清华大学《数字集成电路设计》周润德-第4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1页现代工艺中的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Intel0.25微米工艺互连线5层金属Ti/Al-Cu/Ti/TiNPolysilicondielectric2004-9-22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0.1微米高性能微处理器中的互连线5层铝导线氧化绝缘层钨塞器件8层铜导线低k绝缘层铜塞器件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）)节点数（对数坐标）PentiumPro(R)Pentium(R)IIPentium(MMX)Pentium(R)Pentium(R)II局域互连线全局互连线S局域=S工艺S全局=S芯片Source:Intel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M1、M2、M4、（M5）：功能快连线M1:局部（单元内）连线宽厚和间距大的连线布置在高层M5及以上采用较厚连线：全局连线、电源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页发送器接收器完整模型（电阻＋电容＋电感）电容模型导线及模型互连线将影响：（1）可靠性（2）性能（3）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VDDVDDVinVoutM1M2M3M4Cdb2Cdb1Cgd12CwCg4Cg3Vout2扇出（Fanout）互连线VoutVinCL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WLtcdidiintε=绝缘衬LWHtdi电场电LLCwireSSSSS1=⋅=连线电容连线电容按比例缩小因子（一）互连线电互连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(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W-H/2H+(a)(b)1=tHdi5.0=tHdiCpp1.51pF/cm2004-9-22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1158585859540电容Al5Al4Al3Al2Al1Poly导线层线间电容（单位：）maFµ（介质与导线厚度不变）1.75线间接地平板边缘平板线间接地线间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(0.25µmCMOS)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：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》周润德第4章第14页R=ρHWLSheetResistance（二）互连线电阻WLHR1R2薄层电阻，方块电阻R2004-9-22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，SheetResistance2004-9-22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•采用有选择性的工艺尺寸缩小•采用优质互连线材料–如：铜、硅化物（Silicides）•采用更多互连层–减少平均导线长度硅化物栅（Polycide）MOSFETSilicides:WSi2,TiSi2,PtSi2,TaSi导电率为Poly的8-10倍n+SiO2PolySiliconSilicidepn+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（Lumped）模型Vout驱动器DrivercwireVinClumpedRdriverVout分布电容集总电容（三）RC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（ElmoreDelay）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Elmore延时当导线由N个等长的导线段（r，c)组成时：当N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RC线的延时扩散方程：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）00.511.522.533.544.5500.511.522.5电压（V）x=L/10x=L/4x=L/2x=L分布RC导线的阶跃响应（与时间、位置的关系）集总和分布RC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RS时RC线的延时VinRsVout(rw,cw,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：（tpRCtpgate）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/0.38rc•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（triseRC）时需要考虑连线的RC延时。–如不满足（即triseRC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芯片上互连线PC板上互连线美国标准双股线C：电容，L：电感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L上的电压降C和G上的电流返回路径传输线（波动方程）（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µεεµυrrclc011===ZRZRIIVVincreflincrefl00+−===＝ρ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10至200欧姆）传输线终端发射系数clZ=0lctp==υ1()ρ+=1VVinc()ρ−=1IIinc2004-9-22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有限的上升斜率源电阻=特征阻抗终端为电容负载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29页有损传输线的阶跃响应VinVxZ,rxVxVintvxeVxVxZrstepstep02)0()(−=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30页（1）如果，互连线显示为RC线。（2）如果，应当考虑传输线效应。（3）如果输入信号的上升时间或下降时间小于传输线的信号飞越时间，即：ZR02ZR05υLtttflightfr5.25.2)(=lc1=υL为导线长度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，传输线可考虑成无损耗的。20ZR估计传输线效应的准则联合（2）和（3），有：clrLlctr515.2eVxVxZrstepstep02)0()(−=rLR=（互连线总长）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31页趋肤效应µπρδf=电流下降至它额定值的时的趋肤深度e1－2),(max(4HWfSπµρ=趋肤效应“开始”时频率，即趋肤深度等于导体最大尺寸（W或H）的½时的频率)(2)(WHffr+=µρπ高频（）时单位长度的电阻值ffS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0.7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