天津大学数字集成电路-第二讲-导线

TJICTJU.ASICCenter---ArnoldShi第二讲导线和传输线模型天津大学电子科学与技术系VLSI课件史再峰[e-mail]---ArnoldShi一、综述：现代集成电路工艺中的互连线TJU.ASICCenter---ArnoldShiIntel工艺技术路线TJU.ASICCenter---ArnoldShiIntel0.25微米工艺互连线TJU.ASICCenter---ArnoldShi互连线结构式示意图TJU.ASICCenter---ArnoldShi101001,00010,000100,000Length(u)Noofnets(LogScale)PentiumPro(R)Pentium(R)IIPentium(MMX)Pentium(R)Pentium(R)II互连线的长度分布LocalInterconnectGlobalInterconnectSource:IntelTJU.ASICCenter---ArnoldShi各材料连线延时的比较00.10.20.30.40.50.60.70.80.91NormalizedWireDelayAl/SiO2Cu/SiO2Cu/FSGCu/SiLKFromMPR,2000TJU.ASICCenter---ArnoldShi线间距工艺参数对比IntelP856.5Al,0.25m-0.33M2-0.33M3-0.12M4-1.11M1-0.05M5Scale:2,160nm-0.49M2-0.49M3-0.17M4-1.00M1-0.08M5-0.07M6IntelP858Al,0.18mIBMCMOS-8SCU,0.18m-0.97M1-0.10M6-0.10M7-0.70M2-0.50M3-0.50M4-0.50M5FromMPR,2000TJU.ASICCenter---ArnoldShi现代多层布线工艺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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-0.49M2-0.49M3-0.17M4-1.00M1-0.08M5-0.07M6TJU.ASICCenter---ArnoldShi导线集成电路的导线已经形成复杂的几何形体,引起电容、电阻和电感等寄生参数效应。会使传播延时增加，性能下降会影响功率和能耗的分布会引起额外的噪声来源，影响电路的可靠性TJU.ASICCenter---ArnoldShi导线的完整模型和电容模型TJICTJU.ASICCenter---ArnoldShi二、ELMORE延时模型TJU.ASICCenter---ArnoldShi传播延时建模分析用一阶RC网络分析RCvinvoutvout(t)=(1–e–t/)V=RC，时间常数到达50%的点的时间t=ln(2)=0.69到达90%的点的时间t=ln(9)=2.2TJU.ASICCenter---ArnoldShi树结构的RC网络该电路只有一个输入点所有的电容都在某个节点与地之间该电路不包括任何电阻回路（形成树结构）sr11234ir2r4r3ric1c2c4cic3TJU.ASICCenter---ArnoldShi艾尔默延时路径电阻：从源节点到任何节点之间存在唯一的电阻路径，其总电阻称为路径电阻rii=rj(rj[path(si)]共享路径电阻表示从个节点到i及k两个节点的路径中共享部分的总电阻rikrik=rj(rj[path(si)path(sk)])j=1ij=1N该节点的elmore延时为Di=cirikk=1NTJU.ASICCenter---ArnoldShiElmore延时模型的应用为长导线建立延时模型为传输门逻辑的延时建模对上拉或下拉网络的延时模型建模TJU.ASICCenter---ArnoldShi课堂练习：计算下列图形的elmore延时TJICTJU.ASICCenter---ArnoldShi三、互连线的电容模型TJU.ASICCenter---ArnoldShi互连线的平行板电容模型电场电力线WHtdi电解质(SiO2)衬底Cpp=(di/tdi)WL电流总电容介电常数(SiO2=3.9)LTJU.ASICCenter---ArnoldShi典型的绝缘材料的相对介电常数MaterialdiFreespace1TeflonAF，聚四氟乙烯2.1Aromaticthermosets(SiLK)芳香族热固材料2.6–2.8Polyimides(organic)3.1–3.4Fluorosilicateglass(FSG氟硅酸盐)3.2–4.0Silicondioxide3.9–4.5Glassepoxy(PCBs)5Siliconnitride7.5Alumina(package)9.5Silicon11.7Hafniumdioxide二氧化铪22TJU.ASICCenter---ArnoldShi边缘电容及其影响TJU.ASICCenter---ArnoldShi边缘场效应的互连电容与W/t的关系(from[Bakoglu89])H/tdi=1H/tdi=0.5CppW/tdiTJU.ASICCenter---ArnoldShi导线的电容耦合边沿电容pp电容Cwire=Cpp+Cfringe+Cinterwire=(di/tdi)WL+(2di)/log(tdi/H)+(di/tdi)HLTJU.ASICCenter---ArnoldShi互连电容与设计规则的关系TJU.ASICCenter---ArnoldShi设计时,对于导线电容的考虑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：要用制造后的实际尺寸，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）考虑竞争情况时用最小宽度W及最厚介质。TJU.ASICCenter---ArnoldShi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n+n+SiO2polysiliconsilicidepTJU.ASICCenter---ArnoldShi四、导线RC延时模型理想导线：没有任何附加参数或寄生元件的简单连线导线一端的变化会立刻传递到另一端导线是一个等势区集总模型（LumpedCmodel）cwireDriver单位长度电容VoutClumpedRDriverVoutTJU.ASICCenter---ArnoldShi互连线延时的仿真结果00.511.522.500.511.522.533.544.55time(nsec)VinVoutLL/10L/4L/2LTJU.ASICCenter---ArnoldShi导线延时模型集总式RC模型导线的电阻部分很小，并且开关频率在低至中间范围内把分布的电容集总为单个电容分布式RC模型导线寄生参数沿导线长度分布c与l表示单位长度的电阻和电容(r,c,L)VNVinrLVinVNrLrLrLrLcLcLcLcLcLTJU.ASICCenter---ArnoldShi分布式rc线导线长度为L，分割成N段，每段电阻rL/N，每段的电容cL/N利用Elmore延时来计算TJU.ASICCenter---ArnoldShi两种模型的阶跃响应VoltageRangeLumpedRCDistributedRC050%(tp)0.69RC0.38RC063%()RC0.5RC10%90%(tr)2.2RC0.9RC090%2.3RC1.0RCTJU.ASICCenter---ArnoldShi例题：考虑驱动器内阻RS时RC线的延时TJU.ASICCenter---ArnoldShi传输线的spice模型如果仿真器不支持分布式的RC模型,可以手动用具有有限个元件的集总RC网络来近似，pi3模型精度误差小于3%TJU.ASICCenter---ArnoldShi练习：计算T2模型与PI3模型的延时TJU.ASICCenter---ArnoldShi电子系统中的互连线