CN117613038A - 一种用于集成电路的mom电容器拓扑结构 - Google Patents

一种用于集成电路的mom电容器拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种MOM电容器拓扑结构，包括至少一个MOM电容器组，包括设置于集成电路同一层中的第一电容极板、第二电容极板和公共极板，第一电容极板与公共极板形成第一电容器，第二电容极板与公共极板形成第二电容器，第一电容极板包括沿第一方向延伸的第一基板和自第一基板沿第二方向延伸的多个第一叉指板，第二电容极板包括沿第一方向延伸的第二基板和自第二基板沿第二方向的反方向延伸的多个第二叉指板，多个第一叉指板与多个第二叉指板彼此交错排列，使得每个第一叉指板均与邻近的至少一个第二叉指板之间存在相等的间隔距离，公共极板设置于第一电容极板和第二电容极板之间，公共极板将第一电容极板和第二电容极板均匀间隔开。

Description

一种用于集成电路的MOM电容器拓扑结构
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种多电容匹配式MOM电容器。
背景技术
电容器被广泛应用于集成电路中，随着CMOS工艺的不断发展，集成电路市场进一步多元化和专业化，需要可重构的电容器结构得到不同的电容值以满足新的集成电路市场需求。相比于MIM电容器(Metal-Insulator-Metal，金属-介质-金属),MOM(Metal-Oxide-Metal，金属–氧化物-金属)电容器具有良好的电容匹配性和工艺兼容性，被广泛应用于模拟电路和射频电路中。
在集成电路设计中，经常有电容匹配的需求，特别是一些高性能的模拟电路,比如ADC，DAC等，都有大量匹配电容的设计。在各种不同类型的ADC中，流水线结构(pipeline)的ADC很好地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。
如图1所示，传统的MOM电容匹配结构，通过相同的单位电容交叉重复实现CAC和CBC两个电容匹配。传统的技术方案中匹配电容的距离受单位电容的大小限制，版图上的单位电容距离往往在几微米到几十微米之间(图1的距离s)，而距离会导致匹配电容的梯度差和温度差等加大，降低电容的匹配精度。
因此，在有限的版图面积下设计一种多电容、低失配误差、高匹配精度的MOM电容版图，是集成电路领域亟待解决的技术问题。
发明内容
基于上述现状，本发明的主要目的在于提供一种多电容、低失配误差、高匹配精度的MOM电容器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于集成电路的MOM电容器拓扑结构，包括至少一个MOM电容器组，每个MOM电容器组包括设置于集成电路同一层中的第一电容极板、第二电容极板和公共极板，所述第一电容极板与所述公共极板形成第一电容器，所述第二电容极板与所述公共极板形成第二电容器；
所述第一电容极板包括沿第一方向延伸的第一基板和自所述第一基板沿第二方向延伸的多个第一叉指板，所述多个第一叉指板在所述第一基板的长度范围内均匀排列；
所述第二电容极板包括沿第一方向延伸的第二基板和自所述第二基板沿第二方向的反方向延伸的多个第二叉指板，所述多个第二叉指板在所述第二基板的长度范围内均匀排列；
所述多个第一叉指板与所述多个第二叉指板彼此交错排列，使得每个第一叉指板均与邻近的至少一个第二叉指板之间存在相等的间隔距离d；
所述公共极板设置于所述第一电容极板和所述第二电容极板之间，包括首尾相连的多个公共电极段，所述多个公共电极段包括沿第一方向延伸的多个第一公共电极段和沿第二方向延伸的多个第二公共电极段，所述公共极板将所述第一电容极板和所述第二电容极板均匀间隔开。
优选地，所述第一电容极板、所述第二电容极板和所述公共极板具有相同的宽度。
优选地，所述间隔距离d小于等于1微米。
优选地，所述多个第一叉指板包括位于所述MOM电容器组一个外侧边缘的边缘第一叉指板和位于所述MOM电容器组内部的内第一叉指板；所述多个第二叉指板包括位于所述MOM电容器组另一个外侧边缘的边缘第二叉指板和位于所述MOM电容器组内部的内第二叉指板；其中，各个内第一叉指板和各个内第二叉指板的长度相等，且各个内第一叉指板的自由端到第二基板的距离、各个内第二叉指板的自由端到第一基板的距离均等于所述间隔距离d。
