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 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