一种电荷均匀分布的场效应管版图结构及其设计方法与流程

1.本技术涉及半导体集成电路技术领域，尤其涉及一种电荷均匀分布的场效应管版图结构及其设计方法。


背景技术：

2.在芯片中，场效应管是常见的器件，电源通过导线供电到场效应管时，由于导线寄生的电阻电容，将不可避免产生电压降的问题。
3.如果某个场效应管上的电压降过大，就会影响该场效应管的正常工作，导致其所在的整个芯片失效。所以一般会通过电压降仿真，将场效应管的电压降控制在一个可以接受的范围内。由于场效应管上的电流是一个随时间变化的曲线，一般只有在电流波峰时，电压降才会比较严重，通常控制电压降的方法有：第一种：通过加宽场效应管导线或增加接触孔的方法来减小电阻，从而达到减小电压降的目的；第二种：在场效应管附近放一些容性器件，连接在电源线上，增加场效应管附近的电荷容量，用以缓解瞬时的电压下降。
4.但在芯片制作工艺的尺寸在22nm以下时，导线的宽度和间距已不能随意加减，必须按照固定的宽度和间距放置，导致第一种方式无法应用于22nm以下芯片制作工艺中的场效应管；而第二种方式又在会导致场效应管靠近容性器件的一侧电荷分布较多、远离电容的另一侧电荷较少，使场效应管上出现电荷分布不均匀的问题。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种电荷均匀分布的场效应管版图结构及其设计方法，能够保证场效应管中的电荷分布均匀，避免了容性器件单元单独设置在场效应管的一侧导致场效应管单元中电荷分布不均匀的情况；并且可以适用于任何尺寸的芯片制作工艺，不受芯片制作工艺尺寸的制约。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种电荷均匀分布的场效应管版图结构，该版图结构包括第一数量的容性器件单元和第二数量的场效应管单元；
7.容性器件单元与场效应管单元以叉指状方式并排设置。
8.进一步的，场效应管单元包括金属-氧化物半导体场效应晶体管和鳍式场效应晶体管。
9.上述实施例说明本技术的版图结构适用于多种场效应管，提高了本技术的适用性。
10.进一步的，第一数量和第二数量的比例为n:1，n包括1-5的任意整数。
11.上述实施例令本技术的版图结构可以应对不同的电流变化和版图面积要求。
12.进一步的，当第一数量为4，第二数量为2时，该版图结构从左至右依次为：
13.第一容性器件单元、第一场效应管单元、第二容性器件单元、第三容性器件单元、第二场效应管单元、第四容性器件单元；第一容性器件单元、第二容性器件单元、第三容性器件单元和第四容性器件单元的结构均相同；第一场效应管单元和第二场效应管单元的结
构相同。
14.上述实施例为第一数量和第二数量比例为2:1时的版图结构，适用于较为常见的情况。
15.进一步的，容性器件单元包括电容场效应管，电容场效应管包括第一有源区、第一栅极、第一电源导线和接地导线；第一有源区与第一电源导线连接，第一栅极与接地导线连接。
16.上述实施例通过电容场效应管的设置分担场效应管单元的电荷，平抑瞬时电压波动。
17.进一步的，场效应管单元包括工作场效应管；工作场效应管包括第二有源区、第二栅极、第二电源导线、输入导线和输出导线；
18.第二有源区分别与第二电源导线和输出导线连接，第二栅极与输入导线连接。
19.上述实施例通过输入导线和输出导线的连接，确保了场效应管单元能够接收输入信号，实现对输入信号的放大的工作效果并输出。
20.进一步的，相邻的电容场效应管和工作场效应管中，第一电源导线和第二电源导线为同一根电源导线。
21.上述实施例节省了电源导线的数量，减小了电源电阻，间接缓解了场效应管的电压降。
22.进一步的，当场效应管单元为金属-氧化物半导体场效应晶体管时，第一电源导线和第二电源导线上均设有若干个接触孔；第一电源导线通过若干个接触孔与第一有源区连接，第二电源导线通过若干个接触孔与第二有源区连接。
23.上述实施例通过在第一电源导线和第二电源导线上增加接触孔，可以使在先进芯片制作工艺下的场效应管进一步减小电源电阻，缓解电压降。
