電容

在MOS模擬集成電路中，電容也是一種不可或缺的元件，由于其易于與MOS器件相匹配，制造較易，且工藝制造的匹配精度比電阻好，所以得到了較廣泛的應用。在CMOS電路中，人多數電容都用Si02作為介質，但也有某些工藝中采用Si02/Si3N4夾層介質，利用Si3N4較高的介電常數特性來制作較大值的電容。另外由于沉積氧化層厚度有較大的偏差，因此沉積氧化物通常不適用于制作精密電容器。

在理想情況下，電容值可用式(1.62)進行計算

式(1.62)中，W、L別為電容上下極板的寬、長，ε0x為介質層的介電常數，tox為介質層的厚度。電容的標準偏差為

通常選擇W、L（提高電容的Q值），則式(1.63)中后兩項的誤差取決于光刻誤差，通常稱之為邊緣誤差；而式(1.63)中前兩項的誤差為氧化層效應誤差。在小電容時，起主導作用的是邊緣效應誤差，而人電容時主要取決于氧化層誤差。

電容器的比例精度主要取決于它們的面積比（特別是小電容）。下面介紹幾種主要的電容結構。

1．PN結電容

直接利用PN結構成的電容，這類電容具有大的電壓系數和非線性，除了用做濾波電容或變容管外并不常用。

2．MOS電容

只適用于NMOS與CMOS金屬柵工藝，如圖1.25所示。

這類電容的溫度系數為25xl0-6/℃，電容誤差為土15%，電壓系數為25x10^-6/v.這是一種與電壓相關性很大的電容。

3.多晶與體硅之間的電容

由NMOS或CMOS多晶硅柵（金屬柵）工藝實現，需要額外增加一次離子注入形成底板的N+重摻雜區，以多晶硅為上極板，二氧化硅為介質，N+為下極板構成電容，如圖1.26所示。

由于其襯底必須接一個固定電位以保證N+和P-S襯底構成的PN結反偏，此時多晶與體硅間的電容可認為是一個無極性的電容，但存在底板PN結寄生電容(15%一30%)。

這類電容的電壓系數為-10x10-6/V溫度系數為20～50xlO-6/℃，誤差為±15%。

另外，這類電容可以通過多晶條的激光修正來調節電容值。

4.多晶與場注入區間的電容

只能在帶場注入的NMOS與CMOS硅柵工藝中采用，由于該電容的介質為厚的場氧化層，所以單位面積的電容較小。

在應用這類電容時，電容的底板必須與襯底相連。

5．金屬與多晶電容

通過NMOS與CMOS硅柵下藝實現，在蒸鋁之前用光刻的方法刻去多晶硅上的厚氧化層，然后在制作柵氧化層時在多晶硅上熱生長—氧化層，最后蒸鋁，從而得到了鋁氧化層-多晶硅電容，如圖1.27所示，這種電容通常位于場區。

這種電容可以對多晶條進行修正以獲得較精確的電容值。

因為由于介質變化與張弛使得在Q-V中的滯后，所以CVD氧化層不適用于作為電容介質。

在多晶硅與襯底之間存在寄生電容，由于其介質為厚的場氧化層，因此該寄生電容很小，通常為所需電容的十分之一：而從可靠性考慮，其金屬層必須人于介質氧化層，所以金屬層與襯底間存在寄生電容，但其值則更小，只為所需電容的1%左右。

此類電容的電壓系數為100x10-6/V，溫度系數為：100*10-6/℃。

當然也可以用多晶硅作為電容的上極板，而金屬作為其下極板，介質為氧化層構成電容。

6．雙多晶電容（PIP電容）

NMOS與CMOS雙多品工藝實現，其上下極板都為多品，介質為薄氧化層，如圖1.28所示。介質氧化層一般與柵氧同時形成。

這類電容的電壓系數為100*10^-6/v溫度系數為100*10^-6/℃。

多晶2的面積可以小于薄氧化層面積，從而只有較小的寄生電容（厚氧電容），由于雙層多晶硅電容具有性能穩定、寄生電容小等優點，因此在MOS集成電路中有廣泛的應用。

7．用MOS器件作電容

由于MOS管中存在著明顯的電容結構，因此可以用MOS器件制作成一個電容使用。如果一個NMOS管的源、漏、襯底都接地而柵電壓接正電壓，當VG上升并達到Vth時在多晶硅下的襯底表面將開始出現一反型層。在這種條件下NMOS可看成一個二端器件，并且不同的

柵壓會產生厚度不一樣的反型層，從而有不同的電容值。

(1)耗盡型區：柵壓為一很負的值，柵上的負電壓就會把襯底中的空穴吸引到氧化層表面，即構成了積累區，此時，由于只有積累區出現，而無反型層，且積累層的厚度很厚，因此積累層的電容可以忽略。故此時的NMOS管可以看成一個單位面積電容為Cox的電容，其中

間介質則為柵氧。當VGS上升時，襯底表面的空穴濃度下降，積累層厚度減小，則積累層電容；

增大，該電容與柵氧電容相串聯后使總電容減小，直至VGs趨于0，積累層消失，當V_GS略大于o時，在柵氧下產生了耗盡層，總電容最小。

(2)弱反型區：VGS繼續上升，則在柵氧下面就產生耗盡層，并開始出現反型層，該器件進入了弱反型區，在這種模式下，其電容由Cox與Cb串聯而成，并隨VGS的增人，其電容量逐步增大。

(3)強反型區：當VGS超過Vth，其二氧化硅表面則保持為一溝道，且其單位電容又為Cox。圖1.29顯示了這些工作狀態。

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