1、半导体集成电路基础 2014 第4章 导线,合肥工业大学电子科学与应用物理学院,导线. 2,本章重点,确定并定量化互连参数 介绍互连线的电路模型 导线的SPICE细节模型 工艺尺寸缩小及它对互连的影响,导线. 3,4.1 引言,由导线引起的寄生效应所显示的尺寸缩小特性并不与如晶体管等有源器件相同，随着器件尺寸的缩小和电路速度的提高，它们常常变得非常重要,导线. 4,4.2 简介,当代最先进的工艺可以提供许多铝或铜金属层以及至少一层多晶。甚至通常用来实现源区和漏区的重掺杂n+和p+扩散层也可以用来作为导线 寄生参数对电路性能的影响 使传播延时增加，或者说相应于性能的下降 会影响能耗和功率的分布
2、会引起额外的噪声来源，从而影响电路的可靠性,说明：设计者对于导线的寄生效应、它们的相对重要性以及它们的模型有一个清晰的理解是非常重要的,导线. 5,导线,电路图,实际视图,发送器,接收器,图4.1 总线网络中导线的电路表示及实际视图,导线. 6,导线模型,一个考虑互连线寄生电容、电阻和电感的完整的电路模型,注意：这些附加的电路元件并不处在实际的单个点上，而是分布在导线的整个长度上,导线. 7,寄生简化,电感的影响可以忽略 如果导线的电阻很大(例如截面很小的长铝导线的情形) 外加信号的上升和下降时间很慢 采用只含电容的模型 当导线很短，导线的截面很大时 当所采用的互连材料电阻率很低时 导线相互间
3、的电容可以被忽略，并且所有的寄生电容都可以模拟成接地电容 当相邻导线间的间距很大时 当导线只在一段很短的距离上靠近在一起时,注意：有经验的设计者知道如何去区分主要和次要的效应,导线. 8,4.3 互连参数：电容、电阻和电感,4.3.1 电容 一条导线的电容与它的形状、它周围的情况、它与衬底的距离以及它与周围导线的距离都有关系 利用先进的参数提取工具来获取一个完整版图中互连线电容的精确值,导线. 9,互连线的平行板电容模型,electrical field lines,W,H,tdi,dielectric (SiO2),substrate,current flow,permittivity co
4、nstant (SiO2= 3.9),L,说明：电容正比于两个导体之间相互重叠的面积而反比于它们之间的间距,导线. 10,边缘场电容模型,W - H/2,H,+,(a) 边缘场,(b) 边缘场电容的模型,图4.4 边缘场电容。这一模型把导线电容分成两部分：一个平板电容以及一个边缘电容，后者模拟成一条圆柱形导线，其直径等于该导线的厚度,W/H的比例逐步下降，此时在导线侧面与衬底之间的电容不再能被忽视,导线. 11,边缘场电容的影响,图4.5 包括边缘场效应时互连线电容与W/tdi的关系,导线. 12,多层互连结构中导线间的电容耦合,fringing,parallel,注意：这些浮空电容不仅形成噪
5、声源(串扰)，而且对电路性能也有负面影响,导线. 13,导线间电容的影响,图4.7 互连电容与设计规则间的关系。它由一个接地电容及一个导线间电容构成,导线. 14,互连电容设计数据,fringe in aF/m,pp in aF/m2,per unit wire length in aF/m for minimally-spaced wires,导线. 15,例4.1 金属导线电容 考虑一条布置在第一层铝上的10cm长，1m宽的铝线，计算总的电容值。 平面(平行板)电容： ( 0.1106m2 )30aF/m2 = 3pF 边缘电容： 2( 0.1106m )40aF/m = 8pF 总电容：
6、 11pF现假设第二条导线布置在第一条旁边，它们之间只相隔最小允许的距离，计算其耦合电容。 耦合电容： Cinter = ( 0.1106m )95 aF/m2 = 9.5pF,分析：如果把这导线放在Al4层上，,导线. 16,4.3.2 电阻,一个方块导体的电阻与它的绝对尺寸无关为了得到一条导线的电阻，只需将薄层电阻乘以该导线的W/L比,导线. 17,互连电阻设计数据,常用导体的电阻率 IC中最常用的互连材料是铝 最先进的工艺正在越来越多地选择铜作为导体典型0.25mCMOS工艺的薄层电阻值 对于长互连线，铝是优先考虑的材料；多晶应当只用于局部互连；避免采用扩散导线；先进的工艺也提供硅化的多
7、晶和扩散层,导线. 18,接触电阻(contact resistance),布线层之间的转接将给导线带来额外的电阻 尽可能地使信号线保持在同一层上并避免过多的接触或通孔 使接触孔较大可以降低接触电阻(电流集聚在实际中将限制接触孔的最大尺寸) 典型接触电阻，RC, (最小尺寸) 金属或多晶至n+、p+以及金属至多晶为 5 20 通孔(金属至金属接触)为1 5 ,例4.2 金属线的电阻 考虑一条布置在第一层铝上的10cm长，1m宽的铝线。假设铝层的薄层电阻为0.075/，计算导线的总电阻： Rwire0.075/(0.1106m)/(1m)7.5k,分析：如果采用多晶或硅化物多晶来实现，,导线.
