數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)第4章互連線(xiàn)

第四章互連線(xiàn)確定并量化互連參數(shù)介紹互連線(xiàn)的電路模型導(dǎo)線(xiàn)的SPICE細(xì)節(jié)模型4.1引言現(xiàn)代工藝中的互連線(xiàn)第1層鋁第2層鋁第3層鋁第4層鋁移去絕緣體后的互聯(lián)線(xiàn)的微縮照片以銅為CMOS工藝的互連材料銅的電阻率比鋁低

Intel0.25微米工藝互連線(xiàn)5層金屬Ti/Al-Cu/Ti/TiNPolysilicondielectric

0.35微米高性能微處理器中的互連線(xiàn)5層鋁導(dǎo)線(xiàn)氧化絕緣層鎢塞器件

0.1微米高性能微處理器中的互連線(xiàn)

8層銅導(dǎo)線(xiàn)

低k絕緣層銅塞

器件4.2簡(jiǎn)介當(dāng)代最先進(jìn)的工藝可以提供許多鋁或銅以及至少一層多晶，甚至通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)漏區(qū)和源區(qū)的重參雜n+和p+擴(kuò)散層也可以作為導(dǎo)線(xiàn)。導(dǎo)線(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的幾何形體，它能引起電容、電阻和電感等寄生參數(shù)效應(yīng)。1.增加傳播延時(shí)，或者說(shuō)相當(dāng)于性能的下降2.影響能耗和功率的分布3.引起額外的噪聲來(lái)源，從而影響電路的可靠性。簡(jiǎn)化處理：1.如果導(dǎo)線(xiàn)的電阻很大，（截面很?。╇姼锌梢院雎?.當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)很短，截面積很大，或電阻率很低時(shí)，可以只考慮電容3.當(dāng)相鄰導(dǎo)線(xiàn)間的間距很大，或者當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)只在一段很短的距離上靠近在一起的時(shí)候，導(dǎo)線(xiàn)間的電容可以忽略，并且所有的寄生電容可以模擬成寄生電容。一個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的每條導(dǎo)線(xiàn)把一個(gè)（或多個(gè)）發(fā)送器連至一組接收器，每條導(dǎo)線(xiàn)由一系列具有不同長(zhǎng)度和幾何尺寸的導(dǎo)線(xiàn)段構(gòu)成。電路圖實(shí)際視圖假設(shè)所有的導(dǎo)線(xiàn)都在同一互連層上實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)一層絕緣材料與硅襯底隔離及相互間隔離。發(fā)送器

接收器完整模型（電阻＋電容＋電感）導(dǎo)線(xiàn)及模型

互連線(xiàn)將影響：

（1）可靠性 （2）性能 （3）功耗電容模型（一）互連線(xiàn)電容平板電容模型絕緣 襯W

Htdi電場(chǎng)

電L互連設(shè)一條矩形導(dǎo)線(xiàn)放在半導(dǎo)體襯底上，導(dǎo)線(xiàn)的寬度大于絕緣材料的厚度，可以假設(shè)電場(chǎng)線(xiàn)垂直于電容極板，則它的電容可以用平行板電容來(lái)模擬相對(duì)介電常數(shù)(Permittivity)

真空

氣凝膠

聚酰亞胺（有機(jī)物）二氧化硅

玻璃環(huán)氧樹(shù)脂

氮化硅

氧化鋁

硅:真空介電常數(shù)邊緣電容：為了使導(dǎo)線(xiàn)電阻最小，盡可能保持導(dǎo)線(xiàn)的截面積盡可能的大，此時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)側(cè)面和襯底之間的電容不能再忽略互連電容與W/H的關(guān)系1.對(duì)于較大的W/H，總電容接近平板電容模型2.當(dāng)W/H小于1.5，邊緣電容變?yōu)橹饕糠帧?.對(duì)于較小的線(xiàn)寬，邊緣電容可以使總電容增加10倍以上1.51pF/cm導(dǎo)線(xiàn)層多晶Al1Al2Al3Al4Al5電容4095858585115線(xiàn)間電容（單位：aFμm）（介質(zhì)與導(dǎo)線(xiàn)厚度不變）1.75線(xiàn)間平板邊緣平板

