一种多电压区域衬底偏置结构

技术领域

本申请涉及芯片设计技术领域，尤其涉及一种多电压区域衬底偏置结构。

背景技术

随着芯片算力的提高，以及智能终端、物联网等飞速发展，对芯片功耗的要求也越来越高，而低功耗芯片设计也越来越彰显其重要的地位。在低功耗芯片设计中，多电压域设计是非常重要的一部分。不同的电压域经常会需要不同的衬底电压偏置。如何合理地对不同电压区域准确提供衬底偏置电压也成为了低功耗芯片设计中重要的一环。

衬底接触单元(well tap cell)是一种特殊的物理单元，被用于将衬底连接至电源和地网络，实现衬底偏置，防止CMOS期间出现闩锁效应(latch-up)。在多电压域设计中，不同电压区域的衬底通过分布在各区域内的衬底接触单元连接到电源和地网络中。

如图1所示，两种不同电压区域中纵向排列的方块为衬底接触单元。图2为衬底接触单元示意图，将Nwell和Pwell分别接到power和ground网络。然而，不同电压区域衬底直接连接到本地电源地网络中，只适合于衬底偏置电压与本地供电电压相同的情况。无法独立改变衬底电压，不能满足一些需要提供特殊偏置电压的设计，适用性较差。

发明内容

本申请提供了一种多电压区域衬底偏置结构，能够满足不同电压区域特殊的衬底偏置需求。

本申请实施例提供了一种多电压区域衬底偏置结构，包括衬底零偏区域和衬底偏置区域；

衬底零偏区域和衬底偏置区域均包括多条接触单元阵列；

衬底零偏区域的各接触单元阵列中的衬底接触单元均连接到地网络；

衬底偏置区域的各接触单元阵列上均设有同相电源线和反相电源线，衬底偏置区域的各衬底接触单元根据自身属性与同相电源线或反相电源线连接；

电压产生模块通过同相电源线、反相电源线与多个传感器连接，并根据各传感器获取的环境参数调节同相电源线和反相电源线的电压。

进一步的，各衬底接触单元设于第一金属层之下，各同相电源线和各反相电源线设于第一金属层，各同相电源线和各反相电源线通过向下打孔与衬底偏置区域的各衬底接触单元连接；

电压产生模块和各传感器均设于第一金属层之下；电压产生模块和各传感器通过高层金属线向下打孔与第一金属层的各同相电源线和各反相电源线连接。

进一步的，各传感器均匀设置在衬底偏置区域的边缘，并通过向下打孔的高层金属线与距离最近的接触单元阵列上的同相电源线和反相电源线连接。

进一步的，传感器的数量为4个，衬底偏置区域为长方形，4个传感器分别设置在衬底偏置区域的4个顶点处。

进一步的，高层金属线为田字形排布；

横向排布的高层金属线位于第二金属层，纵向排布的高层金属线位于第三金属层；

第二金属层位于第一金属层之上，第三金属层位于第二金属层之上；

第三金属层的高层金属线通过向下打孔与第二金属层的高层金属线连接。

进一步的，高层金属线的数量是通过EDA工具根据预设电阻要求计算得到的。

进一步的，传感器的覆盖范围半径为3毫米，衬底偏置区域中各传感器的覆盖范围之和大于衬底偏置区域的面积。

进一步的，环境参数包括传感器所处位置的工艺角、供电电压、温度和衬底偏置电压。

进一步的，电压产生模块还用于在接收到环境参数后，确定环境参数在预设电压标准表格中对应的目标电压，并调整输出电压直到获取的衬底偏置电压等于目标电压。

进一步的，各接触单元阵列之间的间距是根据制作工艺和闩锁效应确定的。

综上，与现有技术相比，本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请实施例提供的一种多电压区域衬底偏置结构，采用两种特定的衬底接触单元，一种位于衬底零偏区域，直接与地网连接，实现衬底偏置电压为0；另一种位于衬底偏置区域，与同相电源线或反相电源线连接，通过与同相电源线和反相电源线连接的电压产生模块为衬底偏置区域的衬底接触单元提供偏置电压，同时电压产生模块还根据传感器的环境参数对提供的偏置电压进行调节，从而满足不同电压区域特殊的衬底偏置需求。

