Учет резистивно-емкостных эффектов при проектировании цифровых БИС по субмикронным проектным нормам

Это привело к более яркому проявлению эффекта паразитной емкостной связи (рис. 1). Кроме того, масса других паразитных эффектов, которые можно было не учитывать в проектах предыдущего поколения, стали ключевыми факторами для обеспечения правильного функционирования и высокой производительности новых БИС повышенной плотности. Например, для субмикронных БИС характерен такой паразитный эффект, как преобладание задержек распространения сигналов по токопроводящим дорожкам над задержками распространения сигналов в вентилях из-за наличия собственных сопротивлений и емкостей (RC-характеристики).

Рис. 1. Увеличение боковой емкости с уменьшением размеров токопроводящих дорожек субмикронных БИС:
а) 1-мкм проектные нормы;
б) 0,13-мкм проектные нормы

Длина соединений БИС при переходе к нанометровым проектным нормам уменьшается в среднем медленнее, чем размеры транзисторов, и паразитная емкость начинает играть бóльшую роль. При уменьшении ширины токопроводящих дорожек преобладающими становятся краевые емкости, которые инвариантны к масштабированию. Поскольку удельное сопротивление токопроводящих дорожек снизить нельзя, а полное сопротивление транзистора снижается при уменьшении размеров, то RC-нагрузка, создаваемая этими дорожками, может вызвать значительную задержку сигнала.

Уменьшение геометрических проектных норм привело к значительному увеличению емкости C_SIDE между боковыми стенками соседних дорожек (емкость боковой связи) по сравнению с емкостью между основанием проводника и подложкой кристалла C_AREA и емкостью между боковой стенкой проводника и подложкой C_FRINGE. Для БИС с 6 и более слоями металлизации характерно появление существенной по величине емкостной связи между соседними слоями C_CROSS.

Мерой оценки эффекта перекрестных искажений является отношение емкости боковой связи, возникающей между проводниками, расположенными на одном слое C_SIDE, к емкости межслойной связи C_CROSS, возникающей между проводниками, расположенными на разных слоях. Эффект взаимосвязи становится более явным, поскольку развитие технологии приводит к использованию геометрических объектов меньшего размера. Согласно докладам, представляемым на регулярно проходящей международной конференции International Technology Roadmap for Semiconductors, емкость боковых связей для технологий 1999 года превышала емкость межслойных связей почти в три раза, а к 2006 году это соотношение достигло пяти (рис. 2).

Рис. 2. Рост отношения емкости боковой связи, возникающей между проводниками, расположенными на одном слое CSIDE, к емкости межслойной связи CCROSS в субмикронных БИС

На рис. 3 представлена современная КМОП-структура с двумя n— и p-карманами по 0,18-мкм проектным нормам c одним уровнем поликремния и шестью уровнями алюминиевой металлизации (AlCu (0,5% Cu) с подслоем Ti) и напряжением питания ядра 1,8 В кремниевой фабрики X-FAB Semiconductor Foundries, работающей в режиме foundry. X-FAB Semiconductor Foundries AG (Германия) — ведущая группа предприятий полупроводникового производства, специализирующаяся на выпуске кристаллов смешанных аналогоцифровых БИС по субмикронным проектным нормам (таблица).

Рис. 3. Сечение КМОП-структуры c двумя карманами n- и p-типа проводимости в p-подложке

В технологическом маршруте используются поликремниевые затворы и глубокая изоляция канавками. В n-кармане формируются p-МОПТ, а в p-кармане — n-МОПТ. По КТТ минимальная длина n— и p-МОПТ с индуцированными каналами составляет 0,18 мкм, а минимальная ширина — 0,22 мкм.

Сопротивление токопроводящей дорожки определяется по формуле:

где r — удельное сопротивление, при 20 °C для Al-металлизации r = 2,7×10⁸ Ом·м; H — константа технологии (толщина проводника); ρ — удельное поверхностное сопротивление, Ом/□.

Согласно упрощенным представлениям, для субмикронных БИС модель емкости токопроводящих дорожек складывается из емкости параллельных пластинок (относительно низлежащих токопроводящих дорожек или относительно «земли») и краевой емкости. Сосредоточенная емкость проводника определяется по следующей формуле:

где W — ширина; L — длина проводника; t_ox — толщина окисла (межслойного диэлектрика). Из формулы следует, что емкость прямо пропорциональна перекрытию проводников и обратно пропорциональна расстоянию между ними. В субмикронных БИС отношение W/L

Рис. 4. Токопроводящая дорожка (а) и модель емкости токопроводящей дорожки: емкость параллельных пластинок и краевая емкость, моделируемая цилиндрическим проводником, диаметр которого равен толщине дорожки

Для расчета паразитной емкости прямоугольных токопроводящих дорожек в субмикронных БИС используют следующую аппроксимацию:

где C_s — удельная поверхностная емкость проводника на единицу длины; C_p — краевая емкость; w = W–H/2.

