合肥工业大学_数字集成电路设计-第四章导线

导线. 3
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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
材料
n, p 阱扩散区 n+, p+ 扩散区 n+, p+ 硅化物扩散区 n+, p+多晶硅 n+, p+硅化物多晶硅
铝
薄层电阻 (/ ) 1000 ~ 1500 50 ~ 150 3~5 150 ~ 200 4~5 0.05 ~ 0.1
36
45
15
41
27
49
8.9
15
35
18
27
45
6.6
9.1
14
38
14
19
27
52
Poly
Al1
Al2
Al3
Al4
Al5
Interwire Cap
40
95
85
85
85
115
导线. 14 per unit wire length in aF/m for minimally-spaced wir合es肥工业大学应用物理系
• 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
注意：有经验的设计者知道如何去区分主要和次要的效应
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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
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： ( 0.1×106m2 )×30aF/m2 = 3pF
边缘电容：
2×( 0.1×106m )×40aF/m = 8pF
总电容：
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。
Capacitance-only
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
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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
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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声源(串扰)，而且对电路性能也有负面 影响
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导线间电容的影响
导线. 13
(from [Bakoglu89])
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
• 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
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互连线的平行板电容模型
L
H tdi
current flow
electrical field lines W
dielectric (SiO2) substrate
permittivity constant (SiO2= 3.9)
Cint
di WL
tdi
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
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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
(a) 边缘场 H
+
W - H/2
Cwire C pp C fringe
w d i
2 di
tdi log 2tdi H 1
(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
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边缘场电容的影响
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(from [Bakoglu89])
图4.5 包括边缘场效应时互连线电容与W/tdi的关系
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
1. 确定并定量化互连参数 2. 介绍互连线的电路模型 3. 导线的SPICE细节模型 4. 工艺尺寸缩小及它对互连的影响
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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
耦合电容：
Cinter = ( 0.1×106m )×95 aF/m2 = 9.5pF
分析：如果把这导线放在Al4层上，……
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4.3.2 电阻
current flow L
W H
L L
L
R
A
HW
R□ W
• 一个方块导体的电阻与它的绝对 尺寸无关
wenku.baidu.com= R1 = R2
• 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
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互连电容设计数据
Field
Active
Poly
Poly
88
54
Al1
30
41
57
40
47
54
Al2
13
15
17
25
27
29
Al3
8.9
9.4
10
18
19
20
Al4
6.5
6.8
7
14
15
15
Al5
5.2
5.4
5.4
12
12
12
Al1
Al2
Al3
Al4
pp in aF/m2 fringe in aF/m
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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
材料 银 (Ag) 铜 (Cu) 金 (Au) 铝 (Al) 钨 (W)
(-m) 1.6 x 10-8 1.7 x 10-8 2.2 x 10-8 2.7 x 10-8 5.5 x 10-8
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
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导线
发送器
接收器
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电路图
实际视图
图4.1 总线网络中导线的电路表示及实际视图
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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
All-inclusive (C,R,l) model