24.进一步的，该版图结构还包括衬底；该版图结构中的第一电源导线、第二电源导线、接地导线、输入导线和输出导线均设置于衬底之上。
25.上述实施例将各导线设于衬底之上，通过衬底起到了物理支撑、导热及导电作用。
26.第二方面，本技术还提供了一种电荷均匀分布的场效应管版图结构的设计方法，该方法包括：提供初始版图，初始版图包括相邻接的容性器件区和场效应管区；
27.根据第一预设规则对容性器件区进行拆分，得到第一数量的容性器件单元；
28.根据第二预设规则对场效应管区进行拆分，得到第二数量的场效应管单元；将第一数量的容性器件单元和第二数量的场效应管单元以叉指状方式进行拼接，得到目标版图。
29.综上，与现有技术相比，本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
30.本技术实施例提供的一种电荷均匀分布的场效应管版图结构，通过将容性器件单元和场效应管单元以叉指状方式并排设置，能够在利用容性器件单元平抑电压波动、缓解场效应管电压降的同时，保证场效应管单元中的电荷分布均匀，避免了容性器件单元全部设置在场效应管单元的一侧导致场效应管单元中电荷分布不均匀的情况；并且叉指状方式的设置可以适用于任何尺寸的芯片制作工艺，不受芯片制作工艺尺寸制约。
附图说明
31.图1为本技术实施例提供的场效应管单元为金属-氧化物半导体场效应晶体管时的一种电荷均匀分布的场效应管版图结构的设计版图。
32.图2为本技术实施例提供的场效应管单元为金属-氧化物半导体场效应晶体管时一种电荷均匀分布的场效应管版图结构的剖面图。
33.图3为本技术实施例提供的场效应管单元为鳍式场效应晶体管时一种电荷均匀分布的场效应管版图结构的设计版图。
34.图4为本技术实施例提供的场效应管单元为鳍式场效应晶体管时一种电荷均匀分布的场效应管版图结构的单芯轴剖面图。
35.图5为本技术实施例提供的场效应管单元为金属-氧化物半导体场效应晶体管时的一种电荷均匀分布的场效应管版图结构的演化示意图。
36.图6为本技术又实施例提供的场效应管单元为金属-氧化物半导体场效应晶体管时的一种电荷均匀分布的场效应管版图结构的演化示意图。
37.图7为本技术实施例提供的一种电荷均匀分布的场效应管版图结构的设计方法的流程图。
38.图8为本技术实施例提供的现有技术中采用加宽导线和增加接触孔的方法(方法a)缓解电压降的场效应管结构示意图。
39.图9为本技术实施例提供的现有技术中采用放置若干个容性器件单元的方法(方法b)缓解电压降的场效应管结构示意图。
40.附图标记说明：
41.01、容性器件单元；02、场效应管单元；03、电源导线；04、接地导线；05、输入导线；06、输出导线；07、第一有源区；08、接触孔；09、衬底。
具体实施方式
42.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.请参见图1，本技术实施例提供了一种电荷均匀分布的场效应管版图结构，该版图结构包括第一数量的容性器件单元01和第二数量的场效应管单元02。
44.容性器件单元01与场效应管单元02以叉指状方式并排设置。
45.上述实施例的实施例提供的一种电荷均匀分布的场效应管版图结构，通过将容性器件单元01和场效应管单元02以叉指状方式并排设置，能够在利用容性器件单元01平抑电压波动、缓解场效应管电压降的同时，保证场效应管单元02中的电荷分布均匀，避免了容性器件单元01全部设置在场效应管单元02的一侧导致场效应管单元02中电荷分布不均匀的情况；并且叉指状方式的设置可以适用于任何尺寸的芯片制作工艺，不受芯片制作工艺尺寸制约。
46.请参见图1-4，在一些实施例中，场效应管单元02可以包括金属-氧化物半导体场效应晶体管和鳍式场效应晶体管。其中，金属-氧化物半导体场效应晶体管即为mosfet场效
应管。
47.鳍式场效应晶体管即为finfet场效应管；由图3可知，场效应管单元02为鳍式场效应晶体管时，鳍式场效应晶体管中的n个芯轴与各导线垂直设置。
48.上述实施例说明本技术的版图结构适用于多种场效应管，提高了本技术的适用性。
