清华大学 数字大规模集成电路 麦宋平 课件L03_互连线_50506280

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讲课进度
一、引言 、引言 二、互连线的电容效应 线的 容效应 三、互连线的电阻效应 四、互连线模型 五、综述 六 总结 六、总结
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三、互连线的电阻效应：电阻率和薄层电阻
互连线电阻的模型
均匀厚平板导电材料电阻
电流 电流 W L W`
常用导体的电阻率
L H W 矩形导体的电阻：
L`
薄层电阻（sheet resistance）R□（对于 给定工艺 H 通常是一个常数）： 给定工艺，
Level1 SiO2
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，连线厚度 H 基本维持不变，导致线间寄生电容增大 基本维持不变，导致线间寄生电容增大。
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二、互连线的电容效应：线间电容
W/H
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二、互连线的电容效应：线间电容
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二、互连线的电容效应：对地和线间电容的比较
例：L＝10cm，W＝1um 的Al1线，求其对地电容和线间电容。
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二、互连线的电容效应：互连线电容值 (0.25 m CMOS)
场氧 多晶 AL1 AL2 AL3 AL4 AL5 88 54 30 40 13 25 8.9 18 6.5 14 5.2 12 41 47 15 27 9.4 19 6.8 15 5.4 12 57 54 17 29 10 20 7.0 15 5.4 12 36 45 15 27 8.9 18 6.6 14
边缘场 H W-H/2
Cwire C p p C ffringe g
W H / 2 di
t di
边缘场电容模型
2 di log g2t di / H 1
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二、互连线的电容效应：互连线电容与W/H的关系
W < tdi时，总电容会趋于1 pF/cm
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。
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讲课进度
一、引言 、引言 二、互连线的电容效应 线的 容效应 三、互连线的电阻效应 四、互连线模型 五、综述 六 总结 六、总结
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二、互连线的电容效应：负载电容的组成
负载电容 CL 组成分析
VDD M2 Vin Cgd12 Cdb2 Vout Cdb1 Cw Cg3 M3 扇出 Cg4 4 VDD M4 Vout2
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四、互连线模型：集总 RC模型（Elmore延时）
定义：
共享路径电阻 Rik：根节点 r 至节点 k 和节点i这两条路径共享的电阻
如 Ri4＝R1+R3，Ri2＝R1 如：
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四、互连线模型：集总 RC模型（Elmore延时）
每个节点初始被放电，时间 t = 0， 在节点 r 加 加一个阶跃输入 个阶跃输入，节点 节点 i 的 Elmore延时：
M1 驱动器 动 简化模型 简
连线电容
CL
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二、互连线的电容效应：平行板电容模型
平行板电容模型（W >> tox）
C
L W H tox SiO2 substrate 电力线
ox
tox
WL
按比例缩小：
W、tox1/S L 1/SL
S C , wire
1/ S 1/ S L 1/ S L 1/ S
Vo ut cwi re Driver
Vin
R driver
V out
C lumped
Clumped＝LCwire
Cwire：单位长度导线电容
驱动器（Driver）：电压源＋内阻
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四、互连线模型：集总 RC模型（Elmore延时）
集总电容模型：不考虑电阻，导线看作等势体 集总 RC 模型：考虑导线电阻 导线分段，每段导线的导线电阻集总成 导线分段，每段导线的导线电阻集总成一个电阻 个电阻 R，电容 集总成一个电容 C 电路分析： 集总电容模型：单电阻单电容，用一个常微分方程描述 集总 RC 模型：多电阻多电容，用一组常微分方程 用SPICE模拟 Elmore延时公式计算
红色：上层 蓝色 下层 蓝色：下层 无阴影：平板电容 aF/um2 有阴影：边缘电容 有阴影 边缘电容 aF/um / 计算时需考虑2个边缘
有源区
多晶
AL1
AL2
AL3
AL4
AL5
41 49 15 27 9.1 19
35 45 14 27 38 52
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二、互连线的电容效应：线间电容
线间电容
Level2
H>W
Intel 0.18微米工艺互连线
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二、互连线的电容效应：边缘电容
边缘电容：连线侧壁与衬底间的电容
H 减小引起连线电阻增加，因此H 以一个小于 S（S 为 W 的缩放因子） 的因子减小 使得 W/H 变小，甚至 的因子减小，使得 变小 甚至 W/H < 1。此时，需要考虑边缘电容。 边缘场电容模型分解为两部分： （1）平行板电容 （2）边缘电容
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四、互连线模型：集总 RC模型（Elmore延时）
电阻电容网络（RC树）
特点： 一个输入节点 个输入节点 r 电容都在节点和地之间 不存在电阻回路（树结构）
定义：
路径电阻 路径电 Rii ：源节点 源节点 r 与电路的任何节点 i 之间存在惟一的电阻 之间存在惟 的电 路径，路径的总电阻称为路径电阻，如 R44＝R1+R3+R4
1）多晶、扩散、阱的电阻率随着掺杂浓度和温度而变化 2）多晶，扩散区有较高的电阻，一般不用作互连线 3）多晶可以用作Latch或者Register的内部连线
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三、互连线的电阻效应：工艺上减小电阻的办法
选择性的按比例缩小
水平尺寸（W、L）缩小，垂直尺寸（H）基本恒定 工艺变复杂，寄生电容增大
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二、互连线的电容效应：边缘电容
随着尺寸缩小： 为保持电阻比较小，需要互连线 为保持电阻比较小 需要互连线 的截面积比较大，即（W × H） 比较大； 为获得较密布线，需W比较小。 随着工艺尺寸的缩小 随着工艺尺寸的缩小， W/H 在逐步下降
Intel 0.25微米工艺互连线
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二、互连线的电容效应：边缘电容