优选地，所述边缘第一叉指板和所述边缘第二叉指板的长度相等，且大于内第一叉指板和内第二叉指板的长度。
优选地，所述边缘第一叉指板的自由端与相邻的第二公共电极段的自由端平齐，所述边缘第二叉指板的自由端与相邻的第二公共电极段的自由端平齐。
优选地，所述拓扑结构包括两个以上MOM电容器组时，其中的任意两个MOM电容器组的结构及参数可以相同或者不同。
优选地，当所述拓扑结构包括n个电容极板时，所述n为大于2的正整数，所述拓扑结构包括的MOM电容器组数量小于或等于n！/2！(n-2)！。
优选地，当任意两个MOM电容器组在集成电路的不同层中相邻设置时，二者以投影重叠的方式设置。
本发明还公开一种集成电路，包括本发明所述的MOM电容器拓扑结构。
优选地，所述MOM电容器拓扑结构包括K个MOM电容器组，K为大于或等于2的正整数，
所述第i个MOM电容器组的公共极板连接第i个MOM电容器组中第一电容器和第二电容器的公共端电信号，所述第i个MOM电容器组的第一电容极板连接所述第一电容器的另一端电信号，所述第i个MOM电容器组的第二电容极板连接所述第二电容器的另一端电信号，1≤i≤K。
优选地，所述第i个MOM电容器组的第一电容极板通过选通开关切换连接的电信号，第i个MOM电容器组的第二电容极板通过选通开关切换连接的电信号。
本方案通过均匀间隔不同极板来实现匹配的电容，引入公共极板，电容极板与公共极板交替出现，使得极板间电容交叉出现，使电容匹配更均匀一致，匹配电容的距离大幅减少，且不受单个单位电容的大小限制，大大提高了电容的匹配精度，减少梯度差，温度差等带来的电容失配，可以大幅提高模拟电路的性能。
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
以下将参照附图对本发明的多电容匹配式MOM电容器的优选实施方式进行描述。图中：
图1为现有技术中MOM电容器的结构示意图；
图2为根据本发明的一种优选实施方式的用于集成电路的MOM电容器拓扑结构示意图；
图3为根据ADC版图结构需求对图2中的MOM电容器做单元重复的示意图；
图4为采用图3中的MOM电容器实现电容匹配的应用电路原理图；
图5为图2中MOM电容器的具体信号版图分布示意图；
图6为图2中MOM电容器的具体信号形成的匹配电容分布示意图；
图7为根据本发明的又一种优选实施方式的用于集成电路的MOM电容器拓扑结构示意图；
图8为根据ADC版图结构需求对图7中的MOM电容器做单元重复的示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明公开了一种用于集成电路的MOM电容器拓扑结构，包括至少一个MOM电容器组，每个MOM电容器组包括设置于集成电路同一层中的第一电容极板、第二电容极板和公共极板，第一电容极板与公共极板形成第一电容器，第二电容极板与公共极板形成第二电容器，其中，第一电容极板包括沿第一方向延伸的第一基板和自所述第一基板沿第二方向延伸的多个第一叉指板，多个第一叉指板在所述第一基板的长度范围内均匀排列，第二电容极板包括沿第一方向延伸的第二基板和自所述第二基板沿第二方向的反方向延伸的多个第二叉指板，所述多个第二叉指板在所述第二基板的长度范围内均匀排列，所述多个第一叉指板与所述多个第二叉指板彼此交错排列，使得每个第一叉指板均与邻近的至少一个第二叉指板之间存在相等的间隔距离d，公共极板设置于所述第一电容极板和所述第二电容极板之间，包括首尾相连的多个公共电极段，所述多个公共电极段包括沿第一方向延伸的多个第一公共电极段和沿第二方向延伸的多个第二公共电极段，所述公共极板将所述第一电容极板和所述第二电容极板均匀间隔开。