На практике используют более простую формулу для вычисления емкости токопроводящей дорожки:

где σ_s — удельная поверхностная емкость с низлежащим металлом, аФ/мкм²; σ_p66 — краевая емкость или емкость периметра. Множитель 2 в формуле учитывает две стороны токопроводящей дорожки при расчете краевой емкости, а ее толщиной пренебрегают. Удельные и краевые емкости берутся из технологических файлов кремниевых фабрик. Если рассматриваемая токопроводящая дорожка находится в двух верхних слоях металлизации, например в шестом и пятом слое, то:

Если перекрытие по площади с низлежащим металлом составляет от 10 до 50%, то это учитывается при введении коэффициента в емкости параллельных пластинок:

Если расстояние между проводниками 2 мкм, а минимальное расстояние по КТТ — 0,46 мкм, то влияние краевой емкости ослабляется в 4,35 раза:

Рассмотрим пример: алюминиевая токопроводящая дорожка длиной 10 см и шириной 1 мкм располагается на кристалле размером порядка 1–2 см. Например, для 6-го слоя AlCu-металлизации σ_s = 34 аФ/мкм²; краевая емкость σ_p66 = 116 аФ/мкм. Общая емкость составит:

Из расчета следует, что краевой емкостью в субмикронных БИС пренебрегать нельзя.

При увеличении длины шин синхронизации паразитная емкость может вносить существенный вклад в перекос значений времен t_LH и t_HL. Рассчитаем задержку распространения тактового сигнала в RC-цепи первого порядка. Предположим, что паразитная емкость RC-цепи C заряжена до уровня напряжения питания U_CC, а на входе цепи действует перепад напряжения от U_CC до 0, тогда переходный процесс разряда в емкости описывается экспоненциальной функцией вида (τ = RC):

Для шины синхронизации между двумя блоками, при U_вых = U_CC/2, с параметрами RC-цепи R = 216 Ом, C = 1904 фФ задержка времени спада фронта синхросигнала t_HL составляет 0,29 нс.

Аналогично рассчитывается время нарастания фронта сигнала, когда на входе действует перепад напряжения с 0 до U_CC, а паразитная емкость C разряжена до напряжения нуля:

Задержки распространения синхросиг- налов t_pLH, t_pHL и фронтов t_LH и t_HL в блоках цифровых БИС могут быть определены в автоматическом режиме с помощью схемотехнического моделирования, например с использованием системы моделирования Virtuoso Spectre САПР CADENCE.

Расфазировка и дрожание тактовых импульсов в цифровых БИС по субмикронным технологиям — серьезные проблемы, которые ограничивают быстродействие. Синхросигналы распространяются по быстродействующей древообразной сети, которая обеспечивает одновременный приход фронта синхросигнала на синхровходы всех триггеров. Необходимо так спроектировать дерево синхронизации (цепь разводки тактовых синхроимпульсов), чтобы влияние этих факторов было минимальным.

Рис. 5. Фрагмент схемы дерева синхронизации БИС для оптимизации задержек распространения фронтов синхросигналов tLH и tHL от выделенного входа до входных буферов блоков более низкого уровня (в нагрузке — паразитная емкость и сопротивление шин)

Устранить асимметрию в задержках t_pLH и t_pHL и фронтах распространения тактового сигнала позволяет подбор геометрических размеров МОП-транзисторов. На рис. 5 показан фрагмент схемы дерева синхронизации, с помощью которого осуществляется доставка тактового синхросигнала с выделенного входа (с контактной площадки) в блоки более низкого уровня иерархии цифровой БИС (в ближний и дальний ряд, которые наиболее топологически удалены друг от друга на кристалле). С выделенного входа синхросигнал поступает на глобальный генератор тактовых сигналов, а далее — на входные буферы (играют роль локальных генераторов тактовых сигналов) блоков более низкого уровня, а с них — на тактовые входы триггеров. В нагрузках находятся распределенные паразитные емкости и сопротивления шин синхросигналов, идущих в буферы блоков. Общая же паразитная (сосредоточенная) емкость шины синхронизации составляет 1074 фФ, а паразитное сопротивление — 247,5 Ом. На рис. 6 показаны формы синхросигналов на тактовых входах блоков БИС. Видно, что время нарастания t_LH и спада t_HL фронтов синхросигнала для входов различных блоков в зависимости от их расположения на кристалле, то есть от удаленности от глобального генератора тактовых сигналов, сильно отличается. Это объясняется различием в длине токопроводящих дорожек синхросигналов и паразитной нагрузкой.

Рис. 6. Формы синхросигналов на тактовых входах блоков БИС: w1, w2 — сигналы на тактовом входе ближнего ряда (до и после инвертора); w3, w4 — сигналы на тактовом входе дальнего ряда (до и после инвертора)

Выводы

Для субмикронных БИС характерен такой паразитный эффект, как преобладание задержек распространения сигналов по токопроводящим дорожкам над задержками распространения сигналов в вентилях из-за наличия собственных сопротивлений и емкостей. Так как удельное сопротивление токопроводящих дорожек снизить нельзя, то RC-нагрузка, создаваемая этими дорожками, может вызвать значительную задержку сигнала. С увеличением емкости нагрузки постоянная времени RC имеет большее значение, и длительность переходных процессов существенно возрастает.