線(xiàn)間電容及其影響線(xiàn)間接地線(xiàn)間

接地多晶導(dǎo)線(xiàn)由于厚度較小，線(xiàn)間電容?。籄l5厚度大，線(xiàn)間電容大；要求上層線(xiàn)間隔大導(dǎo)線(xiàn)電容(0.25μmCMOS)平面電容邊緣電容上極板下極板前四層金屬具有相同的厚度并采用同樣的絕緣層，第五層金屬的厚度接近前者的兩倍并布置在具有較高介電常數(shù)的絕緣層上。導(dǎo)線(xiàn)布置在有源區(qū)有較高的電容場(chǎng)氧有源區(qū)多晶多晶一般制造商會(huì)提供每層的面電容和周邊電容。 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可以查表或查圖。 考慮性能時(shí)，電容的計(jì)算：

1。要用制造后的實(shí)際尺寸，

2?？紤]延遲或動(dòng)態(tài)功耗時(shí)，一般用最壞情況 （最大寬度W，最薄介質(zhì)）

3。考慮競(jìng)爭(zhēng)情況時(shí)用最小寬度W及最厚介質(zhì)。R=

ρLHW（二）互連線(xiàn)電阻R1R2

SheetResistance

薄層電阻，方塊電阻R

LH W對(duì)于給定工藝，H為常數(shù)正比于長(zhǎng)度L反比于截面積A薄層電阻，方塊電阻，n或p阱擴(kuò)散區(qū)n+或p+擴(kuò)散區(qū)n+或p+硅化物擴(kuò)散區(qū)n+或p+多晶硅硅化物多晶硅鋁對(duì)于長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)，優(yōu)先考慮鋁。多晶只用于局部互連

減少連線(xiàn)電阻?采用有選擇性的工藝尺寸縮小?采用優(yōu)質(zhì)互連線(xiàn)材料

–如：銅、硅化物（Silicides）?采用更多互連層–減少平均導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度硅化物柵（Polycide）MOSFETSilicides:WSi2,TiSi2,PtSi2,TaSi 導(dǎo)電率為Poly的8-10倍n+SiO2硅化物多晶硅pn+多晶硅化物：多晶硅和硅化物兩層的組合趨膚效應(yīng):在非常高的頻率下，導(dǎo)線(xiàn)的電阻變成與頻率有關(guān)，高頻電流高頻傾向于主要在導(dǎo)體的表面流動(dòng)，其電流密度隨進(jìn)入導(dǎo)體的深度而成指數(shù)下降，趨膚深度定義為電流下降為他的額定值的e-1時(shí)所處的深度假設(shè)電流均勻流過(guò)導(dǎo)體的厚度為的外殼，導(dǎo)線(xiàn)的總截面局限在大約得到每單位長(zhǎng)度電阻的表達(dá)式：高頻時(shí)電阻的增加可引起導(dǎo)線(xiàn)上傳送的信號(hào)有額外的衰減，并產(chǎn)生失真，為了確定趨膚效應(yīng)的發(fā)生，可求出趨膚深度等于導(dǎo)體最大尺寸（W或H）一半時(shí)的頻率fs,頻率低于fs時(shí)，整個(gè)導(dǎo)線(xiàn)（截面）都導(dǎo)通電流，導(dǎo)線(xiàn)電阻等于低頻時(shí)的電阻（為常數(shù)）趨膚效應(yīng)引起電阻增加與頻率及導(dǎo)線(xiàn)寬度的關(guān)系 （導(dǎo)線(xiàn)厚度為0.7微米）趨膚效應(yīng)對(duì)較寬導(dǎo)線(xiàn)較為顯著4.4導(dǎo)線(xiàn)模型4.4.1理想導(dǎo)線(xiàn)沒(méi)有附加任何參數(shù)和寄生元件，在導(dǎo)線(xiàn)一端發(fā)生的電壓變化為立即傳到另一端，任何時(shí)刻在導(dǎo)線(xiàn)的每一段上都有相同的電壓4.4.2集總模型當(dāng)只有一個(gè)寄生元件占支配地位時(shí)，這些寄生元件之間的相互作用很小時(shí)，或當(dāng)只考慮電路特性的一個(gè)方面時(shí)，把各個(gè)不同（寄生元件）部分集總成單個(gè)電路元件是很重要的。VinClumpedRdriverVout集總電容