图2为根据本发明的一种优选实施方式的MOM电容器拓扑结构示意图，针对的是两个电容做匹配的情况，包括第一电容极板A和第二电容极板B，以及一个公共极板C，第一电容极板A包括沿第一方向延伸的第一基板和自所述第一基板沿第二方向延伸的4个第一叉指板，所述4个第一叉指板在所述第一基板的长度范围内均匀排列，第二电容极板B包括沿第一方向延伸的第二基板和自所述第二基板沿第二方向的反方向延伸的4个第二叉指板，所述4个第二叉指板在所述第二基板的长度范围内均匀排列，电容极板A和电容极板B形成插接结构，即，4个第一叉指板与4个第二叉指板彼此交错排列，使得每个第一叉指板均与邻近的至少一个第二叉指板之间存在相等的间隔距离d，公共极板C设置于第一电容极板A和第二电容极板B之间，包括首尾相连的多个公共电极段，所述多个公共电极段包括沿第一方向延伸的多个第一公共电极段和沿第二方向延伸的多个第二公共电极段，所述公共极板C将第一电容极板A和第二电容极板B均匀间隔开，公共极板C构成电容极板A和B的公共端，实现了电容CAC和电容CBC两个电容的匹配。
在一实施方式中，第一电容极板A、第二电容极板B和公共极板C具有相同的宽度。
在一实施方式中，可根据ADC版图结构需求，如图3所示，将图2中的MOM电容器做成单元重复，实现多电容匹配，图3中包括了4个图2中的MOM电容器，电容极板间隙d可以根据实际场景进行配置，本案在不影响模拟电路性能的前提下，能够控制间隙d小于等于1微米。在有限的版图面积下实现了多电容、低失配误差、高匹配精度的MOM电容版图。
传统电容结构是基于极板A、极板B分别与公共极板C进行插指排布，本方案通过均匀间隔不同极板来实现匹配的电容，引入公共极板，电容极板与公共极板交替出现，使得极板间电容交叉出现，使电容匹配更均匀一致，匹配电容的距离大幅减少，且不受单个单位电容的大小限制，大大提高了电容的匹配精度，减少梯度差，温度差等带来的电容失配，可以大幅提高模拟电路的性能。
在一优选实施方式中，多个第一叉指板包括位于MOM电容器组一个外侧边缘的边缘第一叉指板和位于MOM电容器组内部的内第一叉指板，多个第二叉指板包括位于MOM电容器组另一个外侧边缘的边缘第二叉指板和位于MOM电容器组内部的内第二叉指板，其中，各个内第一叉指板和各个内第二叉指板的长度相等，且各个内第一叉指板的自由端到第二基板的距离、各个内第二叉指板的自由端到第一基板的距离均等于所述间隔距离d。
在一优选实施方式中，所述边缘第一叉指板和所述边缘第二叉指板的长度相等，且大于内第一叉指板和内第二叉指板的长度。
在一实施方式中，所述边缘第一叉指板的自由端与相邻的第二公共电极段的自由端平齐，所述边缘第二叉指板的自由端与相邻的第二公共电极段的自由端平齐。
如图2所示，第一电容极板A中包括4个叉指板，图中左侧第一个叉指板即为第一电容极板A的边缘第一叉指板，依次向右的3个为第一电容极板A的3个内第一叉指板。第二电容极板B中包括4个叉指板，图中右侧第一个叉指板即为第二电容极板B的边缘第二叉指板，依次向左的3个为第二电容极板B的3个内第二叉指板，其中，第一电容极板A的各个内第一叉指板和第二电容极板B的各个内第二叉指板的长度均相等，并且各个内第一叉指板的自由端到第二基板的距离等于间隔距离d，各个内第二叉指板的自由端到第一基板的距离也等于间隔距离d。
在一优选实施方式中，所述拓扑结构包括两个以上MOM电容器组时，其中的任意两个MOM电容器组的结构及参数可以相同或者不同。例如，当采用图2所示的MOM电容器时，可如图3所示，将图2所示的MOM电容器直接做成4个单元重复，实现多电容匹配，也可以不采用单元重复的形式，而是将MOM电容器组制作成不同结构，例如，一些MOM电容器组采用图2中4叉指的结构，另一些采用2叉指或3叉指，甚至5叉指的结构，这些是可以根据电路设计需求进行设计的。也可以根据需求，将各叉指的长度设计成不同。
在一优选实施方式中，当MOM电容器拓扑结构包括n个电容极板时，n为大于2的正整数，拓扑结构中包括的MOM电容器组数量是可以小于或等于例如，如果MOM电容器拓扑结构包括5个电容极板，若完全利用所有极板做电容匹配，则可以形成个MOM电容器，而实际设计需求中，有可能不需要做到所有电容进行匹配，或者无法做到所有电容进行匹配，那么就可以选择少于这个数量的电容进行匹配。
在一实施方式中，当任意两个MOM电容器组在集成电路的不同层中相邻设置时，二者以投影重叠的方式设置。
本发明还公开一种集成电路，包括本发明所述的MOM电容器拓扑结构。