中层的多晶硅连线


下层的扩散区连线

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一、引言：互连线的种类
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一、引言：互连线及其模型
此处的互连线都位于同一层
发送器
接收器
电路图
物理
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一、引言：互连线的延时和耦合
考虑各种寄生参数的模型
仅考虑电容的模型
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一、引言：互连寄生效应对电路的影响
寄生效应的类型： 电容性的寄生效应 电阻性的寄生效应 电感性的寄生效应 寄生效应的影响： 引入噪声，可靠性降低 影响性能：延时增加 功耗增加
总的对地电容(11pF)和线间电际设计当中如何计算电容 一般制造商会提供每层的面电容和周边电容。 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，导线电容的计算：
考虑延迟或动态功耗时， 一般用最坏情况 考虑延迟或动态功耗时 般用最坏情况 （最大宽度 W ，最薄介质）； 考虑竞争情况时用最小宽度W 及最厚介质； 要用制造后的实际尺寸。
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四、互连线模型
理想导线 集总RC模型 分布rc线（Distributed rc-Line） 传输线
理想导线是没有电阻、电容或电感的简单 连接 是一个等势体。 连接，是 个等势体。
集总模型（Lumped Model）
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四、互连线模型：集总模型
一种寄生效应起主要作用，或寄生元件间的相互作用很小，可以把各个 分量集总成单个电路元件进行分析 寄生效应可以用常微分方程描述 分量集总成单个电路元件进行分析。寄生效应可以用常微分方程描述。 导线电阻很小，开关频率较低，只考虑电容，并将分布电容集总为 单个电容 这种集总模型称为集总电容模型 单个电容。这种集总模型称为集总电容模型。
一阶时间常数：源节点 阶时间常数：源节点 r 与节点 i 之间延时的简单近似
Di R1C1 R1C 2 R1 R3 C 3 R1 R3 C 4 R1 R3 Ri C i
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四、互连线模型： 集总RC 链（Elmore延时）
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一、引言：互连线的重要性
随着工艺的进步，
器件尺寸缩小，器件本身的延时按比例减小。互连线 在尺寸缩小时其寄生效应同晶体管等有源器件并不相同。 事实上，随着芯片规模的增大（虽然工艺线宽在缩小， 但是芯片的整体尺寸在增大），全局互连线的平均长度 也在增大 从而导致了相应寄生效应的增大 也在增大，从而导致了相应寄生效应的增大； 电路规模增大，连线越来越复杂； ……
平行板电容： 平行板电容 边缘电容： 总对地电容 总对地电容： 线间电容：
(0.1106 m 2 ) 30aF / m 2 3 pF 2 (0.1106 m) 40aF / m 8 pF 11 pF F
Cgnd Cadj
(0.1106 m 2 ) 95aF / m 9.5 pF
数字大规模集成电路 —— 第3节 互连线 The Wire （第 4 章）
麦宋平 清华大学深圳研究生院 Mai.songping@ 2012年秋季学期
思考题
互连线对集成电路有什么影响？
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本章提纲
一 引言 一、引言 二、互连线的电容效应 连线的电容效应 三、互连线的电阻效应 四、互连线模型 五、综述 综述 六 总结 六、总结
R
L
HW
R口

H
单位：/□
L R R口 W
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三、互连线的电阻效应：多晶硅化物栅 MOSFET