1、集成電路原理與設(shè)計(jì)MOS器件瞬態(tài)和無源器件2長(zhǎng)溝道長(zhǎng)溝道MOS器件模型器件模型3.1.1 MOS晶體管閾值電壓分析晶體管閾值電壓分析3.1.2 MOS晶體管電流方程晶體管電流方程3.2.1 MOS晶體管的亞閾值電流晶體管的亞閾值電流3.2.2 MOS晶體管的瞬態(tài)特性晶體管的瞬態(tài)特性電路分析n直流分析直流分析n交流分析交流分析n瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析3瞬態(tài)分析n輸出信號(hào)的上輸出信號(hào)的上升時(shí)間和下降升時(shí)間和下降時(shí)間時(shí)間n輸入信號(hào)到輸輸入信號(hào)到輸出信號(hào)的出信號(hào)的延遲延遲時(shí)間時(shí)間4VDDVVinoutt瞬態(tài)特性的影響因素瞬態(tài)特性的影響因素n通過通過MOS對(duì)節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)電容電容充放電充放電nVout|VTP|,

2、 PMOS線性線性5VDDCLt = 0Vin6MOS晶體管的瞬態(tài)晶體管的瞬態(tài)n 本征電容本征電容n 寄生電容寄生電容71 MOS晶體管的本征電容晶體管的本征電容- - - - -+- - - -p-SiVVVSGBDVQGQQcBn+n+8Meyer電容模型電容模型3個(gè)集總電容：個(gè)集總電容： , ,GBGTGBGDGTGDGSGTGSVQCVQCVQC)(BTCTGTQQQ強(qiáng)反型后強(qiáng)反型后CTGTQQ- - - - -+- - - -p-SiVVVSGBDVQGQQcBn+n+9溝道區(qū)反型層電荷溝道區(qū)反型層電荷223332TGDTGSTGDTGSoxCTVVVVVVVVWLCQDSDSTGS

3、DSTGSTGSoxLcTGSoxCTVVVVVVVVVWLCyyVVVWCQ)(2)()(32 d)(330 , ,GBGTGBGDGTGDGSGTGSVQCVQCVQC- - - - -+- - - -p-SiVVVSGBDVQGQQcBn+n+10本征電容：本征電容：線性區(qū)線性區(qū)2DSTGS2TGSoxGDCTGD2DSTGS2DSTGSoxGSCTGS2132,2132VVVVVWLCVQCVVVVVVWLCVQC0BTGBGBQCV oxGDGSDSWLCCCV21 , 0223332TGDTGSTGDTGSoxCTVVVVVVVVWLCQ強(qiáng)反型后體電荷保持不變強(qiáng)反型后體電荷保持不變

4、11本征電容：本征電容：飽和區(qū)飽和區(qū)TGSDsatDSVVVV0032GBBTGBGDCTGDoxGSCTGSVQCVQCWLCVQC2DSTGS2TGSoxGDCTGD2DSTGS2DSTGSoxGSCTGS2132,2132VVVVVWLCVQCVVVVVVWLCVQC12本征電容：本征電容：截止截止區(qū)區(qū)212/ )(41FBGSoxGBBTGBVVWLCVQC0GDGSCCGTCTBTBT()QQQQ SiO2SiO2n+n+SDLp-SitoxxjGn表面耗盡表面耗盡n弱反型弱反型13本征電容隨本征電容隨VGS的變化的變化14本征電容的簡(jiǎn)單分區(qū)模型本征電容的簡(jiǎn)單分區(qū)模型工作區(qū)工作區(qū) C

5、GB CGS CGD截止區(qū)截止區(qū) WLCox 0 0線性區(qū)線性區(qū) 0 1/2 WLCox 1/2WLCox飽和區(qū)飽和區(qū) 0 2/3 WLCox 0152 MOS晶體管的寄生電容晶體管的寄生電容源、漏區(qū)源、漏區(qū)pn結(jié)電容結(jié)電容jcjPDjADDBjcjPSjASSBnCCPCACnCCPCAC31021011bijpjPbijjAVVCCVVCC16柵柵-源、柵源、柵-漏覆蓋電容漏覆蓋電容n+n+CGSCGDLD00 ,GDGDGSGSoxDGDGSWCCWCCCWLCC17柵柵-襯底覆蓋襯底覆蓋電容電容CGBovCGBovLLF0 GBoxFFGBLCCLLC18MOS晶體管的瞬態(tài)分析模型晶體

