科普：MOM，MIM和MOS电容有何区别？

在模拟IC电路设计中，会经常使用到电容。芯片内部的电容一般使用金属当作上下基板，但是这种金属电容缺点是消耗面积太大。为了作为替代，在一些对电容要求不是很高的电路中，有人想到了使用MOS管。

对于CMOS工艺，集成电容一般有MIM, MOM和MOS电容三类。MIM和MOM电容二端都是金属，线性度较高，可用于OPA补偿电容等，MOS电容一般需要一端接地或电源，且线性度差，一般做大电容滤波使用。

关于MIM电容

MIM电容（Metal-Insulator-Metal）：MIM电容相当于一个平行板电容，最顶层二层金属间距较大，形成的电容容值很小，MIM电容一般由最顶层二层金属和中间特殊的金属层构成，MIM电容结构如下，CTM和Mt-1中间的介质层比较薄，形成的电容密度较高，且在顶层，寄生较小，精度高。

MIM电容主要利用不同层金属和他们之间的介质形成电容。

MIM结构

MIM电容的优点：可以利用Via和特殊工艺分别将奇数层连接（M9, M7, M5）和偶数层 (M8，M6, M4)连接，这样可以增加单位面积电容。

MIM电容的缺点：在65nm工艺下，即便用上9层金属和Poly去构建MIM，其单位面积电容也只有（1.4fF/微米平方），而寄生电容Cp可以达到总电容的10%。

关于MOM电容

MOM电容（Metal-Oxide-Metal）：MOM电容一般是金属连线形成的插指电容，结构如下，随着工艺技术的进步，金属线可以靠的更近，同时会有很多金属层可以用，因此这种结构的电容密度在先进工艺下会较大，使用更多。

与MIM电容不同，MOM电容是主要利用同层金属的插指结构来构建电容。

MOM结构

MOM电容的优点：

-高单位电容值

-低寄生电容

-对称平面结构

-优良RF特性

-优良匹配特性

-兼容金属线工序，无需增加额外工序

在先进CMOS制程中，MOM电容已经成为最主要的电容结构。在28nm工艺中，固定电容只有唯一的MOM形式。

关于MOS电容

MOS晶体管的栅电容可以实现较高的电容密度，但容值会随着栅电压的不同会变化，具有较大的非线性，栅压的不同，晶体管可工作在积累区，耗尽区和反型区。反型区栅氧层下形成大量的反型少子，积累区则形成大量多子，在这二个区，MOS结构类似于平行板电容，容值近似等于栅氧电容Cox，如图所示，是MOS晶体管随栅压变化容值图，为了得到较好的线性度，需MOS电容要工作在反型区，即Vgs>Vth。

MOS容值随栅压的变化

MOS电容是晶体管的重要组成部分，与PN结相同，MOS电容也拥有两个端口。

物理结构

MOS电容可以分为三层，上层是金属制成的栅电极(gate)，下层是半导体制成的基极(substrate)，中间层填充了氧化物，通常为SiO2。它只有 gate 和 substrate 两个端口，示意图如下：

P型半导体的MOS电容结构：顶端的金属，称为门极，相对于基底的P型半导体施加负向偏置电压。门极的金属端将聚集负电荷，同时呈现出如下图中箭头所示方向的电场。

PMOS电容

N型半导体形成的MOS电容机制与P型半导体相类似。下图是N型半导体MOS电容的结构示意图，在门级施加正向偏置电压时，在门级产生正电荷，感应产生出相应的电场；同时在氧化物-半导体界面处产生电子聚集层。

NMOS电容

某些工艺下，为了避免反型，专门的MOS管构成MOS电容，会将NMOS管放在n阱，即当栅压为0时候，MOS管已经开启了，阈值电压Vth接近为0，当Vgs>0时候电容值趋于稳定，这种结构称为积累型MOS电容，常称为native MOS，下图是这种类型电容结构。

积累型MOS电容结构

MOS管电容的原理

MOS管形成电容的主要原理，就是利用gate与沟道之间的栅氧作为绝缘介质，gate作为上极板，源漏和衬底三端短接一起组成下极板。

它的源漏和沉底连到一起到地，gate上有一个电压源。

当gate的电源大到一定程度，超过阈值电压Vth，会引起源漏之间出现反型层，即沟道形成，这样栅氧就充当了gate与沟道之间的绝缘介质，一个电容就形成了。

这个电容的单位面积大小，与栅氧的厚度和介电常数有关。如果gate电压是个比地还低的电压，这个时候源漏之间的N型沟道不能形成，但是却会使P型衬底的空穴在栅氧下方累积。

如此一来，gate与衬底之间仍然会形成电容，此时的绝缘介质仍是栅氧，所以此时与形成沟道时的电容大小几无二致。

如果gate电压处在一个不尴不尬的位置，既不能使源漏之间形成沟道，也不能使P型衬底的空穴在上方积累。此时可以认为，栅氧下方会形成一个空间电荷区，这个空间电荷区是电子与空穴结合后形成的区域，所以它不带电，是一个“绝缘体”。

由此，你应该清楚了，这个“绝缘体”会与栅氧这个绝缘体相叠加，导致等效的绝缘介质厚度增加，所以电容值随之下降。

MOS电容的优缺点：

MOS电容主要的优势就是节省面积、方便；缺点则是，MOS电容其实是个“压控电容”，当上下两个极板的压差发生变化，容值也会跟着改变，这在要求高精度的电路中，几乎是致命的。在微弱信号采集的前端模拟电路中，MOS电容并不适用。

MIM、MOM、MOS电容的比较

MOS电容：两端结构的mos管，电容值不精确，可以实现随控制电压变化而变化的容值，上下极板接法不可互换。

MOM电容：finger 插指电容，即利用同层metal边沿之间的C。为了省面积，可以多层metal叠加，PDK中metal层数可以选择。一般只在多层金属的先进制程上使用，因为是通过多层布线的版图来实现的，但得到的电容值确定性和稳定性不如MIM，一般可能会用在那种对电容值要求不高，只是用到相对比值之类的应用。上下极板接法可互换。

MIM电容：类似于平板电容，电容值较精确，电容值不会随偏压变化而变化，一般制程上用mTOP l & mTOP -1 来做，电容值可以用上级板面积*单位容值来进行估算，上下极板接法不可互换，一般用于analog，RF工艺。

相同面积的三个电容，电容值 MIM

MOM电容优势在于不需要额外mask，MIM需要额外mask和工艺才能实现。

 

额外再介绍下Poly-to-Poly电容。

Poly-to-Poly电容

要实现Poly-to-Poly电容，必须有两层Poly的CMOS结构。

缺点：两层poly工艺，单位面积电容值小，底层poly和P-sub之间会形成大的寄生电容。

目前使用Poly-to-Poly电容的已经不多。

 

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　　审核编辑：汤梓红