Quais capacitores estão disponíveis no design de chips?

Já ouvi falar de tampas MIM e MOM no design de chips; Quais são as diferenças entre eles? Quais outros tipos de capacitores estão disponíveis para os projetistas de chips? Quais são as vantagens e desvantagens relativas entre os tipos?

Os capacitores MIM (Metal-Isolador-Metal) e MOM (Metal-Óxido-Metal) são capacitores de metal para metal.

Nos capacitores MIM, as placas de metal são empilhadas umas sobre as outras e separadas por uma camada (fina) de óxido de silício. Normalmente, esse óxido fino é produzido em uma etapa de processamento especial, pois o óxido "normal" entre as camadas de metal é muito mais espesso (por robustez), o que resultaria em muito menos capacitância por área. Eu vi as tampas MIM fornecerem cerca de 1-2 Farads de femto por micrômetro quadrado.

A maioria dos capacitores MIM usa Metal 5 como placa inferior, uma fina camada de óxido e, em seguida, um "Metal MIM" como placa superior, que é então conectada às vias do Metal 6, que será a conexão da placa superior utilizável. Conexões diretas ao "Metal MIM" não são permitidas.

Também vi estruturas "dual MIM", onde existe uma segunda camada fina de óxido no topo do "Metal MIM" que se conecta (via Metal 6) à placa inferior do Metal 5. Isso pode quase dobrar a densidade de um limite MIM.

Outro tipo de capacitor é o capacitor Fringe, que usa apenas uma camada de metal. Esse capacitor depende da capacitância da franja (capacitância lateral). Uma vista superior seria semelhante a:

Os capacitores MOM são compostos por capacitores de franja empilhados:

Desses três, o limite MIM oferece a maior capacitância por área em minha experiência.

Isso resume os capacitores de metal que:

• pode ter valores bastante precisos, para uma tampa grande. tolerância pode ser de 1%

• a capacitância é independente da tensão, em outras palavras, essas tampas são muito lineares.

• frequentemente você pode colocar essas tampas em cima de outros circuitos, pois são apenas de metal.

• eles podem ocupar bastante área.

• Para a tampa do MIM (com o óxido fino) Muitas vezes, existem regras de design especiais para evitar ESD e danos à fabricação.

Outros tipos de capacitores são os não metálicos:

Capacitores MOS: geralmente são como um PMOS, onde o portão é a placa superior e as conexões Drain / Source são a placa inferior. O valor do capacitor MOS depende muito da tensão CC aplicada!

Capacitores baseados em diodo: são basicamente varicaps, pois sua capacitância muda com a tensão DC.

Ambas as tampas são não lineares, pois sua capacitância muda com a tensão de polarização CC aplicada (em oposição às tampas de metal que não sofrem com isso).

Sua densidade pode ser maior do que uma tampa MIM, desde que você polarize esses capacitores na tensão certa. Para desacoplamento da fonte local (onde a tensão CC é constante de qualquer maneira), especialmente o capacitor MOS é bastante útil.

O MIM é um capacitor metal-isolador-metal, portanto, ele precisa de duas camadas paralelas de metal e possui uma alta$\kappa$dielétrico entre eles. Um capacitor MOM é óxido de metal e geralmente é produzido pela interdigiação de metais com o óxido de processo (SiO$_2$, por exemplo, mas poderia ser SiN etc). Esses são realmente os únicos dois tipos que podem ser usados ​​no design de IC.

A vantagem dos limites MIM é a maior capacitância por unidade de área, mas eles exigem mais etapas do processo para serem executadas. Por outro lado, os limites do MOM têm menor capacitância por unidade de área, mas podem ser feitos sem etapas específicas, pois é um processo de back-end da linha. No entanto, com processos nanométricos, os limites do MOM podem ser tão eficientes em espaço quanto os limites do MIM, na medida em que você pode ajustar mais dígitos.