电容(rong)

在MOS模拟集成电路中，电容也是一种不可或缺的元件，由于其易于与MOS器件相匹配，制造较易，且工艺制造的匹配精度比电阻好，所以得到了较广泛的应用。在CMOS电路中，人多数电容都用Si02作为介质，但也有某些工艺中采用Si02/Si3N4夹层介质，利用Si3N4较高的介电常数特性来制作较大值的电容。另外由于沉积氧化层厚度有较大的偏差，因此沉积氧化物通常不适用于制作精密电容器。

在理想情况下，电(dian)容值可(ke)用(yong)式(1.62)进行计算

式(shi)(1.62)中，W、L别为(wei)电容(rong)上(shang)下极板的(de)宽、长，ε0x为(wei)介质(zhi)层(ceng)的(de)介电常数(shu)，tox为(wei)介质(zhi)层(ceng)的(de)厚度。电容(rong)的(de)标(biao)准偏差(cha)为(wei)

通常选择W、L（提(ti)高电(dian)容的(de)Q值(zhi)），则式(shi)(1.63)中后两项(xiang)的(de)误(wu)差(cha)(cha)取(qu)决(jue)于光刻误(wu)差(cha)(cha)，通常称(cheng)之为边(bian)缘误(wu)差(cha)(cha)；而式(shi)(1.63)中前两项(xiang)的(de)误(wu)差(cha)(cha)为氧(yang)化层效应误(wu)差(cha)(cha)。在小电(dian)容时(shi)，起主导作用的(de)是边(bian)缘效应误(wu)差(cha)(cha)，而人电(dian)容时(shi)主要取(qu)决(jue)于氧(yang)化层误(wu)差(cha)(cha)。

电容(rong)(rong)器的比例精度主(zhu)要(yao)取决于(yu)它(ta)们(men)的面积(ji)比（特别是(shi)小(xiao)电容(rong)(rong)）。下(xia)面介绍几种主(zhu)要(yao)的电容(rong)(rong)结构(gou)。

1．PN结电容(rong)

直接利用PN结(jie)构成(cheng)的电容，这类电容具有大(da)的电压系数和非线性，除(chu)了用做滤波(bo)电容或变(bian)容管外并不常用。

2．MOS电(dian)容(rong)

只适用于NMOS与CMOS金属栅工艺，如图1.25所示。

这类(lei)电容的温度系(xi)数(shu)为25xl0-6/℃，电容误(wu)差为土15%，电压系(xi)数(shu)为25x10^-6/v.这是一种(zhong)与电(dian)压相关(guan)性很大的电(dian)容。

3.多晶(jing)与体(ti)硅之(zhi)间(jian)的电容

由NMOS或CMOS多晶(jing)硅栅（金属栅）工艺实(shi)现，需要额(e)外增加一次离子注入形成底板(ban)的N+重掺杂区，以(yi)多晶(jing)硅为(wei)上极(ji)板(ban)，二(er)氧化硅为(wei)介质(zhi)，N+为(wei)下极(ji)板(ban)构成电容，如图(tu)1.26所(suo)示。

由(you)于(yu)其(qi)衬底必(bi)须(xu)接一(yi)个固(gu)定电(dian)位以保证N+和P-S衬底构成的(de)PN结反(fan)偏，此时多(duo)晶(jing)与体硅间(jian)的(de)电(dian)容(rong)(rong)可(ke)认为是一(yi)个无极性的(de)电(dian)容(rong)(rong)，但存在底板PN结寄(ji)生电(dian)容(rong)(rong)(15%一(yi)30%)。

这(zhei)类电容的电压系数为-10x10-6/V温度系数为20～50xlO-6/℃，误差为±15%。

另外，这类电(dian)(dian)容可(ke)以(yi)通(tong)过多晶(jing)条的激光(guang)修正来调节(jie)电(dian)(dian)容值(zhi)。

4.多晶与场注入区间的电容

只能在带场(chang)注入(ru)的(de)(de)NMOS与CMOS硅栅工艺(yi)中采用，由于(yu)该电(dian)容(rong)的(de)(de)介质(zhi)为厚的(de)(de)场(chang)氧化层，所以单位面积的(de)(de)电(dian)容(rong)较小(xiao)。

