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ANSYS 部落格

November 3, 2023

MOM、MIM 與 MOS 電容的差異

從最基本的原理來看，所有電容都是透過由介電材料 (絕緣材料) 隔開的導電體 (平板) 來儲存能量。當一個平板帶有正電，而另一個帶有負電時，該電容即儲存了電荷。電容的種類繁多、用途廣泛 — 從在數位電路中儲存電腦記憶體，到過濾電子訊號中的雜訊，再到保護電路某部分不受另一部分影響等。

讓我們來看看三種常見的類比積體電路電容：金屬 - 氧化物 - 金屬 (MOM)、金屬 - 絕緣體 - 金屬(MIM)，以及金屬 - 氧化物 - 半導體(MOS)電容。

什麼是金屬 - 氧化物 - 金屬 (MOM) 電容？

金屬 - 氧化物 - 金屬 (MOM) 電容是用於晶片中的多功能小型元件。這些電容由金屬層構成，為指叉狀 (如雙手十指緊扣般) 的多指電容。標準金屬線路 (以及可選的通孔，即線路板上的電鍍通孔) 會用於構成電容的平板，而板與板之間的側向 (同層內) 電容耦合效應則產生所需的電容。

相較於垂直耦合，這種側向電容耦合可提供更優異的匹配特性，主要是因為側向尺寸的改良製程控制有別於金屬與電介質層厚度。為了提升電容密度，可使用通孔將多層金屬層以並聯方式連接，形成垂直金屬牆或金屬網。MOM 電容通常採用最低金屬層 (如 M1 至 M5)，這些層具有最小的金屬線寬與間距，以最大化電容密度。

MOM capacitor structures

金屬 - 氧化物 - 金屬電容的結構

金屬 - 氧化物 - 金屬電容的優勢

  • 成本低廉
  • 高電容密度
  • 優異的射頻 (RF) 特性
  • 優異的匹配特性
  • 無需額外的遮罩層
  • 對稱的平面結構

金屬 - 氧化物 - 金屬電容的缺點

  • 中等的底板寄生效應
  • 低密度
  • 串聯電感與電阻較高
  • 低崩潰電壓

金屬 - 氧化物 - 金屬電容的應用

  • 高速積體電路 (IC)
  • 微電子
  • 射頻與類比應用
  • 振盪器電路

什麼是金屬 - 絕緣體 - 金屬 (MIM) 電容？

金屬 - 絕緣體 - 金屬 (MIM) 電容是另一種具備獨特優勢的精巧電容。它們類似平行板電容，金屬板 (電極) 由一層絕緣材料 (介電材料) 隔開。這類電容因每單位面積都具有高電容而獲廣泛應用。為了進一步提升電容值，MIM 電容通常採用三層金屬板構成，包含兩層標準製程的金屬層 (通常位於最上層) 與中間的一層特殊金屬層。這種特殊排列方式能使 MIM 電容實現更高的電容密度，同時保持其絕緣介電材料所帶來的穩定性能與低漏電優勢。

MIM_MOM_MOS Graphics

金屬 - 絕緣體 - 金屬電容的結構

金屬 - 絕緣體 - 金屬電容的優點

  • 穩定的電容
  • 每單位面積都具有高電容
  • 良好的品質因數
  • 良好的線性

金屬 - 絕緣體 - 金屬電容的缺點

  • 需要特殊製程才能製成遮罩層
  • 成本較高

金屬 - 絕緣體 - 金屬電容的應用

什麼是金屬 - 氧化物 - 半導體 (MOS) 電容？

金屬 - 氧化物 - 半導體 (MOS) 電容本質上是將電晶體作為電容使用，其閘極為電容的頂板、汲極與源極的連接構成底板，閘極的薄氧化層則為絕緣層。MOS 電容本身並不是被廣泛單獨使用的元件。然而，它是 MOS 電晶體 (金屬 - 氧化物 - 半導體場效電晶體，簡稱 MOSFET) 的一部分。

MOS 電容的電容值取決於施加在閘極上的 DC 電壓。不同的電壓變化會改變閘極處的空乏區，進而影響介電特性並隨後修改電容。MOS 電容對於局部供電的去耦應用極為有用，此時 DC 電壓維持不變。

金屬 - 氧化物 - 半導體電容的優點

  • 相較於 MIM 電容，每單位面積具有更高的電容
  • 閘極處的絕緣體 (SiO2) 較薄

金屬 - 氧化物 - 半導體電容的缺點

  • 電容會出現明顯變化，且電壓會限制其使用量
  • 底板的寄生電阻會影響效能

金屬 - 氧化物 - 半導體電容的應用

  • IC
  • 類比電路
  • 電壓參考電路
  • 可調式濾波器
MIM_MOM_MOS Graphics

P 型半導體金屬 - 氧化物 - 半導體電容

MOM、MIM 與 MOS 電容比較

屬性

MOM

MIM

MOS

結構

同層指叉狀結構，具有氧化電介質層

由兩層或以上的金屬板以絕緣材料 (如氮化矽、五氧化二鉭) 隔開。

金屬閘極、氧化絕緣層與半導體基板

介電材料

金屬氧化物 (如 SiO2、Al2O3)

絕緣體 (如 Si3N4 或 Ta2O5)

絕緣體 (SiO2)

電容密度

高

中等到高

中等到高

電容隨電壓變化

低

低

高

對溫度的敏感度

略為敏感

中等敏感

略為敏感

製程

相對簡單

較為複雜

 標準製程

寄生效應

高

低

高 (主要來自底板)

應用領域

積體電路、微電子、類比與射頻電路

積體電路、記憶體模組、類比與射頻電路

積體電路、MOSFET、感應器、類比應用

使用模擬進行電容萃取

MOM 電容具有尺寸較大且包含許多超薄指狀單元的複雜結構。這些電容極易被佈局依賴效應 (LDE) 造成的變形所影響。因此，精準建模 LDE 對於確保準確的 MOM 電容模型計算至關重要。在整體佈局環境中建模 MOM 電容可幫助設計人員預測它們與其他電路間的電容耦合，這對於敏感應用至關重要。然而，使用傳統的電磁 (EM) 求解器，並不一定能達成這種程度的準確度。因此，設計人員通常會將 MOM 電容視為離散元件，並直接將其模型連接至測試台。

MIM 電容的製造難度較高，因其製程中需額外的遮罩層。在技術檔案中會導入特定 MIM 層，來定義與設計 MIM 電容。在完整佈局環境中建模整體 MIM 結構，對於預測電容準確度至關重要。

MOM 與 MIM 電容在積體電路中被廣泛應用，特別是在射頻與類比應用中。使用模擬軟體準確建模這些電容，以實現電容準確度和佈局方面的匹配要求，這點至關重要。Ansys RaptorH 可萃取佈局中所有被動元件與任意佈線 (無論已成熟或仍在開發) 的電磁模型。這類元件可能包含平面 (實心或穿孔)、傳輸線、螺旋電感器，以及 MIM/MOM 電容，並可與高速/高頻佈線一起萃取，以計算完整耦合的電磁模型。這也包括自動化帶來的附加優勢，可輕鬆快速地設定電磁萃取執行。

若要實現成功的 IC 設計，使用先進模擬軟體以高準確度的方式建模這些電容至關重要。深入瞭解 Ansys RaptorH。