【分享】在模擬版圖設(shè)計(jì)中堆疊MOSFET-KIA MOS管

在28nm以下，由于最大器件長(zhǎng)度限制，模擬設(shè)計(jì)人員經(jīng)常要對(duì)多個(gè)短長(zhǎng)度的MOSFET串聯(lián)來創(chuàng)建長(zhǎng)溝道的器件。這些串聯(lián)連接的器件通常被稱為堆疊MOSFET或堆疊器件。

例如，將三個(gè)1μm的MOSFET串聯(lián)堆疊，可創(chuàng)建一個(gè)溝道長(zhǎng)度為3μm的有效器件(圖1)。

圖1：將三個(gè)MOSFET串聯(lián)堆疊，可提供3μm的溝道長(zhǎng)度。

堆疊MOSFET在現(xiàn)代模擬設(shè)計(jì)中非常常見，但并不是沒有問題。其主要問題是電容增加以及面積更大。電容增加很大程度上是由于器件周圍的互連增加?？倴艠O面積和總柵極電容與非堆疊等效電路相似，但在互連線上有額外的寄生電容。與單個(gè)長(zhǎng)溝道器件相比，堆疊器件的物理分離增加了總設(shè)計(jì)面積。

當(dāng)在電路中使用堆疊MOSFET時(shí)，版圖質(zhì)量變得比平常更重要。不良的版圖設(shè)計(jì)會(huì)顯著增加寄生電容和設(shè)計(jì)面積，并可能使電路無法滿足期望的性能特性。

版圖設(shè)計(jì)工程師必須非常小心地設(shè)計(jì)這些器件的版圖。大多數(shù)從事于這些較小工藝節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)人員都經(jīng)歷過版圖前仿真和版圖后仿真非常不同的情況。通常，這歸因于堆疊器件上所存在的互連寄生效應(yīng)。

下面來看看幾種實(shí)現(xiàn)堆疊MOSFET高質(zhì)量版圖的方法。圖2中的子電路顯示了將四個(gè)NMOS MOSFET堆疊在一起而創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)溝道器件。

圖2：將四個(gè)MOSFET堆疊，可創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)溝道電路。

在這個(gè)電路中可以看到，所有的柵極引腳都是相互連接的(所有四個(gè)整體連接也是如此)，也可以看到，所有的MOSFET都是通過將一個(gè)器件的漏極與下一個(gè)器件的源極串聯(lián)起來而連接在一起。

在這種情況下，由于每個(gè)器件都是簡(jiǎn)單的單指MOSFET，因此可以使用簡(jiǎn)單的擴(kuò)散分配版圖模式來設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)的版圖。

圖3：將左邊的簡(jiǎn)單堆疊情況與右邊的等效長(zhǎng)溝道器件進(jìn)行比較。

簡(jiǎn)單堆疊情況的版圖如圖3左邊所示，可以看到它幾乎沒有額外的互連，因?yàn)榈刃У拈L(zhǎng)溝道器件(右邊)也需要一個(gè)多晶硅觸點(diǎn)。在這種情況下，面積不利顯著，但這是不可避免的，并且由多晶硅最小間距規(guī)則所決定。

這種方法的另一個(gè)問題是，非常長(zhǎng)的有效器件可能導(dǎo)致非常長(zhǎng)的擴(kuò)散分配鏈路。然而，可以將長(zhǎng)鏈折疊成多行，如圖4所示。但是，其代價(jià)是這增加了額外的互連，并進(jìn)一步增加了堆疊器件的電容。

圖4：可以將長(zhǎng)鏈折疊成多行。

圖5中的電路顯示了電路設(shè)計(jì)人員想要在電路中使用兩指MOSFET來實(shí)現(xiàn)更好匹配的情況。

圖5：可以在電路中使用兩指MOSFET實(shí)現(xiàn)更好的匹配。

兩指器件不能通過擴(kuò)散分配連接，因此必須使用不同的布局和布線方法。為了實(shí)現(xiàn)緊湊的版圖，器件是按列來連接的，而不是前面示例中所示的按行模式。

圖6：按列進(jìn)行連接(左側(cè))；這種按列模式的布局機(jī)制如右側(cè)所示。

在圖6中，左圖顯示了連接模式，也即將一個(gè)器件的漏極與下一個(gè)器件的源極垂直相連。如圖所示，連接是按列的方式進(jìn)行的，交替器件的不同參數(shù)在MOSFET的漏極中心變體和源極中心變體之間進(jìn)行交換。交換的觸點(diǎn)使列中的器件之間可以進(jìn)行直線布線，從而就可避免彎曲以及額外的過孔。

在右側(cè)可以看到這個(gè)按列模式的布線模式。有額外的互連，但與通常的接觸增強(qiáng)所需的互連相比并不會(huì)明顯增多。

電路設(shè)計(jì)人員也可以為堆疊的器件指定m因子。堆疊m因子拓?fù)涫闺娐吩O(shè)計(jì)人員可使用多個(gè)小型MOSFET構(gòu)建具有長(zhǎng)、寬溝道的器件。圖7顯示了m因子為4的單指堆疊器件。

圖7：具有m因子拓?fù)涞膯沃付询B器件。

在圖7的版圖中可以看到，這種模式中包含了前面按行模式的四個(gè)副本，這樣一來就可確保器件之間額外布線的數(shù)量最少。

本文中展示了一些可用于堆疊MOSFET的基本模式。在上述所有例子中，器件的布局和布線是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量版圖設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

Pulsic的Animate Preview工具中的技術(shù)將布局和布線結(jié)合在一次操作中。這使Animate Preview可以為堆疊器件實(shí)現(xiàn)上述最佳版圖設(shè)計(jì)模式。每個(gè)器件的準(zhǔn)確位置、方向和參數(shù)化都必須經(jīng)過優(yōu)化才能獲得期望的結(jié)果。

同時(shí)，該工具還必須考慮流經(jīng)每個(gè)器件的電流，從而最大限度地降低互連的復(fù)雜性和長(zhǎng)度。模擬版圖設(shè)計(jì)總是需要仔細(xì)平衡多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)先事項(xiàng)，沒有一種行事方式能在所有情況下都有效。

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