数字集成电路设计第4章互连线ppt课件.ppt

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1、第四章互连线确定并量化互连参数介绍互连线的电路模型导线的SPICE细节模型4.1引言现代工艺中的互连线第1层铝第2层铝第3层铝第4层铝移去绝缘体后的互联线的微缩照片以铜为CMOS工艺的互连材料铜的电阻率比铝低Intel0.25微米工艺互连线5层金属Ti/Al-Cu/Ti/TiNPolysilicondielectric0.35微米高性能微处理器中的互连线5层铝导线氧化绝缘层钨塞器件0.1微米高性能微处理器中的互连线8层铜导线低k绝缘层铜塞器件4.2简介当代最先进的工艺可以提供许多铝或铜以及至少一层多晶，甚至通常用来实

2、现漏区和源区的重参杂n+和p+扩散层也可以作为导线。导线是一个复杂的几何形体，它能引起电容、电阻和电感等寄生参数效应。1.增加传播延时，或者说相当于性能的下降2.影响能耗和功率的分布3.引起额外的噪声来源，从而影响电路的可靠性。简化处理：1.如果导线的电阻很大，（截面很小）电感可以忽略2.当导线很短，截面积很大，或电阻率很低时，可以只考虑电容3.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，导线间的电容可以忽略，并且所有的寄生电容可以模拟成寄生电容。一个总线网络中的每条导线把一个（或多个）发

3、送器连至一组接收器，每条导线由一系列具有不同长度和几何尺寸的导线段构成。电路图实际视图假设所有的导线都在同一互连层上实现，并通过一层绝缘材料与硅衬底隔离及相互间隔离。发送器接收器完整模型（电阻＋电容＋电感）导线及模型互连线将影响：（1）可靠性（2）性能（3）功耗电容模型（一）互连线电容平板电容模型绝缘衬WHtdi电场电L互连设一条矩形导线放在半导体衬底上，导线的宽度大于绝缘材料的厚度，可以假设电场线垂直于电容极板，则它的电容可以用平行板电容来模拟相对介电常数(Permittivity)真空气凝胶聚酰亚胺（有机物）二氧

4、化硅玻璃环氧树脂氮化硅氧化铝硅:真空介电常数边缘电容：为了使导线电阻最小，尽可能保持导线的截面积尽可能的大，此时，导线侧面和衬底之间的电容不能再忽略互连电容与W/H的关系1.对于较大的W/H，总电容接近平板电容模型2.当W/H小于1.5，边缘电容变为主要部分。3.对于较小的线宽，边缘电容可以使总电容增加10倍以上1.51pF/cm导线层多晶Al1Al2Al3Al4Al5电容4095858585115线间电容（单位：aFµm）（介质与导线厚度不变）1.75线间平板边缘平板线间电容及其影响线间接地线间接地多晶导线由于厚度

5、较小，线间电容小；Al5厚度大，线间电容大；要求上层线间隔大导线电容(0.25µmCMOS)平面电容边缘电容上极板下极板前四层金属具有相同的厚度并采用同样的绝缘层，第五层金属的厚度接近前者的两倍并布置在具有较高介电常数的绝缘层上。导线布置在有源区有较高的电容场氧有源区多晶多晶一般制造商会提供每层的面电容和周边电容。实际设计时，可以查表或查图。考虑性能时，电容的计算：1。要用制造后的实际尺寸，2。考虑延迟或动态功耗时，一般用最坏情况（最大宽度W，最薄介质）3。考虑竞争情况时用最小宽度W及最厚介质。R=ρLHW（二）互连

6、线电阻R1R2SheetResistance薄层电阻，方块电阻RLHW对于给定工艺，H为常数正比于长度L反比于截面积A薄层电阻，方块电阻，n或p阱扩散区n+或p+扩散区n+或p+硅化物扩散区n+或p+多晶硅硅化物多晶硅铝对于长导线，优先考虑铝。多晶只用于局部互连减少连线电阻•采用有选择性的工艺尺寸缩小•采用优质互连线材料–如：铜、硅化物（Silicides）•采用更多互连层–减少平均导线长度硅化物栅（Polycide）MOSFETSilicides:WSi2,TiSi2,PtSi2,TaSi导电率为Poly的8-10

7、倍n+SiO2硅化物多晶硅pn+多晶硅化物：多晶硅和硅化物两层的组合趋肤效应:在非常高的频率下，导线的电阻变成与频率有关，高频电流高频倾向于主要在导体的表面流动，其电流密度随进入导体的深度而成指数下降，趋肤深度定义为电流下降为他的额定值的e-1时所处的深度假设电流均匀流过导体的厚度为的外壳，导线的总截面局限在大约得到每单位长度电阻的表达式：高频时电阻的增加可引起导线上传送的信号有额外的衰减，并产生失真，为了确定趋肤效应的发生，可求出趋肤深度等于导体最大尺寸（W或H）一半时的频率fs,频率低于fs时，整个导线（截面）都

8、导通电流，导线电阻等于低频时的电阻（为常数）趋肤效应引起电阻增加与频率及导线宽度的关系（导线厚度为0.7微米）趋肤效应对较宽导线较为显著4.4导线模型4.4.1理想导线没有附加任何参数和寄生元件，在导线一端发生的电压变化为立即传到另一端，任何时刻在导线的每一段上都有相同的电压4.4.2集总模型当只有一个寄生元件占支配地位时，这些寄生元件之间的相