vlsi電路及系統(tǒng)設(shè)計課程內(nèi)容與學(xué)時分配

VLSI電路和系統(tǒng)設(shè)微納電子 —課程內(nèi)容與學(xué)時分第0（3學(xué)時第1部分MOS器件按比例縮小及其對VLSI的影響（12學(xué)時第2部分 第3VLSI運算電路分析與設(shè)計（9學(xué)時第4VLSI控制電路分析與設(shè)計（3學(xué)時第5VLSI設(shè)計方法學(xué)（3學(xué)時部分

微納電子 —

部分★第1講按比例縮小理★第2講高場效應(yīng)對小尺寸器件性能的影★第3講器件參數(shù)漲落的影★第4講寄生效應(yīng)的影

微納電子學(xué)—

寄生效應(yīng)的影★MOS晶體管源/漏區(qū)寄生電★MOS晶體管的寄生電★互連線的寄生電★互連線的寄生電★互連線的RC延

微納電子學(xué)—

寄生效應(yīng)的影源/漏區(qū)寄生電

微納電子學(xué)—

源/漏區(qū)寄生電★寄生電阻不能按比例縮小，這將使寄生電阻的影響變大。源漏區(qū)寄VGS￠=

-IDV￠￠= - + D

微納電子學(xué)—

源/漏區(qū)寄生電源漏區(qū)寄生電阻概述(續(xù)L★串聯(lián)電阻組成結(jié)L接觸電擴(kuò)散層電

積累層電擴(kuò)展電Source:NGKK,etal. ysisoftheGate‐Voltage‐DependentSeries ofMOSFET’s.IEEETrans.ElectronDevices,1986,ED‐33(7):965‐972

微納電子 —

源/漏區(qū)寄生電 = s,

=x★對于淺

1X 1X j

xj↓↓↓,★超淺結(jié)新技術(shù)保持ρ□基本恒預(yù)非晶化、常規(guī)低能離子注入加快速熱退等離子體浸入摻投射式氣體浸入激光摻快速氣相摻離子沐浴摻

微納電子學(xué)—

源/漏區(qū)寄生電★ρc對應(yīng)于1cm2面積接觸電阻Rco=

ρρ

ρ cLco￡Lco?

Rcoρρcρρρcρ

WcoρρcWco

微納電子學(xué)—

源/漏區(qū)寄生電Rac

yac μacNac0.64 HxjRsp= ln 152.4ε h2c ? c q2m*

Nac

=

-VfbCoxq

微納電子學(xué)—

源/漏區(qū)寄生電源漏區(qū)延伸★SDE區(qū)到深的源/漏區(qū)之間的擴(kuò)展電阻和接觸電阻占主RD,RS=Rco

+

+Rov Source:KimS‐D,etal.AnIntegratedMethodologyforAccurateExtractionofS/DSeries ComponentsinNanoscaleMOSFETs.IEDM,2005,149‐152

微納電子學(xué)—

源/漏區(qū)寄生電★不同材料的方塊電方塊電阻值3~103~10Source:RabaeyJM,etal.DigitalIntegratedCircuitsA .SecondEdition,NewJersey:PrenticeHall,

微納電子 —

寄生效應(yīng)的影MOS管的寄生電

微納電子學(xué)—

MOS管寄生電★本征電容：CGS、CGB、★非本征電容：覆蓋電容，pn結(jié)電容，耦合電容，側(cè)壁電Source:WeiL,etal.ParasiticCapacitances: yticalModelandImpactonCircuit‐LevelPerformance.IEEETrans.ElectronDevices,2011,58(5):1361‐1370微納微納電子—MOS管寄生電本征電容—CGS和★截止區(qū)，沒有反型層MOS管寄生電本征電容—CGS和★截止區(qū)，沒有反型層電CGS=CGD = = =1WLGS GD

★VDS增大，漏端反型層電荷減少，CGS增大，CGD減★飽和區(qū)，VDS=VDsat，溝道夾斷，漏端反型層電荷為 =2WL =

微納電子學(xué)—

MOS管寄生電本征電容—★VGS<VFB，多子積累，平行板MOS管寄生電本征電容—★VGS<VFB，多子積累，平行板電容CGB=WLgC -CGB

=WLg

C

★VT-φF≤VGS≤VT+nkT/q，弱反型，耗盡層電荷占主 -CGB

=WLg

C ★VGSVTnkT/q，強(qiáng)反CGB=

微納電子學(xué)—

MOS管寄生電★平行板電容C￠=C￠=WL ★總的柵-源和柵-漏電CGSCGD

=C=CGD

+C+C

微納電子學(xué)—

MOS管寄生電★勢壘電容，包括底部電容和側(cè)壁電CCDB

=ASCjA+PSC=ADCjA+PDC★單位面積底部電容和單位周長側(cè)壁電 - -C

=Cj01 ,CjP=Cjp01 Vbi ★零偏壓單位面積底部電容和單位周長側(cè)壁電

Vbiε0εsiqNA = ε0εsiqNAj j jp j

微納電子學(xué)—

MOS管寄生電★柵和源漏側(cè)壁的耦合電容2ε

min -tox,xjC

π

W

1

αiftox ★柵側(cè)壁和源漏的耦合電容ε

t +

ε πW = capWln

+

capWln

tox

tox Source:WeiL,etal.ParasiticCapacitances: yticalModelandImpactonCircuit‐LevelPerformance.IEEETrans.ElectronDevices,2011,58(5):1361‐1370

