数字集成电路-互连线

《数字集成电路》课程教学大纲课程代码：060341001课程英文名称：digital integrated circuits课程总学时：48 讲课：44 实验：4 上机：0适用专业：电子科学与技术大纲编写（修订）时间：2017.05一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标数字集成电路是为电子科学与技术专业开设的学位课，该课程为必修专业课。

课程主要讲授CMOS数字集成电路基本单元的结构、电气特性、时序和功耗特性，以及数字集成电路的设计与验证方法、EDA前端流程等。

在讲授基本理论的同时，重在培养学生的设计思维以及解决实际问题的能力。

通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．掌握CMOS工艺下数字集成电路基本单元的功能、结构、特性；2．掌握基于HDL设计建模与仿真、逻辑综合、时序分析；熟悉Spice模型；3．具备将自然语言描述的问题转换为逻辑描述的能力；4. 具有解决实际应用问题的能力。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.基本知识：CMOS数字集成电路设计方法与流程；CMOS逻辑器件的静态、动态特性和Spice 模型；数字集成电路的时序以及互连线问题；半导体存储器的种类与性能；数字集成电路低功耗解决方法以及输入输出电路；数字集成电路的仿真与逻辑综合。

2.基本理论和方法：在掌握静态和动态CMOS逻辑器件特性基础上，理解CMOS数字集成电路的特性和工作原理；掌握真值表、流程图/状态机、时序图的分析方法和逻辑设计的基本思想。

3.基本技能:掌握器件与系统的建模仿真方法；具备逻辑描述、逻辑与时序电路设计能力；熟悉电路验证与综合软件工具。

（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基础概念、基本方法和设计思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加习题和讨论课，并在一定范围内学生讲解，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用网络资源、参照设计规范及芯片手册等技术资料的能力。