49.在一些实施例中，第一数量和第二数量的比例为n:1，n包括1-5的任意整数。
50.根据实际电流情况或版图面积要求，场效应管中的容性器件单元01的数量会有变化，此时，就需要调整第一数量和第二数量的比例。
51.比如，若某实施例中的容性器件单元01和场效应管单元02的数量比例为1:1，在版图上交错放置，就为2个容性器件单元01夹2个场效应管单元02。
52.而当电流峰值较大时，就可能需要增加此实施例中的容性器件单元的第一数量，此时n:1的比例就可能变为2:1或其它，这时，此实施例中的容性器件单元01和场效应管单元02就会变成4个容性器件单元01夹2个场效应管单元02；以此类推，反之亦然。
53.上述实施例令本技术的版图结构可以应对不同的电流变化和版图面积要求。
54.请参见图1，在一些实施例中，当第一数量为4，第二数量为2时，该版图结构从左至右依次为：第一容性器件单元、第一场效应管单元、第二容性器件单元、第三容性器件单元、第二场效应管单元、第四容性器件单元；第一容性器件单元、第二容性器件单元、第三容性器件单元和第四容性器件单元的结构均相同；第一场效应管单元和第二场效应管单元的结构相同。
55.具体地，当第一数量和第二数量都为4时，叉指状方式并排设置下的版图结构从左到右依次为：第一容性器件单元、第一场效应管单元、第二场效应管单元、第二容性器件单元、第三容性器件单元、第三场效应管单元、第四场效应管单元、第四容性器件单元。
56.进一步的，当第一数量较多，第二数量较少时，例如：第一数量为6，第二数量为2时，叉指状方式并排设置下的场效应管版图结构从左到右依次为：
57.第一容性器件单元、第二容性器件单元、第一场效应管单元、第三容性器件单元、第四容性器件单元、第二场效应管单元、第五容性器件单元、第六容性器件单元。
58.在具体的实施过程中，第一数量和第二数量由需要的场效应管的工作效果来设定。
59.上述实施例为第一数量和第二数量比例为2:1时的版图结构，适用于较为常见的情况。
60.请参见图1-图6，在一些实施例中，容性器件单元01包括电容场效应管，电容场效应管包括第一有源区07、第一栅极、第一电源导线和接地导线04；第一有源区07与第一电源导线连接，第一栅极与接地导线04连接。
61.上述实施例通过电容场效应管的设置分担场效应管单元02的电荷，平抑瞬时电压波动。
62.请参见图1-图6，在一些实施例中，场效应管单元02包括工作场效应管；工作场效应管包括第二有源区、第二栅极、第二电源导线、输入导线05和输出导线06；第二有源区分别与第二电源导线和输出导线06连接，第二栅极与输入导线05连接。
63.具体地，通常工作场效应管共四极：源极、漏极、第二栅极和衬底09，源极和漏极都
在第二有源区中。在工作时，第二栅极对第二有源区施加电场，源极和漏极间形成导电沟道。
64.上述实施例通过输入导线05和输出导线06的连接，确保了场效应管单元02能够接收输入信号，实现对输入信号的放大的工作效果并输出。
65.请参见图1-图6，在一些实施例中，相邻的电容场效应管和工作场效应管中，第一电源导线和第二电源导线为同一根电源导线03。
66.具体地，当第一数量为4，第二数量为2时，相邻电容场效应管与电容场效应管之间、相邻的电容场效应管与工作场效应管之间的电源导线03是同一条。
67.上述实施例节省了电源导线03的数量，减小了电源电阻，间接缓解了场效应管的电压降。
68.请参见图1和图2，在一些实施例中，当场效应管单元02为金属-氧化物半导体场效应晶体管时，第一电源导线和第二电源导线上均设有若干个接触孔08；第一电源导线通过若干个接触孔08与第一有源区07连接，第二电源导线通过若干个接触孔08与第二有源区连接。
69.上述实施例通过在第一电源导线和第二电源导线上增加接触孔08，可以使在先进芯片制作工艺下的场效应管进一步减小电源电阻，缓解电压降。
70.请参见图2和图4，在一些实施例中，该版图结构还包括衬底09；该版图结构中的第一电源导线、第二电源导线、接地导线04、输入导线05和输出导线06均设置于衬底09之上。
71.上述实施例将各导线设于衬底09之上，通过衬底09起到了物理支撑、导热及导电作用。