6、管的瞬態(tài)分析模型RSSCGBCGBCCCGSGSDBjISBSBCCCIDBDBRDGDGDjIGD19MOSFET電容的簡(jiǎn)化模型電容的簡(jiǎn)化模型VinCinVoutCout DBoutoxinCCWLCC第三章 集成電路器件與模型nMOS器件器件n二級(jí)效應(yīng)二級(jí)效應(yīng)nMOS的的SPICE模型模型n雙極器件雙極器件n無源器件無源器件2021CMOSCMOS工藝工藝: :無源器件無源器件n集成電阻器集成電阻器n集成電容器集成電容器n集成電路中的互連線集成電路中的互連線22MOSMOS工藝：工藝： n+n+或或p+p+擴(kuò)散電阻擴(kuò)散電阻50150/方塊方塊存在對(duì)襯底的寄生電容存在對(duì)襯底的寄生電容23MO

7、SMOS工藝：多晶硅電阻工藝：多晶硅電阻30200/方塊方塊24MOSMOS工藝：阱電阻工藝：阱電阻110k/方塊方塊25集成電路中的元器件集成電路中的元器件n集成電阻器集成電阻器n集成電容器集成電容器n集成電路中的互連線集成電路中的互連線26幾種電容結(jié)構(gòu)幾種電容結(jié)構(gòu)nMOS電容電容n雙層多晶硅（金雙層多晶硅（金屬）疊置電容屬）疊置電容n阱區(qū)阱區(qū)MOS電容電容27多層金屬：多層金屬：垂直電容垂直電容水平電容水平電容 - 0.97 M1 - 0.10 M6 - 0.10 M7 - 0.70 M2 - 0.50 M3 - 0.50 M4 - 0.50 M5 28集成電路中的元器件集成電路中的元器件

8、n集成電阻器集成電阻器n集成電容器集成電容器n集成電路中的互連線集成電路中的互連線29連線寄生效應(yīng)對(duì)電路的影響連線寄生效應(yīng)對(duì)電路的影響 連線存在著寄生連線存在著寄生電阻電阻、電容電容和電感和電感 連線連線RC延遲影響速度延遲影響速度連線寄生效應(yīng)引入噪聲連線寄生效應(yīng)引入噪聲30互連線參數(shù)互連線參數(shù)按比例縮按比例縮小后小后幾何尺寸L，W，H1/k電阻 R=L/WHk電容 Cox1/k延遲時(shí)間 RC1電壓降 IR1電流密度 I/WHk接觸孔電阻k231互連線對(duì)電路的影響互連線對(duì)電路的影響 互連線的延遲占據(jù)電路整體延遲的比互連線的延遲占據(jù)電路整體延遲的比例不斷增加例不斷增加 互連線的互連線的IR電壓降

9、，引起信號(hào)電壓幅電壓降，引起信號(hào)電壓幅度下降度下降芯片面積增大使連線長(zhǎng)度增加，進(jìn)一芯片面積增大使連線長(zhǎng)度增加，進(jìn)一步加劇以上問題步加劇以上問題32模塊最大延遲時(shí)間(ps)Adder600Result Mux60Early Bypass Mux100Middle Bypass Mux80Late Bypass Mux752mm wire100nItanium處理器的算術(shù)邏處理器的算術(shù)邏輯單元（輯單元（ALU）結(jié)構(gòu)圖）結(jié)構(gòu)圖n如果觸發(fā)器的建立時(shí)間為如果觸發(fā)器的建立時(shí)間為65ps,clk到輸出到輸出Q的延遲時(shí)的延遲時(shí)間為間為50psn請(qǐng)計(jì)算電路工作的最大時(shí)請(qǐng)計(jì)算電路工作的最大時(shí)鐘周期鐘周期33互連線

10、互連線n寄生電容寄生電容n寄生電阻寄生電阻n寄生電感寄生電感n互連線引起可靠性問題互連線引起可靠性問題n互連線的互連線的RC延遲延遲34連線的寄生電容連線的寄生電容35WS硅襯底HTTLSCWLHCoxox0m0v ,互連線電容互連線電容mvl2CCkC36WE E硅襯底HT邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)37互連線寄生電容：特征尺寸減小互連線寄生電容：特征尺寸減小 38互連線互連線n寄生電容寄生電容n寄生電阻寄生電阻n寄生電感寄生電感n互連線引起可靠性問題互連線引起可靠性問題n互連線的互連線的RC延遲延遲39連線的寄生電阻連線的寄生電阻 連線電阻連線電阻: R=RL/W, R=/T 接觸孔電阻接觸孔電阻:

11、Rco = c/Wl40 不同連線材料的電阻率不同連線材料的電阻率 材料材料 電阻率電阻率(-m) 銀銀(Ag) 1.610-8 銅銅(Cu) 1.710-8 金金(Au) 2.210-8 鋁鋁(Al) 2.710-8 鎢鎢(W) 5.510-8 41不同材料的方塊電阻不同材料的方塊電阻 (針對(duì)針對(duì)0.25umCMOS工藝工藝) 材料材料 方塊電阻方塊電阻(/) n+、 p+擴(kuò)散層擴(kuò)散層 50150 n+、 p+擴(kuò)散層擴(kuò)散層 （有硅化物（有硅化物 ） 35 N阱阱 1000 1500 多晶硅多晶硅 150200 多晶硅（有硅化物多晶硅（有硅化物 ） 45 金屬鋁金屬鋁 0.050.142減小互