i2c通信协议I2C通信协议一、简介I2C (Inter-Integrated Circuit)，即集成电路互连，是用于在集成电路之间进行通信的串行通信协议。

它是由Philips（飞利浦）公司于1982年提出，并在当今的电子设备中广泛应用。

I2C通信协议采用两根总线：串行数据线SDA（Serial Data Line）和串行时钟线SCL（Serial Clock Line）。

不同于其他协议，I2C通信协议具有简单、节约外设引脚的特点，被广泛应用于各种嵌入式系统中，如传感器、温度计、数字信号处理器等。

二、基本原理在I2C通信协议中，设备之间的通信通过主从关系进行。

主设备负责生成时钟信号和控制总线的传输，从设备则根据主设备的请求进行响应。

主设备和从设备之间的通信是基于传输一个字节数据的方式进行的。

传输的字节数据由一个起始位、八位数据位、一个奇偶校验位和一个停止位组成。

信息按照从高位到低位的顺序传输，同时由时钟信号进行同步。

三、通信过程I2C通信协议的通信过程主要包括起始信号、地址传输、数据传输和停止信号四个阶段。

1. 起始信号起始信号由主设备产生，用于标识接下来的通信过程开始。

起始信号的产生是通过将数据线（SDA）从高电平切换到低电平时完成的。

在通信开始之前，主设备需要发送起始信号来获取总线控制权。

2. 地址传输主设备在发送起始信号后，紧接着发送一个I2C从设备的地址。

地址由7位或10位组成，其中7位地址方式是I2C通信协议最常用的方式。

地址中的最高位表示对从设备进行读取（1）或写入（0）操作。

通过这个地址，主设备可以选择与特定从设备进行通信。

3. 数据传输地址传输完成后，主设备和从设备之间的数据传输开始。

数据的传输顺序是从高位到低位。

主设备向从设备传输数据时，从设备通过拉低SDA线来接收数据。

从设备向主设备传输数据时，主设备必须确认数据的接收情况，操作是保持SDA线为高电平。

4. 停止信号通信结束时，主设备发送停止信号，用于标示通信过程的结束。

数字集成电路分析与设计一、课程基本情况课程编号40260103开课单位微纳电子学系课程名称中文名称数字集成电路分析与设计英文名称Digital Integrated Circuit Analysis and Design教学目的与重点教学目的：1）让学生掌握数字集成电路的工作原理与分析方法2）让学生掌握数字集成电路与系统的设计流程和基本方法3）培养学生实际设计数字集成电路与系统的能力教学重点：1） CMOS反相器的特性，数字集成电路分析与设计的关键问题2）组合逻辑链的性能优化3）互连线的延时模型与分析4）同步时序电路的分析和设计5）数据通路运算单元的分析与设计6）存储器的工作原理的理解与分析课程负责人刘雷波吴行军课程类型□文化素质课□公共基础课□学科基础课□专业基础课■专业课□其它教学方式■讲授为主□实验/实践为主□专题讨论为主□案例教学为主□自学为主□其它授课语言■中文口中文+英文（英文授课＞50%）□英文□其他外语学分学时学分 3 总学时48考核方式及成绩评定标准作业：15%,课程设计：15%,期中考试（闭卷）：30%,期末考试（闭卷）：40%教材及主要参考书中文外文教材数字集成电路一电路、系统与设计（第二版）,JanM.Rabaey等著，周润德等译，电子工业出版社。

Jan M. Rabaey etc. “Digital Integrated Circuits , A Design Perspective (Second Edition)", Prentice Hall , 2003.主要参考书CMOS数字集成电路一分析与设计（第3版）,Sung-Mo Kang等著，王志功等译，清华大学出版社（影Sung-Mo Kang, Yusuf Leblebici,"CMOS Digital IntegratedCircuits-Analysis and Design(ThirdEdition)".三、课程主要教学内容9.4高级互连技术9. 5综述9.6总结第10章存储器（6学时）（教材第12章）10.1分类10.2结构10.3内核--- 存储单元和阵列10.4外围电路10.5可靠性10.6总结。

什么是互连？随着深亚微米（Deep Sub-Micron）集成工艺的发展，集成电路中广泛存在宽度仅为深亚微米量级且多层分布的金属互连线，这些互连线已不能近似为一种等电势连接，而需要考虑在电路正常工作情况下，它们之间的电磁耦合寄生效应（Parasitic Effect）。

而且，与晶体管不同，互连线的寄生效应，随着集成电路特征尺寸的缩小和工作频率的增大而日益重要。

研究表明[1]，在高速集成电路中，限制其发展的主要因素不是器件的门时延，而是互连线的寄生元件引起的时间时延、互连线之间信号的串扰和电路功耗。

与标准逻辑单元中的短线以及模块电路中的中长线不同，顶层的全局互连线长度不随工艺缩减而减小。

因此在深亚微米技术下，全局互连线的性能成为系统整体性能的主要限制因素。

全局互连线的设计和优化会对系统的整体性能，包括延时、带宽、功耗等产生直接影响,从而在深亚微米集成电路设计中，对全局互连线的极限性能的研究具有一定的理论意义。

互连线是指连接两个元器件之间的传输线。

按照互连线所在的设计层次的不同，可以将互连线分为以下几种：印刷电路版上的互连线、连接电路版的电缆线、芯片内部的互连线、芯片封装时管脚和芯片之间的互连线。

本文所讨论的均是芯片内部的互连线。

芯片内的互连线大致可以分成三种[1-4]：第一种是短线，即局部互连线。

短线主要用于逻辑门之间或者速度不是很快的器件间的连接，通常短线的长度远远小于信号波长，短线的时延主要受到耦合电容的影响，对系统时延没有显著影响一般可以忽略。

第二种是中长线，即模块间互连线。

中长线信号传输速度比短线快，电感耦合效应也变得突出，因而容易引起很高的噪声，中长线需要采用低电阻率金属和中等厚度的绝缘介质。

第三种是长线，即全局互连线。

长线对电路性能起着关键作用，长线特别需要采用低电阻率金属以减小信号线和电源线的电阻损耗，需要厚的绝缘层来增加特征阻抗，减小时延，需要较宽的线间距以减少串扰，虽然线宽和宽间距可以减小RC 时延和串扰，但同样也会影响布线密度。