72.请参见图5、图6和图7，在一些实施例中，本技术还提供了一种电荷均匀分布的场效应管版图结构的设计方法，该方法包括：
73.步骤s1，提供初始版图，初始版图包括相邻接的容性器件区和场效应管区；
74.步骤s2，根据第一预设规则对容性器件区进行拆分，得到第一数量的容性器件单元；
75.步骤s3，根据第二预设规则对场效应管区进行拆分，得到第二数量的场效应管单元；
76.步骤s4，将第一数量的容性器件单元和第二数量的场效应管单元以叉指状方式进行拼接，得到目标版图。具体地，第一预设规则和第二预设规则由用户指定，用户可以根据实际需要选择容性器件单元和场效应管单元的划分方式。
77.上述实施例提供的一种电荷均匀分布的场效应管版图结构的设计方法，通过将拆分的容性器件单元和场效应管单元以叉指状方式并排设置，能够在利用容性器件单元平抑电压波动、缓解场效应管电压降的同时，保证场效应管单元中的电荷分布均匀，避免了容性器件单元全部设置在场效应管单元的一侧导致场效应管单元中电荷分布不均匀的情况；并且叉指状方式的设置可以适用于任何尺寸的芯片制作工艺，不受芯片制作工艺尺寸制约。
78.以容性器件单元01和场效应管单元02均为mosfet说明本技术的一种电荷均匀分布的场效应管版图结构及其设计方法的实现过程：在芯片中，mosfet是常见的器件，电源通过导线供电到mosfet时，由于导线寄生的电阻电容，将不可避免产生电压降的问题。
79.如果某个mosfet器件上的电压降过大，就会影响该mosfet的正常工作，可能导致
整个芯片失效。所以一般会通过电压降仿真，将mosfet电压降控制在一个可以接受的范围内。
80.由公式(电压＝电流*电阻)可知，通常控制电压降的方法有：
81.a.当mosfet器件电流由于设计需要已经较大，可以通过加宽导线或增加接触孔的方法来减小电阻，从而达到减小电压降的目的，如图8所示。
82.b.由于mosfet上的电流是一个随时间变化的曲线，一般只有在电流波峰时，电压降才会比较严重。所以可以在mosfet所在的场效应管区附近放一个容性器件区，连接在电源线上，增加mosfet附近的电荷容量，用以缓解瞬时的电压下降，如图9所示。
83.当进入芯片先进工艺制程后，电压降问题变得愈发严重，而且由于工艺规则的限制，mosfet上导线的宽度和间距已不能随意加减，必须按照固定的宽度和间距放置，这导致方法a无法单纯依靠加宽导线来实现，而方法b又有着电源存储电荷分布不均匀的问题。
84.因此，基于上述问题，针对芯片先进工艺制程下控制mosfet电压降的目的，本技术将用来增加电源电荷的mosfet电容以叉指状方式拼接在工作mosfet周围，如图5和图6所示，兼顾方法a、b的优点，在同等版图面积下，既如前述方法a减小了电源侧导线电阻，又如方法b增加了同等容量的电源侧电荷，同时避免了方法b中电源存储电荷容量分布不均的问题。同时既减小了电源电阻、也保证了电源上的电荷容量，平抑了工作时的瞬时电压波动。
85.本技术的版图结构同时适用于finfet工艺，当容性器件单元01和场效应管单元02为finfet时，本技术的版图结构不变，区别只是finfet自身工艺所造成的版图区别。如图3和图4，finfet工艺下，整个场效应管版图结构的三维结构和mosfet是不一样的，变成了鳍型。可以理解为第一层金属下的接触孔不需要了。图3为finfet中单一芯轴的前视图(每个finfet都会由多条芯轴组成)。如图5-图6所示，当容性器件单元01和场效应管单元02均为mosfet时，在各电源导线03上设有接触孔08、并且容性器件单元01邻接于场效应管单元02右侧的情况下，将容性器件单元01和场效应管单元02分别按拆分线进行拆分，得到2个场效应管单元02和4个容性器件单元01；然后采用叉指状方式对其进行拼接，相邻的电源导线合并为一条，得到本技术的一种电荷均匀分布的场效应管版图结构。
86.在本技术的场效应管版图结构下，当几个同为mosfet的场效应管单元02串联在一起时，上一级的mosfet的漏极就会是下一级mosfet的源极。
