数字集成电路计 第四章导线.ppt

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 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 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 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 会引起额外的噪声来源，从而影响电路的可靠性 导线 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 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 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 互连线的平行板电容模型 边缘场电容模型 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 边缘场电容的影响 多层互连结构中导线间的电容耦合 导线间电容的影响 互连电容设计数据 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 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0.25?mCMOS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晶和扩散层 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 ? 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 4.4 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 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 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 路径电阻 从源节点s和该电路的任何节点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： RC链的Elmore延时 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 RC导线的阶跃响应 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 trise RC 当这一条件不满足时，信号的变化将比导线的传