Welche Kondensatoren gibt es im Chipdesign?

MIM- (Metal-Insulator-Metal) und MOM- (Metal-Oxide-Metal) Kondensatoren sind beide Metall-Metall-Kondensatoren.

Bei MIM-Kondensatoren werden Metallplatten übereinander gestapelt und durch eine (dünne) Schicht aus Siliziumoxid getrennt. Normalerweise wird dieses dünne Oxid in einem speziellen Verarbeitungsschritt hergestellt, da das "normale" Oxid zwischen Metallschichten viel dicker ist (aus Gründen der Robustheit), was zu einer viel geringeren Kapazität pro Fläche führen würde. Ich habe gesehen, dass MIM-Kappen etwa 1-2 Femto-Farad pro Quadratmikrometer liefern.

Die meisten MIM-Kondensatoren verwenden Metall 5 als Bodenplatte, eine dünne Oxidschicht und dann ein "Metall-MIM" als obere Platte, das dann mit Durchkontaktierungen mit Metall 6 verbunden wird, das die verwendbare Verbindung der oberen Platte darstellt. Direkte Verbindungen zum „Metal MIM“ sind nicht erlaubt.

Ich habe auch "Dual-MIM"-Strukturen gesehen, bei denen sich eine zweite dünne Oxidschicht auf der Oberseite des "Metal MIM" befindet, die (über Metall 6) mit der Bodenplatte aus Metall 5 verbunden ist. Dies kann die Dichte einer MIM-Kappe fast verdoppeln.

Ein anderer Kondensatortyp ist der Fringe-Kondensator, der nur eine Metallschicht verwendet. Dieser Kondensator beruht auf der Randkapazität (Seitenkapazität). Eine Draufsicht würde so aussehen:

MOM-Kondensatoren bestehen aus gestapelten Randkondensatoren:

Von diesen dreien bietet die MIM-Kappe meiner Erfahrung nach die höchste Kapazität pro Fläche.

Das fasst die Metallkondensatoren zusammen , die:

• kann für eine große Obergrenze ziemlich genaue Werte haben. Toleranz kann 1% betragen

• die Kapazität ist unabhängig von der Spannung, dh diese Kappen sind sehr linear.

• Oft können Sie diese Kappen auf andere Schaltkreise legen, da sie nur aus Metall bestehen.

• Sie können ziemlich viel Fläche einnehmen.

• Für die MIM-Kappe (mit dem dünnen Oxid) gibt es oft spezielle Konstruktionsregeln, um ESD- und Fertigungsschäden zu vermeiden.

Andere Kondensatortypen sind die nichtmetallischen:

MOS-Kondensatoren: Diese sind oft wie ein PMOS, bei dem das Gate die obere Platte und die Drain/Source-Verbindungen die untere Platte sind. Der Wert des MOS-Kondensators ist stark abhängig von der angelegten Gleichspannung!

Kondensatoren auf Diodenbasis: Dies sind im Grunde Varicaps, da sich ihre Kapazität mit der Gleichspannung ändert.

Diese beiden Kappen sind nichtlinear, da sich ihre Kapazität mit der angelegten DC-Vorspannung ändert (im Gegensatz zu den Metallkappen, die nicht darunter leiden).

Ihre Dichte kann höher sein als eine MIM-Kappe, vorausgesetzt, Sie stellen diese Kondensatoren auf die richtige Spannung vor. Zur Ortsnetzentkopplung (wo die Gleichspannung sowieso konstant ist) ist vor allem der MOS-Kondensator durchaus sinnvoll.

MIM ist ein Metall-Isolator-Metall-Kondensator, benötigt also zwei parallele Metallschichten und hat eine hohe$\kappa$Dielektrikum zwischen ihnen. Ein MOM-Kondensator ist Metall-Oxid-Metall und wird normalerweise hergestellt, indem Metalle mit dem Prozessoxid (SiO$_2$, aber es könnte SiN usw. sein). Das sind wirklich die einzigen zwei Typen, die beim IC-Design verwendet werden können.

Vorteil der MIM-Kappen sind die höhere Kapazität pro Flächeneinheit, sie erfordern jedoch mehr Prozessschritte zur Herstellung. Umgekehrt haben MOM-Kappen eine geringere Kapazität pro Flächeneinheit, können aber ohne spezielle Schritte hergestellt werden, da es sich um einen Back-End-of-Line-Prozess handelt. Mit Nanometer-Prozessen können MOM-Kappen jedoch genauso platzsparend sein wie MIM-Kappen, da mehr Ziffern hineinpassen.