CN114203442B - 一种用于高精度电容阵列的电容单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高精度电容阵列的电容单元，包括：第x层金属，有效电容单位构成为：中间的十字形金属和***方形金属，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属，该梳状金属将十字形以及方形金属连接，将x层金属都作为电容下极板的一部分，***方形开设向上的通孔；在x层冗余电容部分与有效电容部分相同。第x+1层金属至第x+2*n层金属，有效电容单元的基本构成为：***方形金属作为下极板，中间的十字形金属作为上极板，4个象限的梳状结构或以插指形状交错形成电容或全部连接到***的方形下极板作为屏蔽。本发明能实现多方向有效电容，并对上极板有良好的屏蔽，并且具有较高的电容匹配度。

Description

一种用于高精度电容阵列的电容单元
技术领域
本发明涉及高精度电容阵列的电容单元。
背景技术
高精度电容阵列普遍应用于模数转换器（ADC），特别是逐次逼近型模数转换器以及流水线型模数转换器。在没有电容校准功能的ADC中，电容阵列的匹配度经常会成为限制ADC有效位数以及积分非线性、微分非线性的重要因素。特别在12bit分辨率的ADC中，该分辨率在电容校准收益的临界值，该规格下，高精度的电容阵列实现方式能够避免电容校准带来的复杂度。在常见的设计中，电容阵列的物理实现更多偏向电容单元的分布，需要通过改进电容单元本身寻求获得性能提升。传统结构的电容实现如图2所示为两层金属电容，利用侧壁电容来获得容值，分别为x层以及x+1层，两个图案是相同的，且从俯视图来看两者也是重合。由于电容有效侧壁电容金属方向单一，且电容的下极板容易跟衬底产生寄生，导致电容匹配度下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高精度电容阵列的电容单元，实现多方向有效电容，并且具有较高的电容匹配度。
实现上述目的的技术方案是：
一种用于高精度电容阵列的电容单元，包括：
第x层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属连接十字形金属以及***方形金属，将第x层金属都作为电容下极板的一部分；***方形金属开设向上的通孔;冗余电容部分与有效电容部分相同；其中，x≥2且为正整数;
第x+1层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属中一半连接电容上极板，另一半连接电容下极板；十字形金属以及***方形金属均开设向上的通孔;冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属，并且梳状金属均连接电容下极板；
第x+2层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属覆盖住第x+1层金属的电容上极板的梳状金属，十字形金属以及***方形金属均开设向上的通孔；冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属；
金属层数包括第x层到第x+2n+1层，其中，n≥1且为正整数；
第x+2n+1层金属，有效电容部分包括：***方形的方括号形金属；冗余电容部分在该层次无金属。
优选的，当n≥2时，第x+2i-1层的有效电容部分以及冗余电容部分的金属形状与通孔形状都与对应的第x+1层相同；其中i=1,2…n-1；第x+2i层的有效电容部分以及冗余电容部分的金属形状与通孔形状都与对应的第x层相同；其中i=1,2…n-1；
还包括：
第x+2n-1层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，中间的十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属中一半连接电容上极板，另一半连接电容下极板；十字形金属以及***方形金属均开设向上的通孔；***方形金属上下边缘中间的金属断开，形成方括号形状；冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属，并且梳状金属均连接电容下极板；
第x+2n层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，中间的十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属覆盖住第一x+1层的电容上极板的梳状金属，十字形金属开设向上的通孔，***方形金属的一半开设向上的通孔；冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属以及***方形金属上的通孔。
优选的，第x+1层金属中连接电容上极板的梳状金属和连接电容下极板的梳状金属交替分布。
优选的，第x层金属中梳状金属的线宽比第x+1层金属中梳状金属的线宽大。
优选的，第x层金属中梳状金属覆盖第x+1层金属中上极板。
优选的，第x+2层金属中梳状金属的线宽与第x层金属中梳状金属的线宽相同。
本发明的有益效果是：本发明通过在金属层整个层次都连接到下极板，且用宽金属覆盖上极板，增加了垂直方向电容，同时能够有效避免上极板电容的寄生电容，由于电容下极板通常不影响匹配度，干净的上极板电容能保证电容单元间的匹配。各层次都是以十字形以及***方形金属构成，在有侧壁电容的层次，以十字形为x轴y轴构成的4个象限都有不同方向的指插装的金属构成侧壁电容，该电容单元能够缓解制造过程中的非理想，具有较稳定的容值且较高的匹配度。
附图说明
图1是本发明的用于高精度电容阵列的电容单元的分层示意图；
图2是现有技术中电容实现示意图；
图3是本发明中四个电容原理图；
图4是本发明中四个电容版图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1-4，本发明的用于高精度电容阵列的电容单元，包括：第x层金属、第x+1层金属、第x+2层金属、第x+2n+1层金属。x≥2且为正整数，n≥1且为正整数。
第x层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属连接十字形金属以及***方形金属，将第x层金属都作为电容下极板的一部分；***方形金属开设向上的通孔;冗余电容部分与有效电容部分相同；其中，x≥2且为正整数;
第x+1层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属中一半连接电容上极板，另一半连接电容下极板；十字形金属以及***方形金属均开设向上的通孔;冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属，并且梳状金属均连接电容下极板；
第x+2层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属覆盖住第x+1层金属的电容上极板的梳状金属，十字形金属以及***方形金属均开设向上的通孔；冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属；
