考慮工藝波動的互連線模型研究.pdf

1、當(dāng)集成電路工藝進(jìn)入甚至超越深亞微米階段以后,集成電路的規(guī)模和復(fù)雜度日益增加,傳統(tǒng)的以器件為設(shè)計核心的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代集成電路的設(shè)計要求。尤其當(dāng)工藝進(jìn)入0.18微米以后,互連線已經(jīng)超越器件已經(jīng)成為影響電路功能和性能的關(guān)鍵因素,所以以互連線為核心的設(shè)計方法成為現(xiàn)代集成電路設(shè)計方法研究的一個重要方向,其核心之一就是互連線模型的建立。
　　 與此同時,隨著工藝尺寸的縮小,互連線物理結(jié)構(gòu)偏離設(shè)計值的工藝波動的影響越來越顯著,甚至對

2、高性能集成電路的設(shè)計時序產(chǎn)生了巨大威脅,所以建立在工藝波動影響下的互連線模型,已經(jīng)成為互連線建模的一個重要課題。
　　 本文從VLSI發(fā)展趨勢著手,對傳統(tǒng)互連線模型和工藝波動對互連線模型的影響進(jìn)行了深入研究,建立了多種考慮工藝波動的互連線模型。主要工作包括:
　　 1.對現(xiàn)有互連線分析方法的特點和不足進(jìn)行了總結(jié)。分析了傳統(tǒng)以器件為核心的設(shè)計方法不能滿足現(xiàn)代集成電路設(shè)計原因,總結(jié)了以互連為核心的設(shè)計方法。還分析了工藝波動產(chǎn)

3、生的原因和對互連線的影響。說明了如何在以互連為核心的設(shè)計方法中加入工藝波動的影響,建立考慮工藝波動的以互連為核心的設(shè)計方法；
　　 2.總結(jié)了互連線模型的基礎(chǔ)知識。作為互連線建模的基礎(chǔ),分析總結(jié)了主流的互連線建模方法,包括時域分析法、變換域分析法、混合分析法和系統(tǒng)分析法等；主流的互連線延時模型,包括經(jīng)典的RC互連延時模型——Elmore模型,各種基于Elmore模型的改進(jìn)模型和考慮電感因素的RLC延時模型等；還分析總結(jié)了主流互連

4、線串?dāng)_建模方法,包括集總參數(shù)模型,串?dāng)_的復(fù)頻域分析等。作為工藝波動影響建模基礎(chǔ),分析總結(jié)了主流的互連線寄生參數(shù)提取技術(shù)。
　　 3.建立了一種互連線延時極值分析模型。作為工藝波動影響互連線建模的重要內(nèi)容之一的極值分析,提出了一種基于工藝角(Process Corners)理論的RLC互連延時極值分析方法。該方法主要解決了作為集成電路靜態(tài)時序分析(STA)的重要組成部分的工藝波動影響下的極值分析的問題,并且該方法考慮了寄生電感的影

5、響,這些都是傳統(tǒng)基于工藝角的極值分析方法所不具備的。
　　 4.建立了兩種互連線延時統(tǒng)計分析模型。針對近年來研究工藝波動影響下的互連延時的熱點問題之一的統(tǒng)計靜態(tài)時序分析(SSTA),本文提出了兩種統(tǒng)計延時分析模型,一種基于RC互連延時模型,一種基于RLC互連延時模型模型。RC互連延時統(tǒng)計計算模型,采用了優(yōu)化的二次近似方法,延時和時鐘斜率直接使用互連線物理參數(shù)表示,可以通過工藝波動對互連線物理參數(shù)的影響快速計算工藝波動對延時和時鐘

6、斜率的影響,其精度優(yōu)于線性擬合模型,而計算效率優(yōu)于傳統(tǒng)的二次擬合模型,通過實驗分析可知,文中提出模型的計算時間僅僅是傳統(tǒng)方法的二十分之一。RLC互連延時統(tǒng)計計算模型,采用沖擊響應(yīng)的前二階矩和Weibull分布密度函數(shù)相結(jié)合的方法,考慮互連線寄生電感效應(yīng),將工藝波動的對物理參數(shù)的影響直接作用于Weibull分布的形狀參數(shù)和尺度參數(shù),達(dá)到了快速計算的目的,經(jīng)過實驗分析可知,基于Weibull分布統(tǒng)計延時模型具有很好的精度,和HSPICE的M

7、onte Carlo分析相比,均值和平均偏差誤差最大2.02％,仿真效率明顯提高。
　　 5.建立了一種互連線串?dāng)_模型。隨著集成電路工藝的發(fā)展,互連線之間的線間距不斷減小,互連線的縱橫比(A/R)不斷增加,串?dāng)_噪聲已經(jīng)成為影響互連線性能的重要因素。本文分析總結(jié)了互連線串?dāng)_噪聲產(chǎn)生的原因和對VLSI設(shè)計的影響,在此基礎(chǔ)上提出了一種考慮工藝波動的互連線串?dāng)_統(tǒng)計模型。該模型是一種基于傳輸線理論的分布參數(shù)雙互連線電容負(fù)載串?dāng)_模型,該模型

8、不但考慮了負(fù)載電容對互連線串?dāng)_噪聲的影響,還具有分布參數(shù)模型的特點,可以非常方便的求出雙互連線結(jié)構(gòu)中干擾線和受擾線上任意一點的電壓和電流,這是傳統(tǒng)的集總參數(shù)模型所不具備的。經(jīng)實驗驗證,不考慮工藝波動時,該模型和HSPICE相比誤差小于1％；在考慮工藝波動影響時,該模型和HSPICE的Monte Carlo分析相比,波峰值和波谷值的出現(xiàn)的時間和電壓的均值和波動值誤差均小于5％。另外,由于在該模型計算中還引入快速反拉普拉斯變換算法,大大提高