清华大学《数字集成电路设计》周润德-第4章-互连线.pdf

2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 1 页 现代工艺中的互连线现代工艺中的互连线 第四章 互连线第四章 互连线 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 2 页 Intel 0 25 微米工艺互连线微米工艺互连线 5 层金属层金属 Ti Al Cu Ti TiN Polysilicon dielectric 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 3 页 0 35 微米高性能 微处理器中的互连线 微米高性能 微处理器中的互连线 0 1 微米高性能 微处理器中的互连线 微米高性能 微处理器中的互连线 5 层铝导线层铝导线 氧化绝缘层氧化绝缘层 钨塞钨塞 器件器件 8 层铜导线层铜导线 低低 k 绝缘层绝缘层 铜塞铜塞 器件器件 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 4 页 101001 00010 000100 000 长度 微米 长度 微米 节点数节点数 对数坐标 对数坐标 Pentium Pro R Pentium R II Pentium MMX Pentium R Pentium R II 局域互连线 全局互连线 局域互连线 全局互连线 S局域 局域 S工艺 工艺 S全局 全局 S芯片 芯片 Source Intel 互连线的长度分布互连线的长度分布 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 5 页 密集和较薄的 连线布置在低层 密集和较薄的 连线布置在低层 M1 M2 M4 M5 功能快连线功能快连线 M1 局部 单元内 连线局部 单元内 连线 宽厚和间距大的 连线布置在高层 宽厚和间距大的 连线布置在高层 M5及以上采用较厚连线 及以上采用较厚连线 全局连线 电源线全局连线 电源线 现代工艺中的互连线现代工艺中的互连线 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 6 页 发送器 接收器 发送器 接收器 完整模型 电阻 电容 电感 电容模型 完整模型 电阻 电容 电感 电容模型 导线及模型导线及模型 互连线将影响 互连线将影响 1 可靠性 可靠性 2 性能 性能 3 功耗 功耗 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 7 页 互连线的电容互连线的电容 VDD VDD Vin Vout M1 M2 M3 M4 Cdb2 Cdb1 Cgd12 Cw Cg4 Cg3 Vout2 扇出 扇出 Fanout 互连线互连线 Vout Vin CL 简化模型简化模型 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 8 页 平板电容模型平板电容模型 WL t c di di int 绝缘 衬 绝缘 衬 L W H tdi 电场 电 电场 电 LL Cwire SSS S S 1 连线电容 连线电容按比例缩小因子 连线电容 连线电容按比例缩小因子 一 互连线电 一 互连线电 互连互连 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 9 页 介电常数介电常数 Permittivity 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 10 页 边缘电容及其影响边缘电容及其影响 W H 2 H a b 1 t H di 5 0 t H di Cpp 1 5 1 pF cm 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 11 页 线间电容及其影响线间电容及其影响 1158585859540电容电容 Al5Al4Al3Al2Al1Poly导线层导线层 线间电容 单位 线间电容 单位 m aF 介质与导线厚度不变 介质与导线厚度不变 1 75 线间线间 接地 平板 接地 平板 边缘 平板 边缘 平板 线间线间 接地接地 线间线间 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 12 页 导线电容导线电容 0 25 m CMOS 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 13 页 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 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 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 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 最薄介质 3 考虑竞争情况时用最小宽度 考虑竞争情况时用最小宽度W 及最厚介质 及最厚介质 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 14 页 R H W L Sheet Resistance 二 互连线电阻 二 互连线电阻 W L H R1 R2 薄层电阻 方块电阻薄层电阻 方块电阻R 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 15 页 薄层电阻 方块电阻 薄层电阻 方块电阻 Sheet Resistance 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 16 页 减少连线电阻减少连线电阻 采用有选择性的工艺尺寸缩小采用有选择性的工艺尺寸缩小 