数字集成电路-互连线
数字集成电路教学大纲
《数字集成电路》课程教学大纲课程代码：060341001课程英文名称：digital integrated circuits课程总学时：48 讲课：44 实验：4 上机：0适用专业：电子科学与技术大纲编写（修订）时间：2017.05一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标数字集成电路是为电子科学与技术专业开设的学位课，该课程为必修专业课。
课程主要讲授CMOS数字集成电路基本单元的结构、电气特性、时序和功耗特性，以及数字集成电路的设计与验证方法、EDA前端流程等。
在讲授基本理论的同时，重在培养学生的设计思维以及解决实际问题的能力。
通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．掌握CMOS工艺下数字集成电路基本单元的功能、结构、特性；2．掌握基于HDL设计建模与仿真、逻辑综合、时序分析；熟悉Spice模型；3．具备将自然语言描述的问题转换为逻辑描述的能力；4. 具有解决实际应用问题的能力。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.基本知识：CMOS数字集成电路设计方法与流程；CMOS逻辑器件的静态、动态特性和Spice 模型；数字集成电路的时序以及互连线问题；半导体存储器的种类与性能；数字集成电路低功耗解决方法以及输入输出电路；数字集成电路的仿真与逻辑综合。
2.基本理论和方法：在掌握静态和动态CMOS逻辑器件特性基础上，理解CMOS数字集成电路的特性和工作原理；掌握真值表、流程图/状态机、时序图的分析方法和逻辑设计的基本思想。
3.基本技能:掌握器件与系统的建模仿真方法；具备逻辑描述、逻辑与时序电路设计能力；熟悉电路验证与综合软件工具。
（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基础概念、基本方法和设计思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加习题和讨论课，并在一定范围内学生讲解，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用网络资源、参照设计规范及芯片手册等技术资料的能力。
集成电路工艺 接触与互连
金属线 接触面积A
重掺杂硅
c
1 dJ
dV V 0
定义：零偏压附近电流密
度随电压的变化率
比接触电阻 c 的单位: Wcm2 或 m2
接触电阻：
Rc
c
A
金属－Si之间， c在10-5～10-9 Wcm2 金属－金属之间， c<10-8 Wcm2
7.2 金属化
金
半
接
整流接触
微电子工艺学
Microelectronic Processing 第七章 接触与互连
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
7.1 概述
后端工艺[backend of the line technology (BEOL)]：将器件连
接成特定的电路结构：金属线及介质的制作，使得金属线在电学和 物理上均被介质隔离。
7.2 金属化
如果我们以铜导线取代传统铝导 线，并采用低介电常数的介质 (k=2.6)取代二氧化硅，将可减 低多少百分比的RC时间常数？ （铝的电阻率为2.7µΩ∙cm，而 铜为1.7µΩ∙cm)。 解：
7.2 金属化
7.2 金属化
阻止电迁移的方法有 与0.5～4％铜形成合金(可以降低铝原子在晶间 的扩散系数。但同时电阻率会增加！)、以介质 将导通封闭起来、淀积时加氧。 由于铜的抗电迁移性好，铝-铜（0.5-4%）或铝 -钛（0.1-0.5%）合金结构防止电迁移，结合AlSi合金，在实际应用中人们经常使用既含有铜又 含有硅的Al-Si-Cu合金以防止合金化（即共熔） 问题和电迁移问题。
解：500℃时硅在铝中的扩散系数约 为2×10-8cm2/s，故扩散长度约为 60µm，铝与硅的密度比值约为 2.7/2.33=1.16；500℃时的S约为 0.8%。则被消耗的硅的厚度约为：
i2c通信协议
i2c通信协议I2C通信协议一、简介I2C (Inter-Integrated Circuit)，即集成电路互连，是用于在集成电路之间进行通信的串行通信协议。
它是由Philips（飞利浦）公司于1982年提出，并在当今的电子设备中广泛应用。
I2C通信协议采用两根总线：串行数据线SDA（Serial Data Line）和串行时钟线SCL（Serial Clock Line）。
不同于其他协议，I2C通信协议具有简单、节约外设引脚的特点，被广泛应用于各种嵌入式系统中，如传感器、温度计、数字信号处理器等。
二、基本原理在I2C通信协议中，设备之间的通信通过主从关系进行。
主设备负责生成时钟信号和控制总线的传输，从设备则根据主设备的请求进行响应。
主设备和从设备之间的通信是基于传输一个字节数据的方式进行的。
传输的字节数据由一个起始位、八位数据位、一个奇偶校验位和一个停止位组成。
信息按照从高位到低位的顺序传输，同时由时钟信号进行同步。
三、通信过程I2C通信协议的通信过程主要包括起始信号、地址传输、数据传输和停止信号四个阶段。
1. 起始信号起始信号由主设备产生，用于标识接下来的通信过程开始。