在应(ying)用这(zhei)类电容时，电容的底板必须(xu)与衬底相连。

5．金属与(yu)多晶电容

通过NMOS与(yu)CMOS硅(gui)栅(zha)下(xia)艺实现，在(zai)蒸铝(lv)(lv)(lv)之(zhi)前用光刻(ke)的(de)方法刻(ke)去多晶硅(gui)上的(de)厚氧化(hua)层，然后在(zai)制(zhi)作栅(zha)氧化(hua)层时在(zai)多晶硅(gui)上热生长—氧化(hua)层，最后蒸铝(lv)(lv)(lv)，从而(er)得(de)到了(le)铝(lv)(lv)(lv)氧化(hua)层-多晶硅(gui)电容(rong)，如图1.27所示，这种电容(rong)通常位于场(chang)区(qu)。

这(zhei)种电容可以对(dui)多晶条进行修正(zheng)以获得较精确的电容值。

因(yin)为由(you)于(yu)介质变化与(yu)张弛使得在Q-V中(zhong)的滞(zhi)后，所以CVD氧化层(ceng)不适用(yong)于(yu)作为电容介质。

在多晶(jing)硅与衬底(di)之(zhi)间存在寄生电(dian)(dian)容(rong)(rong)，由于(yu)其(qi)(qi)介(jie)(jie)质(zhi)为(wei)厚的(de)场氧化层，因此该寄生电(dian)(dian)容(rong)(rong)很小(xiao)(xiao)，通常为(wei)所(suo)需电(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)十分之(zhi)一：而从可靠(kao)性考虑(lv)，其(qi)(qi)金属(shu)(shu)层必(bi)须(xu)人(ren)于(yu)介(jie)(jie)质(zhi)氧化层，所(suo)以金属(shu)(shu)层与衬底(di)间存在寄生电(dian)(dian)容(rong)(rong)，但其(qi)(qi)值则更小(xiao)(xiao)，只为(wei)所(suo)需电(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)1%左右(you)。

此类电(dian)容的(de)电(dian)压(ya)系数(shu)为100x10-6/V，温度系数(shu)为：100*10-6/℃。

当然也可以用多晶硅(gui)作为(wei)电容的(de)上极(ji)板(ban)，而金属(shu)作为(wei)其下极(ji)板(ban)，介质为(wei)氧化(hua)层构成电容。

6．双多晶电(dian)容（PIP电(dian)容）

NMOS与CMOS双多(duo)(duo)品(pin)工(gong)艺实现，其上下极(ji)板(ban)都为多(duo)(duo)品(pin)，介(jie)质为薄氧化层(ceng)，如图(tu)1.28所示。介(jie)质氧化层(ceng)一(yi)般与栅氧同时(shi)形成。

这(zhei)类电容的(de)电压系数为100*10^-6/v温度系数为100*10^-6/℃。

多晶(jing)2的(de)面(mian)积可以小于(yu)薄氧化层(ceng)面(mian)积，从而只有较小的(de)寄生电容（厚氧电容），由于(yu)双层(ceng)多晶(jing)硅电容具有性能稳(wen)定(ding)、寄生电容小等(deng)优点(dian)，因此在MOS集(ji)成电路(lu)中有广(guang)泛的(de)应用。

7．用MOS器件作(zuo)电容

由于MOS管中存在着明显的电容结构，因此可以用MOS器件制作成一个电容使用。如果一个NMOS管的源、漏、衬底都接地而栅电压接正电压，当VG上升并达到Vth时在多晶硅下的衬底表面将开始出现一反型层。在这种条件下NMOS可看成一个二端器件，并且不同的

栅压会产生厚(hou)度(du)不(bu)一样的(de)反型层，从而(er)有不(bu)同的(de)电容(rong)值。

(1)耗尽型区：栅压为一很负的值，栅上的负电压就会把衬底中的空穴吸引到氧化层表面，即构成了积累区，此时，由于只有积累区出现，而无反型层，且积累层的厚度很厚，因此积(ji)累层的(de)电(dian)容可(ke)以忽略(lve)。故(gu)此时的(de)NMOS管可(ke)以看成(cheng)一个单位面积(ji)电(dian)容为(wei)Cox的(de)电(dian)容，其中

间介质则为栅氧。当VGS上升时，衬底(di)表面的(de)空穴浓度下降，积累层厚度减小，则积累层电容；

增大，该电容与栅氧电容相串联后使总电容减小，直至VGs趋于0，积累层消失，当V_GS略大于o时，在栅氧下产生了耗尽层，总电容最小。

(2)弱反型区：VGS继续上升，则在栅氧下面就产生耗尽层，并开始出现反型层，该器件进入了弱反型区，在这种模式下，其电容由Cox与(yu)Cb串联而成，并随VGS的(de)增(zeng)人，其电(dian)容(rong)量逐步增(zeng)大(da)。

(3)强反型区：当VGS超过Vth，其二氧化硅表面则保持为一沟道，且其单位电容又为Cox。图1.29显示了这些工作状态。

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