附图说明

图1为本申请一个示例性实施例提供的现有技术中衬底电压区域的示意图。

图2为本申请一个示例性实施例提供的现有技术中衬底接触单元的结构图。

图3为本申请一个示例性实施例提供的一种多电压区域衬底偏置结构的示意图。

图4为本申请一个示例性实施例提供的衬底零偏区域中衬底接触单元的结构图。

图5为本申请一个示例性实施例提供的衬底偏置区域中衬底接触单元的结构图。

图6为本申请一个示例性实施例提供的多层金属下器件连接方式的示意图。

附图标记说明：

01、电压产生模块；02、传感器；03、放置于衬底偏置区域的接触单元阵列；04、衬底零偏区域；05、放置于衬底零偏区域的接触单元阵列。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参见图3，本申请实施例提供了一种多电压区域衬底偏置结构，包括衬底零偏区域04和衬底偏置区域；衬底零偏区域04和衬底偏置区域均包括多条接触单元阵列。

其中，衬底零偏区域04可以以L型半包围在衬底偏置区域旁边。

请参见图4，衬底零偏区域04的各接触单元阵列05中的衬底接触单元均连接到地网络。

请参见图5，衬底偏置区域的各接触单元阵列03上均设有同相电源线和反相电源线，衬底偏置区域的各衬底接触单元根据自身属性与同相电源线或反相电源线连接。

具体地，同相电源线为Vp电源线，反相电源线为Vn电源线。衬底接触单元将Nwell连接到Vn电源线中，Pwell连接到和Vp电源线中，实现对衬底的加压偏置。

电压产生模块01通过同相电源线、反相电源线与多个传感器02连接，并根据各传感器02获取的环境参数调节同相电源线和反相电源线的电压。

其中，电压产生模块01和传感器02均设于衬底偏置区域中，传感器02用于感应衬底偏置区域的环境参数；环境参数包括传感器所处位置的工艺角、供电电压、温度和衬底偏置电压。

上述实施例提供的一种多电压区域衬底偏置结构，采用两种特定的衬底接触单元，一种位于衬底零偏区域，直接与地网连接，实现衬底偏置电压为0；另一种位于衬底偏置区域，与同相电源线或反相电源线连接，通过与同相电源线和反相电源线连接的电压产生模块为衬底偏置区域的衬底接触单元提供偏置电压，同时电压产生模块还根据传感器的环境参数对提供的偏置电压进行调节，从而满足不同电压区域特殊的衬底偏置需求，同时可实时感知衬底偏置区域内的衬底电压变化情况，并相应地调整衬底偏置区域的衬底偏置电压。

在一些实施例中，各衬底接触单元设于第一金属层之下，各同相电源线和各反相电源线设于第一金属层，各同相电源线和各反相电源线通过向下打孔与衬底偏置区域的各衬底接触单元连接；电压产生模块01和各传感器02均设于第一金属层之下；电压产生模块01和各传感器02通过高层金属线向下打孔与第一金属层的各同相电源线和各反相电源线连接。

其中，各传感器02均匀设置在衬底偏置区域的边缘，并通过向下打孔的高层金属线与距离最近的接触单元阵列上的同相电源线和反相电源线连接。

此处所述的高层金属线为位于第一金属层之上的其他金属层中的导线。

具体地，因为各同相电源线和各反相电源线均与电压产生模块01连接，因此传感器02仅需连接到一组同相电源线和反相电源线，便可向电压产生模块01传递参数信息。

在具体实施过程中，传感器的数量可以为4个，衬底偏置区域为长方形，4个传感器分别设置在衬底偏置区域的4个顶点处。

请参见图3和图6，在一些实施例中，高层金属线为田字形排布。

横向排布的高层金属线位于第二金属层，纵向排布的高层金属线位于第三金属层。

第二金属层位于第一金属层之上，第三金属层位于第二金属层之上。

第三金属层的高层金属线通过向下打孔与第二金属层的高层金属线连接。

具体地，第一金属层可以为奇数层，第二金属层为偶数层，第三金属层为奇数层。即金属线的排布方式一般为纵向排布使用M3、M5、M7等奇数层，横向使用M2、M4、M6等偶数层，这样纵横有序可以有效防止短路。