微納電子 —

MOS管寄生電★柵電極側(cè)壁和源/漏區(qū)電極之間的寄生電容 =2ε0εcapW

0.5πε0 2π +L12g+Lg12g+LgLpc

ln

2Lg+τbk Source:WeiL,etal.ParasiticCapacitances:yticalModelandImpactonCircuit‐LevelPerformance.IEEETrans.ElectronDevices,2011,58(5):1361‐1370

微納電子學(xué)—

MOS管寄生電★當(dāng)溝道長度縮小到m以下寄生電阻和電容將超過晶體管的Source:ThompsonSE,etal.Moore’slaw:thefutureofSimicroelectronics.MaterialsToday,2006,9(6):

微納電子學(xué)—

MOS管寄生電★以柵極為輸入端，以漏極為輸出端，源極作為公共端接★電容可以等效為輸入電容Cin和輸出電容C

?CG =WLCox

C

=CGN+CGPCout?CDB=ADC

+PDC

Cout

=CDN+CDP

微納電子學(xué)—

寄生效應(yīng)的影連線寄生效

微納電子學(xué)—

連線寄生效★連線存在著寄生電阻、電容和電 面積增大使連線長度增加，連線RC延遲影響加★連線寄生效應(yīng)對電路可靠性和速度帶來影

微納電子 —

連線寄生效尺寸：WLLsH,αα111αα

微納電子學(xué)—

連線寄生效連線寄生電

微納電子學(xué)—

連線寄生電★連線側(cè)壁形成的線間電容CI TLCI=ε0εox★連線底部對襯底的電容CV（邊緣效應(yīng)

-0.5T 2

CV=ε0εoxLH

+logHT)

Source:SchaperL,etal.ImprovedElectricalPerformanceRequiredforFutureMOSPackaging.IEEETrans.Components,HybridsandManufacturingTechnology,1983, T‐6:282‐28

微納電子 —

連線寄生電 =

LWHTLCI=ε0CT=K

C

+CISource:HarryV.Deep‐SubmicronCMOSICs,fromBasicstoASICs.(SecondEdition),Boston:KluwerAcademicPublishers,

微納電子學(xué)—

連線寄生電

C =6fF,C =0.5ΔVX

CXYCX+C

Δ.SecondEdition,NewJersey:PrenticeHall,—Source:RabaeyJM,.SecondEdition,NewJersey:PrenticeHall,—

= -2.5)6+0.5=-0.19V

微納電子連線寄生電CrossTalk★引起的噪聲信

微納電子學(xué)—

連線寄生電CrossTalkSource:DavisJA,etal.InterconnectLimitsonGigascaleIntegration(GSI)inthe21stCentury.ProceedingsoftheIEEE,2001,89(3):305‐324

微納電子學(xué)—

連線寄生電CrossTalk★對電路延遲時間的影CL=CGNDCL=CGNDCL=CGND

++4Cc

微納電子學(xué)—

連線寄生電避免CrossTalk方法(1)★總線的三 方(a)單 (b)雙 (c)交

微納電子 —

連線寄生電Source:尼爾H. ，

微納電子 —

=tpHL+tpLH

1+1p

DD PCL=CDN

C

tptp?1+αCN 1+ε α延遲最小，

μN=εμP,WP=ααα=

微納電子學(xué)—

連線寄生電★驅(qū)動的負(fù)載電容增加x★增加一個尺寸大u倍的反相器驅(qū)動負(fù) ? +x =u+x p up up ★延遲最小，uu=x x?

微納電子學(xué)—

連線寄生電★反相器鏈的設(shè) =NSt

S=Ci

x= =SN

N=ln p★延遲最小，

C C

lnS=e=2.7182,

=eln LppCinpp

微納電子學(xué)—

連線寄生電CL=20pF

C

=10fF

tp

=0.2nsx= =2000 N= S=2.96C1234567tp=4.1ns

=4716

微納電子學(xué)—

連線寄生電★優(yōu)化結(jié)CL=20pF

C

=10fF

tp

=0.2nsf=25MHz tp￡10ns N= S=12.5123tp=7.56ns

Wtotal

=793

微納電子學(xué)—

連線寄生電★N的優(yōu)化設(shè) =Nxtp

=x-S-

.SecondEdition,NewJersey:PrenticeHall,—Source:RabaeyJM,.SecondEdition,NewJersey:PrenticeHall,—