起始信号的产生是通过将数据线（SDA）从高电平切换到低电平时完成的。
在通信开始之前，主设备需要发送起始信号来获取总线控制权。
2. 地址传输主设备在发送起始信号后，紧接着发送一个I2C从设备的地址。
地址由7位或10位组成，其中7位地址方式是I2C通信协议最常用的方式。
地址中的最高位表示对从设备进行读取（1）或写入（0）操作。
通过这个地址，主设备可以选择与特定从设备进行通信。
3. 数据传输地址传输完成后，主设备和从设备之间的数据传输开始。
数据的传输顺序是从高位到低位。
主设备向从设备传输数据时，从设备通过拉低SDA线来接收数据。
从设备向主设备传输数据时，主设备必须确认数据的接收情况，操作是保持SDA线为高电平。
4. 停止信号通信结束时，主设备发送停止信号，用于标示通信过程的结束。
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数字集成电路分析与设计一、课程基本情况课程编号40260103开课单位微纳电子学系课程名称中文名称数字集成电路分析与设计英文名称Digital Integrated Circuit Analysis and Design教学目的与重点教学目的：1）让学生掌握数字集成电路的工作原理与分析方法2）让学生掌握数字集成电路与系统的设计流程和基本方法3）培养学生实际设计数字集成电路与系统的能力教学重点：1） CMOS反相器的特性，数字集成电路分析与设计的关键问题2）组合逻辑链的性能优化3）互连线的延时模型与分析4）同步时序电路的分析和设计5）数据通路运算单元的分析与设计6）存储器的工作原理的理解与分析课程负责人刘雷波吴行军课程类型□文化素质课□公共基础课□学科基础课□专业基础课■专业课□其它教学方式■讲授为主□实验/实践为主□专题讨论为主□案例教学为主□自学为主□其它授课语言■中文口中文+英文（英文授课＞50%）□英文□其他外语学分学时学分 3 总学时48考核方式及成绩评定标准作业：15%,课程设计：15%,期中考试（闭卷）：30%,期末考试（闭卷）：40%教材及主要参考书中文外文教材数字集成电路一电路、系统与设计（第二版）,JanM.Rabaey等著，周润德等译，电子工业出版社。
Jan M. Rabaey etc. “Digital Integrated Circuits , A Design Perspective (Second Edition)", Prentice Hall , 2003.主要参考书CMOS数字集成电路一分析与设计（第3版）,Sung-Mo Kang等著，王志功等译，清华大学出版社（影Sung-Mo Kang, Yusuf Leblebici,"CMOS Digital IntegratedCircuits-Analysis and Design(ThirdEdition)".三、课程主要教学内容9.4高级互连技术9. 5综述9.6总结第10章存储器（6学时）（教材第12章）10.1分类10.2结构10.3内核--- 存储单元和阵列10.4外围电路10.5可靠性10.6总结。
清华大学《数字集成电路设计》周润德 第4章 互连线
V = V inc (1 + ρ )
I = I inc (1 − ρ )
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
源电阻 > 特征阻抗 源电阻 < 特征阻抗
无损传输线的瞬态响应
源电阻 = 特征阻抗
2004-9-22
源电阻 < 特征阻抗 有限的上升斜率
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
考虑连线RC延时的准则
• 当连线的 RC 延时与驱动门的延时相比较大，即：
（tpRC >> tpgate ）时需要考虑连线的 RC 延时。
需要考虑RC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
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。
2004-9-22
清华大学微电子所《 数字大规模集成电路》 周润德
1.75
导线层
Poly
Al1
Al2
Al3
Al4
Al5
电容
40
95
85
85
85
115
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
导线电容 (0.25 µm CMOS)
什么是互连
什么是互连？随着深亚微米（Deep Sub-Micron）集成工艺的发展，集成电路中广泛存在宽度仅为深亚微米量级且多层分布的金属互连线，这些互连线已不能近似为一种等电势连接，而需要考虑在电路正常工作情况下，它们之间的电磁耦合寄生效应（Parasitic Effect）。
而且，与晶体管不同，互连线的寄生效应，随着集成电路特征尺寸的缩小和工作频率的增大而日益重要。
研究表明[1]，在高速集成电路中，限制其发展的主要因素不是器件的门时延，而是互连线的寄生元件引起的时间时延、互连线之间信号的串扰和电路功耗。
与标准逻辑单元中的短线以及模块电路中的中长线不同，顶层的全局互连线长度不随工艺缩减而减小。
因此在深亚微米技术下，全局互连线的性能成为系统整体性能的主要限制因素。