金属层数包括第x层到第x+2n+1层，其中，n≥1且为正整数；
第x+2n+1层金属，有效电容部分包括：***方形的方括号形金属；冗余电容部分在该层次无金属。
当n≥2时，第x+2i-1层的有效电容部分以及冗余电容部分的金属形状与通孔形状都与对应的第x+1层相同；其中i=1,2…n-1；第x+2i层的有效电容部分以及冗余电容部分的金属形状与通孔形状都与对应的第x层相同；其中i=1,2…n-1；
本发明的用于高精度电容阵列的电容单元还包括：
第x+2n-1层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，中间的十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属中一半连接电容上极板，另一半连接电容下极板；十字形金属以及***方形金属均开设向上的通孔；***方形金属上下边缘中间的金属断开，形成方括号形状；冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属，并且梳状金属均连接电容下极板；
第x+2n层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，中间的十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属覆盖住第一x+1层的电容上极板的梳状金属，十字形金属开设向上的通孔，***方形金属的一半开设向上的通孔；冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属以及***方形金属上的通孔。
本发明根据所用工艺金属情况可以增减金属层次。当n=2时，包括6层：第x层金属、第x+1层金属、第x+2层金属、第x+3层金属、第x+4层金属、第x+5层金属，第x层金属和第x+5层金属作为上下层。如图1所示。如果需要增减金属层次，所增减的层次同第x+1层金属、第x+2层金属形状相同，成对增减。如果需要减小至最小层次4层（n=1），则去掉6层结构的x+1层金属,x+2层金属并将6层结构第x+3层金属、第x+4层金属、第x+5层金属层次都降低2层。n=1时的4层为本发明的最少金属层次。当n=3时，在6层结构x+2层金属的上方增加2层金属，其金属以及通孔形状分别同x+1层金属以及x+2层金属，并将6层结构第x+3层金属、第x+4层金属、第x+5层金属层次都提高2层。当n>3，其增加方式类似n=3，继续增加6层结构的x+1层金属,x+2层金属。
另外，在本申请的基础上，电容单元还包含至少第一层金属metal1。即：底层金属为x层，x至少为2，从而避免跟衬底有较大的寄生电容。图中，Metal（x）表示第x层金属，其他类推。
本实施例以6层金属为例，即:n=2时。图1中，左侧为有效电容部分，右侧为对应的冗余电容部分。冗余电容部分用于填充有效电容的边界以及阵列的上极板向外走线。
图3是4个电容的原理图，用本发明中电容单元实现如图4所示。冗余电容在C1-C4电容***了一圈。C1-C4电容上极板通过第x+3层金属，即图中纵向连接走线，并通过冗余电容走线通道向外走线，直到电容阵列***再横向连通。C1-C4的电容下极板用第x+5层金属纵向走线，其中C1的第x+5层金属与第x+4层金属的通孔在左侧，C2的第x+5层金属与第x+4层金属的通孔在右侧，C3的第x+5层金属与第x+4层金属的通孔在左侧，C4的第x+5层金属与第x+4层金属的通孔在右侧。
综上，首先区分电容上极板与下极板，以增大下极板寄生电容的代价保证上极板是干净的，另外改变单向的侧壁电容，在电容单元内实现多方向有效电容。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种用于高精度电容阵列的电容单元，其特征在于，包括：
第x层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属连接十字形金属以及***方形金属，将第x层金属都作为电容下极板的一部分；***方形金属开设向上的通孔;冗余电容部分与有效电容部分相同；其中，x≥2且为正整数;
第x+1层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属中一半连接电容上极板，另一半连接电容下极板；十字形金属以及***方形金属均开设向上的通孔;冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属，并且梳状金属均连接电容下极板；
第x+2层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属覆盖住第x+1层金属的电容上极板的梳状金属，十字形金属以及***方形金属均开设向上的通孔；冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属；
金属层数包括第x层到第x+2n+1层，其中，n≥1且为正整数；
第x+2n+1层金属，有效电容部分包括：***方形的方括号形金属；冗余电容部分在该层次无金属。
2.根据权利要求1所述的用于高精度电容阵列的电容单元，其特征在于，当n≥2时，第x+2i-1层的有效电容部分以及冗余电容部分的金属形状与通孔形状都与对应的第x+1层相同；其中i=1,2…n-1；第x+2i层的有效电容部分以及冗余电容部分的金属形状与通孔形状都与对应的第x层相同；其中i=1,2…n-1；
还包括：
第x+2n-1层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，中间的十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属中一半连接电容上极板，另一半连接电容下极板；十字形金属以及***方形金属均开设向上的通孔；***方形金属上下边缘中间的金属断开，形成方括号形状；冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属，并且梳状金属均连接电容下极板；
第x+2n层金属，有效电容部分包括：中间的十字形金属和***方形金属，中间的十字形金属连接到电容上极板，***方形金属连接到电容下极板，以十字形金属为x轴y轴构成的4个象限设有不同方向的梳状金属；该梳状金属覆盖住第一x+1层的电容上极板的梳状金属，十字形金属开设向上的通孔，***方形金属的一半开设向上的通孔；冗余电容部分为：在有效电容部分的基础上去掉十字形金属以及***方形金属上的通孔。
3.根据权利要求1所述的用于高精度电容阵列的电容单元，其特征在于，第x+1层金属中连接电容上极板的梳状金属和连接电容下极板的梳状金属交替分布。
4.根据权利要求1所述的用于高精度电容阵列的电容单元，其特征在于，第x层金属中梳状金属的线宽比第x+1层金属中梳状金属的线宽大。
5.根据权利要求1所述的用于高精度电容阵列的电容单元，其特征在于，第x层金属中梳状金属覆盖第x+1层金属中上极板。
6.根据权利要求1所述的用于高精度电容阵列的电容单元，其特征在于，第x+2层金属中梳状金属的线宽与第x层金属中梳状金属的线宽相同。
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