微納電子連線寄生電★時鐘驅(qū)動電路設(shè)

微納電子學(xué)—

連線寄生效連線寄生電

微納電子學(xué)—

連線寄生電★連線寄生電R=ρL=ρ =ρL, WT

ρT★接觸孔電

Rco

Wcl

微納電子學(xué)—

連線寄生電★不同材料的電阻電阻率電阻率銀硅化鉬銅硅化鎢金硅化鉭鋁硅化鈷鎢硅化鈦

微納電子學(xué)—

連線寄生電★連線的歐姆壓降問

微納電子學(xué)—

連線寄生電★電源線上IR壓降的影

微納電子學(xué)—

連線寄生電★合理的電源線分

微納電子學(xué)—

連線寄生電★電遷移問金屬線上較長時間有直流電流就會引起金屬原子移——斷路或短和溫度、晶格結(jié)構(gòu)與電流密度有DesignRule中的線電流密度

微納電子 —

連線寄生效互連線的RC延

微納電子學(xué)—

互連線的RC延★互連線延遲限制了電路速度提

微納電子學(xué)—

互連線的RC延★集總模

=Vin-l dt l -Voutt)=1-

VDD

τ=Cl 0~0.5VDD(tpLH0~0.63VDD0.1VDD~0.9VDD(tr

微納電子學(xué)—

互連線的RC延★Elmore的分布模 τ =RiCj=Cii j iτ

=C1R1+C2R1+R2)+...+CiR1+R2+...+Ri

微納電子學(xué)—

0~0.5VDD(tpLH0~0.5VDD(tpLH0~0.63VDD0.1VDD~0.9VDD(tr★分布模cΔL

-V=i rΔL- 2NN+1

Le t e

ΔL ? =

N

ΔL

微納電子學(xué)—

互連線的RC延0~0.5V0~0.5VDD(tpLH0~0.63VDD0.1VDD~0.9VDD(tr★集總模型vs.分布模

微納電子學(xué)—

互連線的RC延ysisandDesignysisandDesign(SecondEdition),Boston:McGraw‐Hill,Source:KangS‐M,etal.CMOSDigitalIntegrated——

微納電子互連線的RC延★電路分析中近似的分布RC模

微納電子學(xué)—

互連線的RC延★集成度提高引起連線變 = ★長連線引起的延遲 T =0.38RC=0.38ρmKε + =2.55ε WT

LS

W=

=λ T=0.25λ H=0.35λ

K1=2Source:SaraswatKC,etal.EffectofScalingofInterconnectionsontheTimeDelayofVLSlCircuits.IEEETrans.onElectronDevices,1982,ED‐29(4):645‐650

微納電子學(xué)—

互連線的RC延★合理的連線設(shè)★優(yōu)化的按比例縮★多層互連技★采用新的低阻連線材★采用新的低k介質(zhì)材

微納電子學(xué)—

互連線的RC延★合理的連線設(shè)計——連線中加入緩沖器2 =0.38rcML +M-12M M0.38rctpbuf0.38rctpbufMopt=

pbuf

微納電子學(xué)—

互連線的RC延★合理的連線設(shè)計——連線中加入逐級增大的緩沖

cL rL

L2p =M0.691p

+0.69 SC

)+0.38rc S

M M

M0.38rc0.69R1CrC0.38rc0.69R1CrC

微納電子學(xué)—

互連線的RC延★長連線采用倒比例變化可以減小連線延長連線的線寬和厚度不能按比例縮小,反而要隨著長度增加而增IntrinsicDelayofofReverse-Scaled1mm1.0μm(Al,0.1μm(Al,35nm(Cu,low

微納電子學(xué)—

互連線的RC延★多層互連技術(shù)——180nm6層金屬互連工6321Source:Sai‐HalaszGA.PerformancetrendsinHigh‐EndProcessors.ProceedingsoftheIEEE,1995,83(1):

微納電子學(xué)—

互連線的RC延★采用新的低阻連線材料和低k介質(zhì)材Source:LevLavi,etal.納米IC的連線設(shè)計世界產(chǎn)品與技術(shù)2003,第2期:

微納電子學(xué)—

互連線的RC延★互連線和介質(zhì)材料對寄生電容的影★采用Cu/FP比Al/SiO2的寄生電容減小37%，RC延遲減小Source:ParaszczakJ,etal.HighperformancedielectricsandprocessesforULSIinterconnection .IEDM,1993,261‐

微納電子學(xué)—

寄生效應(yīng)的影三維集成的互連技

微納電子學(xué)—

三維集成的互連技

微納電子學(xué)—

三維集成的互連技硅通孔互聯(lián)（ThroughSiliconVia，TSV）Source:S.Gupta,etal.,Proc.21stIn