在一实施方式中，在所述集成电路中，所述MOM电容器拓扑结构可以包括K个MOM电容器组，K为大于或等于2的正整数，其中，第i个MOM电容器组的公共极板连接第i个MOM电容器组中第一电容器和第二电容器的公共端电信号，第i个MOM电容器组的第一电容极板连接所述第一电容器的另一端电信号，第i个MOM电容器组的第二电容极板连接所述第二电容器的另一端电信号，1≤i≤K。
在一优选实施方式中，第i个MOM电容器组的第一电容极板通过选通开关切换连接的电信号，第i个MOM电容器组的第二电容极板通过选通开关切换连接的电信号。
例如，所述MOM电容器拓扑结构包括第一MOM电容器组和第二MOM电容器组，所述第一MOM电容器组的公共极板连接第一MOM电容器组中第一电容器和第二电容器的公共端电信号，所述第一MOM电容器组的第一电容极板连接所述第一电容器的另一端电信号，所述第一MOM电容器组的第二电容极板连接所述第二电容器的另一端电信号；所述第二MOM电容器组的公共极板连接第二MOM电容器组中第一电容器和第二电容器的公共端电信号，所述第一MOM电容器组的第一电容极板连接所述第一电容器的另一端电信号，所述第一MOM电容器组的第二电容极板连接所述第二电容器的另一端电信号。
如图4所示，第一MOM电容器组包括电容C1A和C1B，第二电容器组包括电容C2A和C2B，其中，电容C1A和C1B有高匹配的要求，电容C2A和C2B有高匹配的要求。
其中，第一MOM电容器组的公共极板连接第一电容器C1A和第二电容器C1B的公共端电信号VCM，第一MOM电容器组的第一电容极板连接第一电容器C1A的另一端电信号N1A，第一MOM电容器组的第二电容极板连接第二电容器C1B的另一端电信号N1B，其中，第一电容极板和第二电容极板可以通过各自的选通开关切换连接的电信号，例如，N1A和N1B均可以切换为Vref、Vip和GND信号。当然，也可以不设置该选通开关，此时，第一电容极板和第二电容极板连接的电信号就是固定的。
第二MOM电容器组的公共极板连接第一电容器C2A和第二电容器C2B的公共端电信号VCM，第二MOM电容器组的第一电容极板连接第一电容器C2A的另一端电信号N2A，第二MOM电容器组的第二电容极板连接第二电容器C2B的另一端电信号N2B，其中，第一电容极板和第二电容极板同样可以通过选通开关切换连接的电信号，例如，N2A和N2B可以切换为Vref、Vin和GND信号，当然，也可以不设置该选通开关，此时，第一电容极板和第二电容极板连接的电信号就是固定的。
通过采用本发明的MOM电容器拓扑结构，使得电容C1A和C1B电容匹配更均匀一致，大大提高了电容的匹配精度，减少梯度差，温度差等带来的电容失配，从而大幅提高模拟电路的性能。同理可用在电容C2A和C2B，使得所述的两个电容匹配更均匀一致。
图5展示了图2中MOM电容器的具体信号版图分布示意图，其中，电容极板A和B中间均匀间隔了公共极板C。图6展示了图2中MOM电容器的具体信号形成的匹配电容分布示意图，形成了均匀分布的电容CAC和电容CBC。
图7为根据本发明的一种优选实施方式的MOM电容器的拓扑结构示意图，针对的是三个电容做匹配的情况，包括三个电容极板A、B和D，以及一个公共极板C，电容极板A、B和D均具有4个叉指板，电容极板A、电容极板B和电容极板D两两插接，即，电容极板A和电容极板B插接，电容极板A和电容极板D插接，电容极板B和电容极板D插接，电容极板A和B的每个叉指板彼此交替排列且相邻电极条之间形成有间隙d1，电容极板A和D的每个叉指板彼此交替排列且相邻电极条之间形成有间隙d2，电容极板B和D的每个叉指板彼此交替排列且相邻电极条之间形成有间隙d3；公共极板C分别设置在两两极板之间的间隙d1、d2、d3中，并将电容极板A和B、A和D、B和D的相邻电极条均匀间隔开，公共极板C构成电容极板A和B、A和D、B和D的公共端，从而实现了电容CAC、电容CBC和电容CDC三个电容的匹配。
在具体实施方式中，同样可根据ADC版图结构需求，如图8所示，将图7中的MOM电容器拓扑结构做成单元重复，实现多电容匹配，图8中包括了2组图7中的MOM电容器拓扑结构，电容极板间隙d1、d2、d3可以根据实际场景进行配置，本案在不影响模拟电路性能的前提下，能够控制间隙在1微米以下。在有限的版图面积下实现了多电容、低失配误差、高匹配精度的MOM电容版图。
