Ansys博客
November 3, 2023
MOM、MIM和MOS电容器之间的区别
从最基本的层面讲，所有电容器都是通过由介电（绝缘）材料隔开的电导体（极板）来储存能量的。当一个极板接收到正电荷，而另一个极板接收到负电荷时，电容器就储存了电荷。电容器种类繁多，用途各异，包括从在数字电路中存储计算机内存，到过滤电子信号中的噪声，再到保护电路的一部分免受另一部分的影响等。
让我们来了解三种常见的模拟集成电路电容器：金属-氧化物-金属（MOM）、金属-绝缘体-金属（MIM）和金属-氧化物-半导体（MOS）电容器。
什么是金属-氧化物-金属（MOM）电容器？
金属-氧化物-金属（MOM）电容器是芯片中的小型多功能器件。它们是由金属层构成的交叉指型（就像两只手十指相扣那样）结构的多指型电容器。标准金属布线（以及可选的过孔——布线电路板上的镀通孔）被用来构成电容器的极板，极板之间的横向（层内）电容耦合效应可产生所需的电容。
与垂直耦合相比，这种横向电容耦合可提供更出色的匹配特性，主要是由于横向尺寸的工艺控制更为精准，不像金属层和介电层厚度那样难以控制。为了提高电容密度，可以使用过孔并联多个金属层，形成垂直金属壁或网格。通常，会在MOM电容器中采用金属线宽和间距最小的最底层金属层（如M1–M5），以最大限度地提高电容密度。
金属-氧化物-金属电容器结构
金属-氧化物-金属电容器的优势
- 成本低
- 电容密度高
- 出色的射频（RF）特性
- 出色的匹配特性
- 无需额外的掩膜层
- 对称平面结构
金属-氧化物-金属电容器的缺点
- 下极板寄生效应适中
- 密度低
- 串联电感和电阻较高
- 击穿电压低
金属-氧化物-金属电容器的应用
- 高速集成电路（IC）
- 微电子
- RF和模拟应用
- 振荡电路
什么是金属-绝缘体-金属（MIM）电容器？
金属-绝缘体-金属（MIM）电容器是另一类具有明显优势的紧凑型电容器。它们类似于平行板电容器，其中金属板（电极）由绝缘材料（介电）隔开。这类电容器具有较高的单位面积电容，因此得到了广泛应用。为了进一步提高电容值，MIM电容器通常由三块板构成，其中两层是标准制造工艺的金属层（通常是最上层），中间是一个特殊金属层。这种独特的布局使MIM电容器能够实现更高的电容密度，同时保持绝缘介电材料的稳定性能和低漏电优势。
金属-绝缘体-金属电容器结构
金属-绝缘体-金属电容器的优势
- 稳定的电容
- 单位面积电容高
- 良好的品质因数
- 良好的线性特性
金属-绝缘体-金属电容器的缺点
- 需要特殊工艺来创建掩膜层
- 成本更高
金属-绝缘体-金属电容器的应用
- 集成电路（IC）
- 存储器模块
- RF和微波器件
- 光电探测器
什么是金属-氧化物-半导体（MOS）电容器？
金属-氧化物-半导体（MOS）电容器本质上是一种用作电容器的晶体管，其中栅极是电容器的上极板，漏极和源极连接构成下极板，而栅极的薄氧化层是绝缘层。MOS电容器本身并不是一种广泛使用的器件，不过，它是MOS晶体管（金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称MOSFET）的组成部分。
MOS电容器的电容值取决于施加在栅极上的直流电压。变化的电压会改变栅极的耗尽区，从而改变介电属性，进而改变电容。MOS电容器在本地电源去耦应用中尤其有用，在这种应用中，直流电压保持恒定。
金属-氧化物-半导体电容器的优势
- 与MIM电容器相比，单位面积电容更高
- 栅极绝缘体（SiO2）更薄
金属-氧化物-半导体电容器的缺点
- 电容变化显著，限制了其工作电压范围
- 下极板的寄生电阻会影响性能
金属-氧化物-半导体电容器的应用
- IC
- 模拟电路
- 电压参考电路
- 可调滤波器
P型半导体金属-氧化物-半导体电容器
MOM、MIM和MOS比较
属性 | MOM | MIM | MOS |
结构 | 同层叉指结构，具有氧化物介电层 | 由绝缘材料（例如氮化硅、五氧化二钽）隔开的两块或多块金属板。 | 金属栅电极、氧化物绝缘层和半导体基板 |
介电材料 | 金属氧化物（例如SiO2、Al2O3） | 绝缘体（例如Si3N4或Ta2O5） | 绝缘体（SiO2） |
电容密度 | 高 | 中到高 | 中到高 |
电压变化对电容的影响 | 低 | 低 | 高 |
对温度的敏感性 | 轻微敏感 | 中等敏感 | 轻微敏感 |
制造工艺 | 相对简单 | 更复杂 | 标准工艺 |
寄生效应 | 高 | 低 | 高（主要在下极板处） |
应用 | 集成电路、微电子、模拟和RF电路 | 集成电路、存储器模块、模拟和RF电路 | 集成电路、MOSFET、传感器、模拟应用 |
利用仿真提取电容
MOM电容器是一种复杂的结构，其体积相当大，由许多超薄“手指”结构组成。这些电容器极易受到布局相关效应（LDE）的影响而变形。因此，必须对LDE进行精确建模，以确保计算出MOM电容器的准确模型。在整体布局环境中对MOM电容器进行建模，使设计人员能够预测它们与电路其余部分之间的电容耦合，这对于敏感应用至关重要。然而，使用传统的电磁（EM）求解器并不总能实现这种精度水平。因此，设计人员通常选择将MOM电容器视为分立组件，并将其模型直接连接到测试台进行仿真。
制造MIM电容器是一项更大的挑战，因为在制造过程中需要额外的掩膜层。技术文件中会引入专用的MIM层，以定义和设计MIM电容器。在完整布局环境中对完整的MIM结构进行建模，对于预测电容精度至关重要。
MOM和MIM电容器广泛应用于集成电路，尤其是RF和模拟应用，而使用仿真软件对这些电容器进行准确建模，对于确保电容精度和满足布局方面的匹配要求至关重要。Ansys RaptorH能够提取所有无源器件以及任意布线布局（无论是成熟设计还是正在开发中的布局）的电磁模型。这些组件可以是平面（实心的或者带孔的）、传输线、螺旋电感器和MIM/MOM电容器，它们可以与高速/高频布线一起提取，以计算全耦合电磁模型。此外，凭借自动化的额外优势，使电磁提取任务的设置变得非常简单且快速。
综上所述，对于成功的IC设计而言，使用先进的仿真软件对这些电容器进行高精度建模至关重要。进一步了解Ansys RaptorH。