数字电路设计课件 第4讲 导线.ppt

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1、1数字集成电路第四讲导线2简介在集成电路发展的大部分时间里，芯片上的互连线的影响在设计中被忽略。随着工艺的发展，在深亚微米/超深亚微米，导线引起的寄生效应对电路性能的影响越来越大。－－速度、能耗和可靠性等仔细分析半导体工艺中互连线的作用和特性对于数字集成电路设计极为重要。3在集成电路中构成导线的因素金属：铝、铜多晶硅实现源区和漏区的重掺杂n＋和p＋扩散层4导线的寄生参数效应电容、电阻和电感使传播延时增加，性能下降影响能耗和功率分布都会引起额外的噪声来源，从而影响电路的可靠性在分析和设计过程中，如果考虑所有节点

2、的所有寄生效应，不现实！！！5导线schematicsphysical一个总线网络中每条导线把一个或多个发送器连至一组接收器。每条导线由一系列不同长度和几何尺寸的导线段构成。假设所有导线段都在同一互连层上实现，并且通过一层绝缘材料与硅衬底隔离以及相互隔离6芯片上互连线的影响7导线模型All-inclusivemodelCapacitance-only8分析过程中对模型进行简化如果导线的电阻很大，或者外加信号的上升和下降时间很慢，则电感的影响可以忽略；（电流变化的微分速度）当导线很短，导线的截面积很大，或者所采

3、用的互连材料电阻率很低时，则可以采用只含电容的模型。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。94.3.1互连参数电容10CapacitanceofWireInterconnect11电容:平板模型12介电常数真空气凝胶聚酰亚胺（有机物）二氧化硅玻璃环氧树脂氮化硅氧化铝硅13平板电容模型过于简单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（WXH）尽可能地大。反之，较小地W值可得到较密集地布线。W/

4、H的值在稳步下降，在先进的工艺中已经降到了1以下。平行板电容模型变得很不精确，导线侧面与衬底之间的电容（边缘电容）不能被忽略，而成为总电容的一部分。14边缘电容（FringingCapacitance）边缘电容的计算：等效为圆柱形电容器的电容15FringingversusParallelPlate当W/H小于1.5时，边缘电容变成了主要部分。对于较小的线宽，边缘电容可以使总电容增加10倍以上一个有趣的现象：当线宽小于绝缘层的厚度时，总电容会趋于1pF/cm，不再与线宽有关16线间电容每条导线并不只是与接地的

5、衬底耦合，而且也与处在同一层以及相邻层上的临近导线耦合。17互连电容与设计规则之间的关系平板电容接地电容线间电容总电容假设绝缘层和导线的厚度保持不变，而其它尺寸按比例改变。当W变成小于1.75H时，导线间的电容开始占据主导地位。18WiringCapacitances(0.25mmCMOS)单位：aF（阿法）1F＝1018aF19同层导线间的电容这些数据同时包括平板电容和边缘电容。电容值与工艺密切相关（表中给出的是典型值）。在相邻一层放置的接地平面将终止大部分的边缘电场并有效的减小导线间的电容。多晶硅由于厚度

6、较小而使线间电容减小。较厚的Al5导线具有最大的线间电容，把它用于对干扰不敏感的全局信号，比如电源线。20例1.金属导线的电容考虑一条布在第一层金属铝上的一条长10cm、宽1μm的连线，（1）计算其平板电容和边缘电容；（2）假设第二条导线布在第一条旁边，并且之间只相隔最小距离，计算它们之间的耦合电容。解：（1）平板电容：(0.1X106μm2)X30aF/μm2=3pF边缘电容：2X(0.1X106μm)X40aF/μm=8pF（两个侧面）总电容：11pF（2）耦合电容：Cinter=(0.1X106μm)X

7、95aF/μm=9.5pF耦合电容几乎和对地电容一样大！214.3.2INTERCONNECT电阻22WireResistance23常用导体的电阻率铝最常用，但电阻率较大。随着对性能的要求越来越高，最先进的工艺越来越多地选择铜作为导体。24SheetResistance结论：对于长互连导线，金属铝是优先考虑的材料。多晶硅应当只用于局部互连。尽管扩散层（n＋，P＋）的方块电阻与多晶硅相当，但是由于它们具有较大的电容（导致较大的RC延时），所以应当避免采用扩散层做导线。25DealingwithResistan

8、ceSelectiveTechnologyScaling（仔细挑选工艺的缩放比例）UseBetterInterconnectMaterialsreduceaveragewire-lengthe.g.copper,silicidesMoreInterconnectLayersreduceaveragewire-length26PolycideGateMOSFETn+n+SiO2PolySiliconS