数字ic后端金属互连线的负载电容
数字IC后端金属互连线的负载电容是指数字集成电路芯片后端金属层中互连线所带来的电容。

这个负载电容是由金属线与衬底之间的电介质和金属线之间的电介质形成的。

在数字集成电路中，金属互连线的负载电容是一个重要的参数，它会影响信号的传输速度和功耗。

首先，金属互连线的负载电容会影哨数字IC的工作频率。

在数字集成电路中，信号的传输速度取决于互连线的负载电容。

较大的负载电容会导致信号传输速度变慢，从而影响芯片的工作频率。

其次，金属互连线的负载电容也会影响功耗。

在数字IC中，充电和放电互连线的负载电容需要消耗能量。

因此，较大的负载电容会导致更高的功耗。

此外，金属互连线的负载电容还会影响信号的延迟。

较大的负载电容会导致信号传输的延迟增加，从而影响芯片的性能。

最后，为了减小金属互连线的负载电容，工程师们通常会采取一些优化措施，比如采用更薄的绝缘层材料、采用更窄的金属线宽
度等。

这些优化措施可以帮助降低互连线的负载电容，从而提高芯片的性能和功耗表现。

综上所述，数字IC后端金属互连线的负载电容在数字集成电路设计中起着重要作用，对于芯片的工作频率、功耗、信号延迟等方面都有着重要影响。

工程师们需要在设计过程中充分考虑和优化这一参数，以确保芯片的性能和功耗表现达到设计要求。

集成电路互连线寿命的工艺缺陷影
响分析
集成电路互连线的寿命主要受到工艺缺陷的影响，以下是具体分析：
1、金属分散性：金属分散性是集成电路互连线寿命最重要的因素之一，受金属分散性影响，互连线将会出现断裂和腐蚀。

2、热压焊缺陷：由于热压焊技术存在缺陷，如温度不够高或焊接时间不够长，都会导致互连线质量不足，从而影响其寿命。

3、外部环境温度：互连线的寿命受到外部环境温度的影响。

如果外部环境温度过高，容易使互连线材料变形，导致互连线断裂。

另外，温度过低也会导致互连线材料变脆，从而影响互连线的强度。

4、包装材料：如果包装材料质量不足，会导致互连线缺陷，从而影响其寿命。

5、封装温度：互连线的封装温度过高或者过低都会影响互连线的寿命。

如果封装温度过高，会使互连线材料变形，导致互连线断裂。

另外，温度过低也会导致互连线材料变脆，从而影响互连线的强度。

数字集成电路设计笔记归纳第三章、器件⼀、超深亚微⽶⼯艺条件下MOS 管主要⼆阶效应：1、速度饱和效应：主要出现在短沟道NMOS 管，PMOS 速度饱和效应不显著。

主要原因是TH GS V V -太⼤。

在沟道电场强度不⾼时载流⼦速度正⽐于电场强度（µξν=），即载流⼦迁移率是常数。

但在电场强度很⾼时载流⼦的速度将由于散射效应⽽趋于饱和，不再随电场强度的增加⽽线性增加。

此时近似表达式为：µξυ=（c ξξ<），c s a t µξυυ==（c ξξ≥），出现饱和速度时的漏源电压DSAT V 是⼀个常数。

线性区的电流公式不变，但⼀旦达到DSAT V ，电流即可饱和，此时DS I与GS V 成线性关系（不再是低压时的平⽅关系）。

2、Latch-up 效应：由于单阱⼯艺的NPNP 结构，可能会出现VDD 到VSS 的短路⼤电流。

正反馈机制：PNP 微正向导通，射集电流反馈⼊NPN 的基极，电流放⼤后⼜反馈到PNP 的基极，再次放⼤加剧导通。

克服的⽅法：1、减少阱/衬底的寄⽣电阻，从⽽减少馈⼊基极的电流，于是削弱了正反馈。

2、保护环。

3、短沟道效应：在沟道较长时，沟道耗尽区主要来⾃MOS 场效应，⽽当沟道较短时，漏衬结（反偏）、源衬结的耗尽区将不可忽略，即栅下的⼀部分区域已被耗尽，只需要⼀个较⼩的阈值电压就⾜以引起强反型。