分布電容

Vout

cwire

驅(qū)動(dòng)器

Driver把分布的電容集總為單個(gè)電容4.4.3集總RC模型長(zhǎng)度超過(guò)幾個(gè)毫米的片上金屬線(xiàn)具有較明顯的電阻，可采用電阻-電容模型RC樹(shù)（1）只有一個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)（2）電容在節(jié)點(diǎn)和地之間（3）無(wú)電路回路路徑電阻Rii：在源節(jié)點(diǎn)s和該電路的任何節(jié)點(diǎn)之間存在的唯一路徑共享路徑電阻Rik：在源節(jié)點(diǎn)s到節(jié)點(diǎn)k和節(jié)點(diǎn)i這兩條路徑共享電阻Elmore延時(shí)：假設(shè)這一網(wǎng)絡(luò)的N個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)都被放電至地，并且在t=0時(shí)在節(jié)點(diǎn)s上加一個(gè)階躍輸入，于是，在節(jié)點(diǎn)i處的Elmore延時(shí)為：無(wú)分支的RC鏈（梯形鏈）：在節(jié)點(diǎn)i處的Elmore延時(shí)為：

RC鏈的Elmore延時(shí)當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)由N個(gè)等長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)段（r，c)組成時(shí)： 當(dāng)N很大時(shí)：4.4.4分布rc線(xiàn)L代表導(dǎo)線(xiàn)的總長(zhǎng)，r和c代表每單位長(zhǎng)度的電阻和電容電路符號(hào)：節(jié)點(diǎn)i處的電壓可以通過(guò)求解微分方程來(lái)確定：V是導(dǎo)線(xiàn)上一個(gè)特定點(diǎn)的電壓，x是該點(diǎn)和信號(hào)源之間的距離電壓（V）0.511.522.533.544.550 0

21.52.5x=L/10 x=L/4x=L/2

1 x=L0.5分布RC導(dǎo)線(xiàn) 的階躍響應(yīng)

（與時(shí)間、 位置的關(guān)系）

時(shí)間（秒）

集總和分布RC網(wǎng)絡(luò)的階躍響應(yīng) 比較經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：（1）rc延時(shí)只是在tpRC近似或超過(guò)驅(qū)動(dòng)門(mén)的tpgate時(shí)才考慮臨界長(zhǎng)度：當(dāng)互連線(xiàn)超過(guò)這個(gè)臨界長(zhǎng)度時(shí)，RC延時(shí)才占主要地位（2）rc延時(shí)只是在輸入信號(hào)的上升（下降）小于導(dǎo)線(xiàn)的上升（下降）時(shí)間時(shí)，才考慮。若上述條件不滿(mǎn)足，信號(hào)的變化將比導(dǎo)線(xiàn)的傳播時(shí)延慢，因此，采用集總電容模型即可?？紤]驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻RS時(shí)RC線(xiàn)的延時(shí)VinRsVout(rw,cw,L)4.5導(dǎo)線(xiàn)的SPICE模型用一個(gè)具有有限數(shù)目元件的集總RC來(lái)近似分布rc線(xiàn)同軸電纜三層平帶線(xiàn)微帶線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)在接地平