请参见图3和图6，在本实施例中，以第一金属层为M3、第二金属层为M6、第三金属层为M7为例，纵向排布于衬底偏置区域的接触单元阵列03上的两根电源线为M3金属层，田字形的高层金属线位于M6金属层和M7金属层。M3直接排布在衬底接触单元之上，通过向下打孔与衬底接触单元接通，高层金属线在M6横向排布并向下与M3打孔连接，高层金属线还在M7纵向排布并于M6打孔连接，这样就形成了联通的电源网络。

电压产生模块01和各个传感器02通过与高层金属线连接，再通过高层金属线层层向下打孔连接，直到与M3层的Vp电源线、Vn电源线连接。

上述实施例另电压产生模块01、传感器02通过高层金属线与低层的电源线打孔连接，目的是为了减少电源网络中的电阻，因为在芯片制造中，高层金属更宽和更厚，带来的电阻更小。而高层电源线之所以形成田字排布，就是为了形成电源网络，降低总电阻。

当然添加更多对金属排布可以更有效地降低总电阻，但这样也会占据更多的走线资源，在具体实施过程中从中找到一个平衡即可。

在一些实施例中，高层金属线的数量是通过EDA工具根据预设电阻要求计算得到的。

在电源线的数量上，M3由衬底接触单元的位置而定，而M6和M7的金属密度越大，网络中电阻越小，但是占据走线空间也越多。可以通过EDA工具仿真计算出电源网络中的电阻值，在满足芯片设计的预设电阻要求的前提下，尽可能少的占据走线资源。

在一些实施例中，传感器02的覆盖范围半径为3毫米，衬底偏置区域中各传感器02的覆盖范围之和大于衬底偏置区域的面积。

可以理解的是，传感器02的摆放要求是需要能够覆盖整个衬底偏置区域。

在一些实施例中，电压产生模块01还用于在接收到环境参数后，确定环境参数在预设电压标准表格中对应的目标电压；并调整输出电压直到获取的衬底偏置电压等于目标电压。

具体地，环境参数包括：工艺角(Process corner)、供电电压(power supplyVoltage)、温度(Temperature)、衬底偏置电压(Biasing supply voltage)，简称PVTB。这些因素都有不同的数值，简单举例如：P(FFG、SSG)、V(0.72v、0.59v)、T(125℃、25℃、-40℃)、B(0v、1.2v、-1.5v)等。根据不同数值的组合可罗列成表格，即预设电压标准表格。

sign off标准要求芯片能在表格内所有情况下正常工作。传感器02的作用是为电压产生模块01提供参数，使其能够准确提供符合sign off标准所对应的目标电压。比如传感器02检测到芯片衬底偏置区域的工作环境为：温度为25℃，供电电压为0.72v，工艺角为SSG，则根据signoff表格需要衬底偏置电压为1.2v，即目标电压为1.2v，则电压产生模块01会调节输出电压，直到通过传感器02检测到的衬底偏置电压达到1.2v。

在一些实施例中，各接触单元阵列之间的间距是根据制作工艺和闩锁效应确定的。

具体地，衬底接触单元由工艺厂商设计和提供，在芯片中衬底接触单元的摆放需要满足工艺要求的最大间距，即接触单元阵列之间的最大间距。如果大于该间距值，则会有产生闩锁效应的风险。因此，在实际中，接触单元阵列之间的摆放间距一般采用工艺规定的、能够避免闩锁效应的最大间距值，过多的摆放会浪费芯片面积。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。