所以短沟时VT 随L 的减⼩⽽减⼩。

此外，提⾼漏源电压可以得到类似的效应，短沟时VT随VDS增加⽽减⼩，因为这增加了反偏漏衬结耗尽区的宽度。

这⼀效应被称为漏端感应源端势垒降低。

4、漏端感应源端势垒降低（DIBL）：VDS增加会使源端势垒下降，沟道长度缩短会使源端势垒下降。

VDS很⼤时反偏漏衬结击穿，漏源穿通，将不受栅压控制。

5、亚阈值效应（弱反型导通）：当电压低于阈值电压时MOS管已部分导通。

不存在导电沟道时源（n+）体（p）漏（n+）三端实际上形成了⼀个寄⽣的双极性晶体管。

Digital IC：数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统第一章引论1、数字IC芯片制造步骤设计：前端设计（行为设计、体系结构设计、结构设计）、后端设计（逻辑设计、电路设计、版图设计）制版：根据版图制作加工用的光刻版制造：划片：将圆片切割成一个一个的管芯（划片槽）封装：用金丝把管芯的压焊块（pad）与管壳的引脚相连测试：测试芯片的工作情况2、数字IC的设计方法分层设计思想：每个层次都由下一个层次的若干个模块组成，自顶向下每个层次、每个模块分别进行建模与验证SoC设计方法：IP模块（硬核（Hardcore)、软核（Softcore)、固核（Firmcore））与设计复用Foundry（代工）、Fabless（芯片设计）、Chipless（IP设计）“三足鼎立”——SoC发展的模式3、数字IC的质量评价标准（重点：成本、延时、功耗，还有能量啦可靠性啦驱动能力啦之类的）NRE (Non-Recurrent Engineering) 成本设计时间和投入，掩膜生产，样品生产一次性成本Recurrent 成本工艺制造（silicon processing），封装（packaging），测试（test）正比于产量一阶RC网路传播延时：正比于此电路下拉电阻和负载电容所形成的时间常数功耗：emmmm自己算4、EDA设计流程IP设计系统设计（SystemC）模块设计（verilog）综合版图设计(.ICC) 电路级设计（.v 基本不可读）综合过程中用到的文件类型(都是synopsys版权)：可以相互转化.db（不可读）.lib（可读）加了功耗信息.sdb .slib第二章器件基础1、保护IC的输入器件以抗静电荷（ESD保护）2、长沟道器件电压和电流的关系：3、短沟道器件电压和电流关系速度饱和：当沿着沟道的电场达到临界值ξC时，载流子的速度由于散射效应（载流子之间的碰撞）而趋于饱和。

Digital IC：数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统第一章引论1、数字IC芯片制造步骤设计：前端设计（行为设计、体系结构设计、结构设计）、后端设计（逻辑设计、电路设计、版图设计）制版：根据版图制作加工用的光刻版制造：划片：将圆片切割成一个一个的管芯（划片槽）封装：用金丝把管芯的压焊块（pad）与管壳的引脚相连测试：测试芯片的工作情况2、数字IC的设计方法分层设计思想：每个层次都由下一个层次的若干个模块组成，自顶向下每个层次、每个模块分别进行建模与验证SoC设计方法：IP模块（硬核（Hardcore)、软核（Softcore)、固核（Firmcore））与设计复用Foundry（代工）、Fabless（芯片设计）、Chipless（IP设计）“三足鼎立”——SoC发展的模式3、数字IC的质量评价标准（重点：成本、延时、功耗，还有能量啦可靠性啦驱动能力啦之类的）NRE (Non-Recurrent Engineering) 成本设计时间和投入，掩膜生产，样品生产一次性成本Recurrent 成本工艺制造（silicon processing），封装（packaging），测试（test）正比于产量一阶RC网路传播延时：正比于此电路下拉电阻和负载电容所形成的时间常数功耗：emmmm 自己算4、EDA 设计流程IP 设计SystemC 模块设计（verilog ）版图设计电路级设计（.v 基本不可读）综合过程中用到的文件类型(都是synopsys 版权)：.db .lib （可读）.sdb .slib第2章 器件基础1、保护IC 的输入器件以抗静电荷（ESD 保护）2、长沟道器件电压和电流的关系：3、短沟道器件电压和电流关系速度饱和：当沿着沟道的电场达到临界值ξC时，载流子的速度由于散射效应（载流子之间的碰撞）而趋于饱和。