全局互连线的设计和优化会对系统的整体性能，包括延时、带宽、功耗等产生直接影响,从而在深亚微米集成电路设计中，对全局互连线的极限性能的研究具有一定的理论意义。
互连线是指连接两个元器件之间的传输线。
按照互连线所在的设计层次的不同，可以将互连线分为以下几种：印刷电路版上的互连线、连接电路版的电缆线、芯片内部的互连线、芯片封装时管脚和芯片之间的互连线。
本文所讨论的均是芯片内部的互连线。
芯片内的互连线大致可以分成三种[1-4]：第一种是短线，即局部互连线。
短线主要用于逻辑门之间或者速度不是很快的器件间的连接，通常短线的长度远远小于信号波长，短线的时延主要受到耦合电容的影响，对系统时延没有显著影响一般可以忽略。
第二种是中长线，即模块间互连线。
中长线信号传输速度比短线快，电感耦合效应也变得突出，因而容易引起很高的噪声，中长线需要采用低电阻率金属和中等厚度的绝缘介质。
第三种是长线，即全局互连线。
长线对电路性能起着关键作用，长线特别需要采用低电阻率金属以减小信号线和电源线的电阻损耗，需要厚的绝缘层来增加特征阻抗，减小时延，需要较宽的线间距以减少串扰，虽然线宽和宽间距可以减小RC 时延和串扰，但同样也会影响布线密度。
数字ic后端金属互连线的负载电容
数字ic后端金属互连线的负载电容
数字IC后端金属互连线的负载电容是指数字集成电路芯片后端金属层中互连线所带来的电容。
这个负载电容是由金属线与衬底之间的电介质和金属线之间的电介质形成的。
在数字集成电路中，金属互连线的负载电容是一个重要的参数，它会影响信号的传输速度和功耗。
首先，金属互连线的负载电容会影哨数字IC的工作频率。
在数字集成电路中，信号的传输速度取决于互连线的负载电容。
较大的负载电容会导致信号传输速度变慢，从而影响芯片的工作频率。
其次，金属互连线的负载电容也会影响功耗。
在数字IC中，充电和放电互连线的负载电容需要消耗能量。
因此，较大的负载电容会导致更高的功耗。
此外，金属互连线的负载电容还会影响信号的延迟。
较大的负载电容会导致信号传输的延迟增加，从而影响芯片的性能。
最后，为了减小金属互连线的负载电容，工程师们通常会采取一些优化措施，比如采用更薄的绝缘层材料、采用更窄的金属线宽
度等。
这些优化措施可以帮助降低互连线的负载电容，从而提高芯片的性能和功耗表现。
综上所述，数字IC后端金属互连线的负载电容在数字集成电路设计中起着重要作用，对于芯片的工作频率、功耗、信号延迟等方面都有着重要影响。
工程师们需要在设计过程中充分考虑和优化这一参数，以确保芯片的性能和功耗表现达到设计要求。
集成电路互连线寿命的工艺缺陷影响分析
集成电路互连线寿命的工艺缺陷影
响分析
集成电路互连线的寿命主要受到工艺缺陷的影响，以下是具体分析：
1、金属分散性：金属分散性是集成电路互连线寿命最重要的因素之一，受金属分散性影响，互连线将会出现断裂和腐蚀。
2、热压焊缺陷：由于热压焊技术存在缺陷，如温度不够高或焊接时间不够长，都会导致互连线质量不足，从而影响其寿命。
3、外部环境温度：互连线的寿命受到外部环境温度的影响。
如果外部环境温度过高，容易使互连线材料变形，导致互连线断裂。
另外，温度过低也会导致互连线材料变脆，从而影响互连线的强度。
4、包装材料：如果包装材料质量不足，会导致互连线缺陷，从而影响其寿命。
5、封装温度：互连线的封装温度过高或者过低都会影响互连线的寿命。
如果封装温度过高，会使互连线材料变形，导致互连线断裂。
另外，温度过低也会导致互连线材料变脆，从而影响互连线的强度。
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pF/cm
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
互连线
互连线的电容效应
线间电容
连线的水平尺寸与垂直尺寸不按相同比例缩小，连线间距D 减小，线厚度H基本维持不变，导致线间寄生电容增大。
Level 2
Level 1
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
Intel 45 nm Stack
[Moon08]
互连线
互连线模型
考虑各种寄生参数的模型
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
电容模型
互连线
互连线特征
连线数目(对数幅度) Source: Intel
Local Interconnect SLocal = STechnology
Cwire C p p C fringe
W
H/ tdi
2 di
2 di
log2tdi / H
1
互连线
互连线的电容效应
互连线电容与W/H的关系
电介质为SiO2， r=3.9 电 容 （
）
• W/H 较大时，总
电容接近平行板 电容模型
• W/H 较小时 (W/H <1.5)，边
缘电容占总电容 的主要部分
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
互连线
互连线的电容效应
平行板电容模型（W >> tox）
C int
ox WL
tox
L
H tox
按比例缩小：
W
电力线 W、tox1/S
L 1/SL
SiO2 substrate
SC ,wire
S SL S
SL