采用优质互连线材料采用优质互连线材料 如 铜 硅化物 Silicides 采用更多互连层采用更多互连层 减少平均导线长度 硅化物栅 硅化物栅 Polycide MOSFET Silicides WSi2 TiSi2 PtSi2 TaSi 导电率为导电率为Poly 的的 8 10倍倍 n SiO 2 PolySilicon Silicide p n 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 17 页 RC集总 集总 Lumped 模型 模型 Vout 驱动器驱动器 Driver cwire Vin Clumped Rdriver Vout 分布电容 集总电容 分布电容 集总电容 三 三 RC 延时及其模型延时及其模型 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 18 页 Elmore 延时 延时 Elmore Delay 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 19 页 RC 链的链的 Elmore 延时延时 当导线由当导线由 N 个等长的导线段 个等长的导线段 r c 组成时 当 组成时 当 N 很大时 很大时 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 20 页 分布分布RC线的延时线的延时 扩散方程 延时 扩散方程 延时 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 21 页 时间 秒 时间 秒 00 511 522 533 544 55 0 0 5 1 1 5 2 2 5 电压 电压 V x L 10 x L 4 x L 2 x L 分布分布RC导线 的阶跃响应 导线 的阶跃响应 与时间 位置的关系 与时间 位置的关系 集总和分布集总和分布RC 网络的阶跃响应 比较 网络的阶跃响应 比较 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 22 页 考虑驱动器内阻考虑驱动器内阻RS时时RC线的延时线的延时 V in Rs Vout rw c w L 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 23 页 RC 模型模型 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 24 页 考虑连线考虑连线RC延时的准则延时的准则 当连线的当连线的 RC 延时与驱动门的延时相比较大 即 延时与驱动门的延时相比较大 即 tpRC tpgate 时需要考虑连线的时需要考虑连线的 RC 延时 需要考虑 延时 需要考虑RC延时的连线临界长度为 延时的连线临界长度为 Lcrit tpgate 0 38 rc 当连线输入端信号的上升或下降时间小于连线的上升或下 降 当连线输入端信号的上升或下降时间小于连线的上升或下 降 RC 延时延时 trise RC 时 时 则意味着输入信号的变化 比连线的传播延时 RC 慢 此时可采用集总电容模型 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 25 页 同轴电缆三层平带线微带线 导线在接 地平面上 同轴电缆三层平带线微带线 导线在接 地平面上 芯片上互连线芯片上互连线 PC板上互连线 美国标准双股线 板上互连线 美国标准双股线 C 电容 电容 L 电感 电感 电子系统中的互连线电子系统中的互连线 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 26 页 R 和和 L 上的电压降上的电压降 C 和和 G 上的电流上的电流 返回路径返回路径 传输线 波动方程 传输线 波动方程 四 实际的互连线 四 实际的互连线 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 27 页 r r c lc 0 11 Z R Z R I I V V inc refl inc refl 0 0 无损耗传输线 无损耗传输线的传播延时 只是周围介质的函数 无损耗传输线 特征阻抗 无损耗传输线 无损耗传输线的传播延时 只是周围介质的函数 无损耗传输线 特征阻抗 集成电路中典型值 为 集成电路中典型值 为10 至至 200 欧姆 欧姆 传输线终端 发射系数 传输线终端 发射系数 c l Z 0 lc tp 1 1 V V inc 1 I I inc 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 28 页 无损传输线的瞬态响应无损传输线的瞬态响应 源电阻源电阻 特征阻抗 源电阻 特征阻抗 源电阻 特征阻抗 源电阻 特征阻抗 源电阻 特征阻抗 源电阻 特征阻抗 源电阻 Z R 0 5 L ttt flightfr 5 25 2 lc 1 L 为导线长度为导线长度 应当考虑成传输线效应应当考虑成传输线效应 4 当传输线的总电阻比特征阻抗小很多时 即时 传输线可考虑成 当传输线的总电阻比特征阻抗小很多时 即时 传输线可考虑成 无损耗无损耗 的 的 2 0Z R 估计传输线效应的准则估计传输线效应的准则 联合 联合 2 和 和 3 有 有 c l r L lc tr 51 5 2 圆形导体带形波导圆形导体带形波导 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 32 页 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 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 微米 2004 9 22 清华大学微电子所 数字大规模集成电路 周润德第 4 章 第 33 页 趋肤效应使电阻增加 信号衰减趋肤效应使电阻增加 信号衰减 。