12、連線寄生電阻43Wire Spacing ComparisonsIntel P856.5Al, 0.25m - 0.33 M2 - 0.33 M3 - 0.12 M4 - 1.11 M1 - 0.05 M5 Scale: 2,160 nm - 0.49 M2 - 0.49 M3 - 0.17 M4 - 1.00 M1 - 0.08 M5 - 0.07 M6 Intel P858Al, 0.18m IBM CMOS-8SCU, 0.18m - 0.97 M1 - 0.10 M6 - 0.10 M7 - 0.70 M2 - 0.50 M3 - 0.50 M4 - 0.50 M5 From MPR,

13、 200044互連線互連線n寄生電容寄生電容n寄生電阻寄生電阻n寄生電感寄生電感n互連線引起的可靠性問題互連線引起的可靠性問題n互連線的互連線的RC延遲延遲45連線的寄生電感連線的寄生電感tiLtVLLdd)(46寄生電感的典型值寄生電感的典型值 封裝引腳和鍵合線的寄生電容和電感封裝引腳和鍵合線的寄生電容和電感 封裝類型封裝類型 電容電容 (pF) 電感電感(nH) 68-pin plastic DIP 4 35 68-pin ceramic DIP 7 20 256-pin grid array 1-5 2-15 鍵合線鍵合線 0.5-1 1-2 壓焊塊壓焊塊 0.1-0.5 0.01-0.

14、147互連線互連線n寄生電容寄生電容n寄生電阻寄生電阻n寄生電感寄生電感n互連線引起的可靠性問題互連線引起的可靠性問題n互連線的互連線的RC延遲延遲48連線寄生電阻：歐姆壓降（連線寄生電阻：歐姆壓降（IR Drop）49互連線寄生電容：線間串話互連線寄生電容：線間串話M1VmmM2VCCCV V67. 15 . 24080802MV對(duì)于對(duì)于0.25um工藝，工藝，Cm=80fF/mm，Cv=40fF/mm，如果如果M1上信號(hào)變上信號(hào)變化化2.5V，則可以計(jì)，則可以計(jì)算算M2上產(chǎn)生的干上產(chǎn)生的干擾信號(hào)擾信號(hào)50 避免線間串話的措施避免線間串話的措施51互連線互連線n寄生電容寄生電容n寄生電阻寄生

15、電阻n寄生電感寄生電感n互連線引起的可靠性問題互連線引起的可靠性問題n互連線的互連線的RC延遲延遲52互連線延遲的仿真波形互連線延遲的仿真波形voltage (V)time (nsec)VinVoutLL/10L/4L/2LvoutvCR53互連線互連線RC延遲的集總模型延遲的集總模型dd( )1 e, 50% 0.6990% 2.2outinoutlltoutDDlloutDDoutDDVVVCtRVtVRCVVtVVt傳輸延遲時(shí)間傳輸延遲時(shí)間輸出信號(hào)上升輸出信號(hào)上升/下降時(shí)間下降時(shí)間10% 90% 54連線連線RC延遲的分布模型延遲的分布模型11()()iiiiiVVVVVc Ltr L無

16、法解析求解無法解析求解55分布模型的近似求解分布模型的近似求解2()() (2), outLVLrcrcNrcLN 22(1)()()222outN NrcLRCVrcL56分布分布RC模型與集總模型與集總RC模型模型差別差別電壓變化范圍電壓變化范圍 集總集總RC模型模型 分布分布RC模型模型 0 50% (tpd) 0.69RC 0.38 RC 0 63% () RC 0.5 RC 10% 90% (tr) 2.2 RC 0.89 RC57 電路模擬中近似的分布電路模擬中近似的分布RC模型模型58 互連線互連線RC延遲的模擬結(jié)果延遲的模擬結(jié)果59 Elmore的的RC網(wǎng)絡(luò)延遲模型網(wǎng)絡(luò)延遲模型

17、NiijjiNiNijjiRCCR111)()(2121211iiiRRRCRRCRC 60Elmore模型c1c2ci-1cicNr1r2ri-1rirNVinVN12i-1iN D1=c1r1 D2=c1r1 + c2(r1+r2) Di=c1r1+ c2(r1+r2)+ci(r1+r2+ri) Di=c1req+ 2c2req+ 3c3req+ icireqElmore delay equation DN = cirii = ci rjNi互連線對(duì)電路影響：展望互連線對(duì)電路影響：展望6162芯片面積增大芯片面積增大縮小長(zhǎng)連線按比例DM2ALp0ox0oxMMM0.69 0.69tRCLkWLTLW THS 2Dox0pAt 如果互連線的寬度，高度，間距和介質(zhì)層厚如果互連線的寬度，高度，間距和介質(zhì)層厚度等按比例