本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (12)

1.一种用于集成电路的MOM电容器拓扑结构，其特征在于，包括至少一个MOM电容器组，每个MOM电容器组包括设置于集成电路同一层中的第一电容极板、第二电容极板和公共极板，所述第一电容极板与所述公共极板形成第一电容器，所述第二电容极板与所述公共极板形成第二电容器；
所述第一电容极板包括沿第一方向延伸的第一基板和自所述第一基板沿第二方向延伸的多个第一叉指板，所述多个第一叉指板在所述第一基板的长度范围内均匀排列；
所述第二电容极板包括沿第一方向延伸的第二基板和自所述第二基板沿第二方向的反方向延伸的多个第二叉指板，所述多个第二叉指板在所述第二基板的长度范围内均匀排列；
所述多个第一叉指板与所述多个第二叉指板彼此交错排列，使得每个第一叉指板均与邻近的至少一个第二叉指板之间存在相等的间隔距离d；
所述公共极板设置于所述第一电容极板和所述第二电容极板之间，包括首尾相连的多个公共电极段，所述多个公共电极段包括沿第一方向延伸的多个第一公共电极段和沿第二方向延伸的多个第二公共电极段，所述公共极板将所述第一电容极板和所述第二电容极板均匀间隔开。
2.根据权利要求1所述的MOM电容器拓扑结构，其特征在于，所述第一电容极板、所述第二电容极板和所述公共极板具有相同的宽度。
3.根据权利要求1所述的MOM电容器拓扑结构，其特征在于，所述间隔距离d小于等于1微米。
4.根据权利要求1所述的MOM电容器拓扑结构，其特征在于，
所述多个第一叉指板包括位于所述MOM电容器组一个外侧边缘的边缘第一叉指板和位于所述MOM电容器组内部的内第一叉指板；
所述多个第二叉指板包括位于所述MOM电容器组另一个外侧边缘的边缘第二叉指板和位于所述MOM电容器组内部的内第二叉指板；
其中，各个内第一叉指板和各个内第二叉指板的长度相等，且各个内第一叉指板的自由端到第二基板的距离、各个内第二叉指板的自由端到第一基板的距离均等于所述间隔距离d。
5.根据权利要求4所述的MOM电容器拓扑结构，其特征在于，所述边缘第一叉指板和所述边缘第二叉指板的长度相等，且大于内第一叉指板和内第二叉指板的长度。
6.根据权利要求5所述的MOM电容器拓扑结构，其特征在于，所述边缘第一叉指板的自由端与相邻的第二公共电极段的自由端平齐，所述边缘第二叉指板的自由端与相邻的第二公共电极段的自由端平齐。
7.根据权利要求1-6任一项所述的MOM电容器拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构包括两个以上MOM电容器组时，其中的任意两个MOM电容器组的结构及参数可以相同或者不同。
8.根据权利要求7所述的MOM电容器拓扑结构，其特征在于，当所述拓扑结构包括n个电容极板时，所述n为大于2的正整数，所述拓扑结构包括的MOM电容器组数量小于或等于n！/2！(n-2)！。
9.根据权利要求1-6任一项所述的MOM电容器拓扑结构，其特征在于，当任意两个MOM电容器组在集成电路的不同层中相邻设置时，二者以投影重叠的方式设置。
10.一种集成电路，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的MOM电容器拓扑结构。
11.根据权利要求10所述的集成电路，其特征在于，所述MOM电容器拓扑结构包括K个MOM电容器组，K为大于或等于2的正整数，
所述第i个MOM电容器组的公共极板连接第i个MOM电容器组中第一电容器和第二电容器的公共端电信号，所述第i个MOM电容器组的第一电容极板连接所述第一电容器的另一端电信号，所述第i个MOM电容器组的第二电容极板连接所述第二电容器的另一端电信号，1≤i≤K。
12.根据权利要求11所述的集成电路，其特征在于，所述第i个MOM电容器组的第一电容极板通过选通开关切换连接的电信号，第i个MOM电容器组的第二电容极板通过选通开关切换连接的电信号。
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