8、19,趋肤效应,在非常高的频率下，趋肤效应使导线电阻变成与频率有关 高频电流倾向于主要在导线的表面流动，其电流密度随进入导体的深度而呈指数下降高频时电阻的增加可以引起在导线上传送的信号有额外的衰减，并因此产生失真 fs = 4 / ( (max(W,H)2) 趋肤效应的发生在趋肤深度等于导体最大尺寸(W或L)一半时的频率 趋肤效应是对较宽导线才有的问题，如时钟信号,导线. 20,例4.3 趋肤效应和铝导线 趋肤效应对现代集成电路的影响 下图画出了对于各种宽度的铝导体趋肤效应引起的电阻增加,分析：1GHz时一条20m宽的导线的电阻增加30% ，而一条1m宽的导线的电阻只增加2%,导线. 21,4
9、.4 导线模型,4.4.1 理想导线 任何时刻在导线的每一段上都具有相同的电压 等势区 导线非常短，比如非常近的相邻门之间的连接,导线. 22,4.4.2 集总C模型,当只有一个寄生元件占支配地位时，把各个不同的(寄生元件)部分集总成单个的电路元件 只要导线的电阻部分很小并且开关频率在低至中间的范围内，那么就可以很合理地只考虑该导线的电容部分；导线本身并不引入任何延时；对于性能的唯一影响是由电容对于驱动门的负载效应引起的 适用于短导线，它对于长互连线是一个保守和不精确的模型,导线. 23,例4.5 导线的集总电容模型 假设电源内阻为10k的一个驱动器，用来驱动一条10cm长，1m宽的Al1导线
10、。使用集总电容模型，源电阻RDriver10 k，总的集总电容Clumped11 pF t50% = 0.69 10 k 11pF = 76 ns t90% = 2.2 10 k 11pF = 242 ns,分析：这些数字甚至连最低性能的数字电路也不能接受,导线. 24,4.4.3 集总RC模型,把每段导线的总导线电阻集总成一个电阻R，并且同样把总的电容合成一个电容C 适用于短导线，它对于长互连线是一个保守和不精确的模型 RC 树的性质 在源节点s和该电路的任何节点i之间存在一条唯一的电阻路径 仅有一个输入节点 所有的电容都在某个节点和地之间,导线. 25,路径电阻 从源节点s和该电路的任何节
11、点i之间的总电阻共享的路径电阻 从根节点s至节点k和节点i这两条路径共享的电阻在节点i 处的Elmore延时由下式给出：,导线. 26,例4.6 树结构网络的RC延时节点i的Elmore延时： Di = R1C1 + R1C2 + (R1+R3) C3 + (R1+R3) C4 + (R1+R3+Ri) Ci,导线. 27,RC链的Elmore延时,Elmore延时公式,导线. 28,例4.7 电阻-电容导线的时间常数 总长为L的导线被分隔成完全相同的N段，每段的长度为L/N。因此每段的电阻和电容分别为rL/N和cL/NR (= rL) 和C (= cL) 是这条导线总的集总电阻和电容,结论：
12、 当N值很大时，该模型趋于分布式rc线 一条导线的延时是它长度L的二次函数 分布rc线的延时是按集总RC模型预测的延时的一半,导线. 29,4.4.4 分布rc线,电路寄生分布到连线的整个长度L上 r和c代表每单位长度的电阻和电容,(A)分布模型(B) 分布rc线的电路符号,导线. 30,RC导线的阶跃响应,注意：观察阶跃波形是如何从导线的始端“扩散”到终端的，以及波形如何迅速变差，这在长导线中会引起相当长的延时,导线. 31,例4.8 铝线的RC延时 考虑长10cm宽、1m的Al1导线 使用分布RC模型，c = 110 aF/m和r = 0.075 /mtp = 0.38RC = 0.38
13、(0.075 /m) (110 aF/m) (105 m)2 = 31.4 ns Poly：tp = 0.38 (150 /m) (88+254 aF/m) (105 m)2 = 112 s Al5： tp = 0.38 (0.0375 /m) (5.2+212 aF/m) (105 m)2 = 4.2 ns,分析：互连材料和层次的选择对导线的延时有极大的影响,导线. 32,经验规则,rc延时只是在tpRC近似或超过驱动门的tpgate 时才予以考虑Lcrit 的确切值取决于驱动门的尺寸及所选用的互连材料rc延时只是在导线输入信号的上升(下降)时间小于导线的上升(下降)时间RC时才予以考虑tr
14、ise RC 当这一条件不满足时，信号的变化将比导线的传播延时慢，因此采用集总电容模型就已足够了,导线. 33,例4.9 RC与集总C 假设驱动门被模拟成一个电压源，它具有一定大小的电源内阻Rs。应用Elmore公式，总传播延时： D = RsCw + (RwCw)/2 = RsCw + 0.5rwcwL2 及 tp = 0.69 RsCw + 0.38 RwCw 其中，Rw = rwL，Cw = cwL 假设一个电源内阻为1k的驱动器驱动一条1m宽的Al1导线，此时Lcrit 为2.67cm,分析：当(RwCw)/2 RsCw时， 或当L 2Rs/Rw时，由导线电阻引起的延时将变成主要的延时,END,
