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数字CMOS集成电路设计基础

3.1.1互连参数——电容

3.1.1互连参数——电容

集成电路的导线已形成一个复杂的几何形体，它引发了电容、电阻和电

感等寄生参数效应。这三个寄生参数对电路的特性都会有多方面的影响：

1.它们都会使传播延时增加，或者

说相应于性能的下降。

2.它们都会影响能耗和功率的分布。

3.它们都会引起额外的噪声来源，

从而影响电路的可靠性。

考虑了导线的大部分寄生参数的模型

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发送器接受器

实际试图

电路图

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寄生参数的简化

如果导线的电阻很大——例如截面很小的长铝导线的情

形，或者外加信号的上升和下降时间很慢，那么电感的

影响可以忽略。

当导线很短，导线的截面很大，或者所采用的互连材料考虑了导线的大部分寄生参数的模型

电阻率很低时，就可以采用只含电容的模型，如图所示。

当相邻导线间的间距很大，或者当导线只在一段很短的

距离上靠近在一起的时候，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。

只考虑电容的模型

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导线电容平行板电容

如果导线的宽度W明显大于绝缘

材料的厚度tdi，那么就可以假设电场

线垂直于电容极板，并且它的电容可

以用平行板电容模型来模拟。这些情

况下，该导线的总电容可以近似为：

真空介电常数Ε0：8.854*10-12F/m

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导线电容边缘场电容

实际中，为了在减小工艺尺寸的同时使导线的电阻

最小，希望能保持导线的截面（W×H）尽可能大，较

小的W值可得到较密集的布线，因此，W/H的比例在稳

步下降。这时我们采用一个简化的模型来近似：一个平

板电容由宽度为w的一条导线与接地平面之间的垂直电

场决定，以及一个边缘电容用一条直径等于互连线宽度

为H的圆柱形导线来模拟，式中w=W-H/2。

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导线电容

右图画出了导线电容值W/tdi（即间接与边缘电容

W/H）之间的关系。

对于较大的W/H值，总电容接近平板电

容模型。

当W/H小于1.5时，边缘电容部分实际上

变成了主要部分。

对于较小的线宽W，边缘电容可以使总平板电容

电容增加10倍以上。

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导线电容

至今我们一直把分析局限于单个矩形导体放在接地

平面之上的情形。这一结构称为微带模型，当互连

层的数目限制在1或2层时，它通常是半导体互连的

良好模型。

今天的工艺已提供了更多的互连层，并且它们也布

置得相当密集。，如右图所示，每条导线并不只是

与接地的衬底耦合，而且也与处在同一层及处在相

邻层上的邻近导线耦合。

随特征尺寸的缩小，导线间电容在总电容中所占比

例增加。

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互连电容设计数据

表4.2典型0.25μmCMOS工艺的导线的平面电容和边缘电容值。表中各行代表电容的上极板而各

2

列代表它的下极板。平面电容用aF/μm表示，而边缘电容（列在带阴影的行中）用aF/μm表示

场氧有源区多晶

多晶

(第1层铝