孔,如图7所示排列,总共有16条金属线.数据输入端的连线分别位于通道之间的公共端头两侧,也采用电容和电阻比较小的金属M6,以减小电阻,数据输入端data1…data16与电容MOM的金属M5交接处有两个VIA5孔,如图7所示排列,总共有32条金属线.由于数据输入端的金属条数目是输出端金属条数目的两倍,所以输入和输出端总的VIA5孔个数是一样的,为64个VIA5孔。反馈电容和dither电容,分别位于阵列的两端,也是为了减少走线带来的寄生,相对 于匹配,这种最直接的走线寄生,才是影响最大的,所以并未相互交错排列。dither电容之间也是按照表6的顺序排列,由列表也不难找到中心对称点,3+5＝8,1+7＝8,2+6＝8,8+0＝8等,以减小工艺误差。
表6 dither电容的顺序排列表
| 3 | 8 | 2 | 7 |
| 1 | 6 | 0 | 5 |
步骤五、根据前级放大器和后级采样开关的位置来确定MOM电容的输入端和输出端的金属走向。
确定各MOM电容的输入端和输出端的金属走向时，输入端走向层次的金属层次和输出端走向层次的金属层次对称，输入端的打孔数目和输出端的打孔数目对称。
优选的，所述版图设计方法还包括MOM电容的验证失配率的步骤,通过。
如上所述MOM电容排布,用calibre验证工具提取寄生参数,提取的寄生参数包含R、C和CC,由表7可知各数据通道之间的差值基本为零,仅有一处的差值为0.02fF,已经非常小了,以至于可以忽略。
表7各数据通道的寄生参数表
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种流水线ADC***中采样MOM电容的版图设计方法，其特征在于，包括：
根据前级放大器和后级采样开关的高度确定MOM采样阵列的高度；
根据所述MOM采样阵列的高度确定MOM电容的高度；
选取MOM电容的金属层数目；
设置MOM电容的电容值，选取MOM电容的电容参数；
根据前级放大器和后级采样开关的位置来确定MOM电容的输入端和输出端的金属走向；
所述MOM电容的电容参数的选取方法为：
根据MOM电容参数模型，列举多组金属条数目不同、电容起始金属层次和电容结束金属层次不同、金属条间距不同的电容参数组合，任意两组电容参数对应的MOM电容的电容值之差小于阈值，选取使得MOM电容内部两端金属线形成的电感、MOM电容的输入端和输出端的金属电阻、MOM电容的输入端和输出端对电容屏蔽层的寄生电容的值最小的一组电容参数；
MOM电容阵列的四周布满虚拟电容；
所述MOM电容的电容参数包括水平方向金属条数目、垂直方向金属条数目、 金属条间距、金属条宽度、电容起始金属层次和电容结束金属层次；
所述水平方向金属条数目和垂直方向金属条数目均为偶数；
确定各MOM电容的输入端和输出端的金属走向时，输入端走向层次的金属层次和输出端走向层次的金属层次对称，输入端的打孔数目和输出端的打孔数目对称。
2.根据权利要求1所述的一种流水线ADC***中采样MOM电容的版图设计方法，其特征在于，所述版图设计方法还包括MOM电容的验证失配率的步骤。
3.根据权利要求1所述的一种流水线ADC***中采样MOM电容的版图设计方法，其特征在于，所述MOM电容的高度的计算公式为：
MOM电容的高度=MOM采样阵列电容的高度/MOM采样阵列电容中MOM电容的数量。
4.根据权利要求1所述的一种流水线ADC***中采样MOM电容的版图设计方法，其特征在于，所述水平方向金属条数目和垂直方向金属条数目的取值范围为6～288。
5.根据权利要求1所述的一种流水线ADC***中采样MOM电容的版图设计方法，其特征在于，所述MOM电容的寄生参数包括MOM电容内部两端金属线形成的电感、MOM电容的输入端和输出端的金属电阻、MOM电容的输入端和输出端对电容屏蔽层的寄生电容。
Priority Applications (1)
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