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
互连线
互连线的电容效应
边缘电容：连线侧壁与衬底间的电容
H减小会引起连线电阻增加，因此H以一 个小于S的因子减小。使得W/H变小，甚 至W/H<1。此时，需要考虑边缘电容。
边缘场 H
W-H/2
边缘场电容模型
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
边缘场电容模型分解为两部分： 1）平行板电容； 2）边缘电容
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
互连线
互连线
transmitters
电路图
receivers
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
物理
互连线
互连线
Intel 90 nm Stack
[Thompson02]
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
10,000
100,000 互连线
互连线
概述 互连线参数模型
电容模型 电阻模型
导线模型
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
互连线
互连寄生效应
寄生效应对电路的影响
引入噪声，可靠性降低 影响性能，延时增加 功耗增加
寄生效应类型
电容性寄生效应 电阻性寄生效应
多晶硅 多晶硅化物 金属（铝）
薄层电阻（/□） 1000~1500 50 ~150 3~5 150~200 4~5 0.05~0.1
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
互连线
互连线的电阻效应
多晶硅化物栅 MOSFET
硅化物：硅和难熔金属形成的合成材料，具有高导电性并 能耐受高温工艺步骤，导电性能比多晶好8~10倍
HW
H W
L R R口 W
L
薄层电阻（sheet resistance）R□
R口 H
单位：/□
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
互连线
互连线的电阻效应
常用互连材料的薄层电阻值
典型0.25um CMOS工艺的薄层电阻值
材料 n阱或p阱 n+、p+扩散 n+、p+硅化物扩散
6.5 14
6.8 15
7.0 15
8.9 18
15 27
35 45
85
5.2 5.4 5.4 6.6 9.1 14
AL5 12
12
12
14
19
27
38 52 115
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
互连线
互连线的电阻效应
互连线电阻的模型
均匀厚平板导电材料电阻
R L
通孔（via）：金属层间连接 电流集聚（current crowding）效应 加大接触孔或通孔面积可以降低接触电阻，但接触孔或通孔
较大时，电流往往集中在接触孔周边。因此，接触孔或通孔 通常都采用固定大小，而用多个孔并列来减少接触电阻
集成电路原理
数字集成电路
第四讲 互连线
互连线
概述 互连线参数模型
电容模型 电阻模型
导线模型
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
互连线
概述
随着工艺进步，互连线越来越重要
器件尺寸缩小，器件本身的延时按比例减小 导线引起的寄生效应减小速度不如有源器件 电路规模增大，连线越来越复杂 … 互连线对电路性能、功耗和可靠性的影响越来越大
常用的硅化物：WSi2，TiSi2，PtSi2和TaSi等 多晶硅化物：底层多晶硅上面覆盖硅化物
硅化物
多晶
SiO2
n＋ p
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
n＋
互连线
互连线的电阻效应
接触电阻
接触孔（contact）：导电层之间的转接，如多晶、扩散区 (p+，n+)与金属间连接
Pentium Pro (R) Pentium(R) II Pentium (MMX) Pentium (R) Pentium (R) II
Global Interconnect
SGlobal = SDie
10
100
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
1,000
长度(微米)
互连线
互连线电容值(0.25um工艺)
平面电容
场氧 有源区 多晶 AL1 AL2 AL3 AL4 AL5
多晶 88
线间电容
54
40
边缘电容 AL1
30
41
57
40 47 54 95
AL21Βιβλιοθήκη 2515 2717 29
36 45
85
AL3
8.9 9.4 18 19
10 20
15 27
41 49
85
AL4
SiO2
线间电容
互连线
互连线的电容效应
线间电容
边缘 电容
平行板 电容
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
互连线
互连线的电容效应
线间电容
W/H较小（<1.75）时， 线间电容起主要作用
数字集成电路 Digital Integrated Circuit
连线电容各种分量随器件尺寸变化的关系