87.根据实际电流情况或版图面积要求，场效应管中的容性器件单元01的数量会有变化，此时，就需要调整第一数量和第二数量的比例。比如，若某实施例中的容性器件单元01和场效应管单元02的数量比例为1:1，在版图上交错放置，就为2个容性器件单元01夹2个场效应管单元02。而当电流峰值较大时，就可能需要增加此实施例中的容性器件单元01的第一数量，此时n:1的比例就可能变为2:1或其它，这时此实施例中的容性器件单元01和场效应管单元02就会变成4个容性器件单元01夹2个场效应管单元02；以此类推，反之亦然。
88.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种电荷均匀分布的场效应管版图结构，其特征在于，所述版图结构包括第一数量的容性器件单元和第二数量的场效应管单元；所述容性器件单元与所述场效应管单元以叉指状方式并排设置。2.根据权利要求1所述的版图结构，其特征在于，所述场效应管单元包括金属-氧化物半导体场效应晶体管和鳍式场效应晶体管。3.根据权利要求2所述的版图结构，其特征在于，所述第一数量和所述第二数量的比例为n:1，所述n包括1-5的任意整数。4.根据权利要求3所述的版图结构，其特征在于，当所述第一数量为4，所述第二数量为2时，所述版图结构从左至右依次为：第一容性器件单元、第一场效应管单元、第二容性器件单元、第三容性器件单元、第二场效应管单元、第四容性器件单元；所述第一容性器件单元、所述第二容性器件单元、所述第三容性器件单元和所述第四容性器件单元的结构均相同；所述第一场效应管单元和所述第二场效应管单元的结构相同。5.根据权利要求4所述的版图结构，其特征在于，所述容性器件单元包括电容场效应管，所述电容场效应管包括第一有源区、第一栅极、第一电源导线和接地导线；所述第一有源区与所述第一电源导线连接，所述第一栅极与所述接地导线连接。6.根据权利要求5所述的版图结构，其特征在于，所述场效应管单元包括工作场效应管；所述工作场效应管包括第二有源区、第二栅极、第二电源导线、输入导线和输出导线；所述第二有源区分别与所述第二电源导线和所述输出导线连接，所述第二栅极与所述输入导线连接。7.根据权利要求6所述的版图结构，其特征在于，相邻的所述电容场效应管和所述工作场效应管中，所述第一电源导线和所述第二电源导线为同一根电源导线。8.根据权利要求7所述的版图结构，其特征在于，当所述场效应管单元为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管时，所述第一电源导线和所述第二电源导线上均设有若干个接触孔；所述第一电源导线通过若干个所述接触孔与所述第一有源区连接，所述第二电源导线通过若干个所述接触孔与所述第二有源区连接。9.根据权利要求7所述的版图结构，其特征在于，所述版图结构还包括衬底；所述版图结构中的所述第一电源导线、所述第二电源导线、所述接地导线、所述输入导线和所述输出导线均设置于所述衬底之上。10.一种电荷均匀分布的场效应管版图结构的设计方法，其特征在于，所述方法包括：提供初始版图，所述初始版图包括相邻接的容性器件区和场效应管区；根据第一预设规则对所述容性器件区进行拆分，得到第一数量的容性器件单元；根据第二预设规则对所述场效应管区进行拆分，得到第二数量的场效应管单元；将所述第一数量的所述容性器件单元和所述第二数量的所述场效应管单元以叉指状方式进行拼接，得到目标版图。

技术总结
本申请属于半导体集成电路技术领域，公开了一种电荷均匀分布的场效应管版图结构及其设计方法，该版图结构包括第一数量的容性器件单元和第二数量的场效应管单元；容性器件单元与场效应管单元以叉指状方式并排设置。本申请能够保证场效应管中的电荷分布均匀，避免了容性器件单元单独设置在场效应管的一侧导致场效应管单元中电荷分布不均匀的情况。并且可以适用于任何尺寸的芯片制作工艺，不受芯片制作工艺尺寸的制约。工艺尺寸的制约。工艺尺寸的制约。


技术研发人员：景画 朱洋洋 顾晨超
受保护的技术使用者：合芯科技（苏州）有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/24