ξC取决于掺杂浓度和外加的垂直电场强度器件在V DS达到V GS --V T 之前就已经进入饱和状态，所以与相应的长沟道器件相比，短沟道器件饱和区范围更大反面整理P63 3.3.2 静态状态下的MOS晶体管相关参数以及公式（尤其是速度饱和）4、MOS管二阶效应阈值变化：随着器件尺寸的缩小，阈值电压变成与L、W、V DS有关短沟效应（漏端感应势垒降低（DIBL））：电压控制耗尽区宽度，V DS提高将会导致势垒降低，甚至过高的V DS将会导致源漏短路，称为源漏穿流窄沟效应：沟道耗尽区并不立即在晶体管边沿终止，而是会向绝缘场氧下面延伸一些，栅电压必须维持这一额外的耗尽电荷才能建立一条导电沟道，在W值较小时将会引起阈值电压升高亚阈值导通：在V GS接近甚至略小于V T时，I D仍然存在热载流子效应：原因：小尺寸器件中的强电场引起高能热电子与晶格碰撞产生电子空穴对，引起衬底电流；电子在强总校电厂的作用下穿过栅氧，引起栅电流。

第一章 数字集成电路介绍第一个晶体管，Bell 实验室，1947第一个集成电路，Jack Kilby ，德州仪器，1958 摩尔定律：1965年，Gordon Moore 预言单个芯片上晶体管的数目每18到24个月翻一番。

(随时间呈指数增长)抽象层次：器件、电路、门、功能模块和系统 抽象即在每一个设计层次上，一个复杂模块的内部细节可以被抽象化并用一个黑匣子或模型来代替。

这一模型含有用来在下一层次上处理这一模块所需要的所有信息。

固定成本（非重复性费用）与销售量无关；设计所花费的时间和人工；受设计复杂性、设计技术难度以及设计人员产出率的影响；对于小批量产品，起主导作用。

可变成本 （重复性费用）与产品的产量成正比；直接用于制造产品的费用；包括产品所用部件的成本、组装费用以及测试费用。

每个集成电路的成本=每个集成电路的可变成本+固定成本/产量。

可变成本=（芯片成本+芯片测试成本+封装成本）/最终测试的成品率。

一个门对噪声的灵敏度是由噪声容限NM L （低电平噪声容限）和NM H （高电平噪声容限）来度量的。

为使一个数字电路能工作，噪声容限应当大于零，并且越大越好。

NM H = V OH - V IH NM L = V IL - V OL 再生性保证一个受干扰的信号在通过若干逻辑级后逐渐收敛回到额定电平中的一个。

一个门的VTC 应当具有一个增益绝对值大于1的过渡区(即不确定区)，该过渡区以两个有效的区域为界，合法区域的增益应当小于1。

理想数字门 特性：在过渡区有无限大的增益；门的阈值位于逻辑摆幅的中点；高电平和低电平噪声容限均等于这一摆幅的一半；输入和输出阻抗分别为无穷大和零。

传播延时、上升和下降时间的定义传播延时tp 定义了它对输入端信号变化的响应有多快。

它表示一个信号通过一个门时所经历的延时，定义为输入和输出波形的50%翻转点之间的时间。

上升和下降时间定义为在波形的10%和90%之间。

对于给定的工艺和门的拓扑结构，功耗和延时的乘积一般为一常数。

使用集成电路的基本知识集成电路是现代电子技术中最重要的组成部分之一。

它是由许多电子元器件（如晶体管、电容器和电阻器）以及互连线组成的微小晶圆上的电子电路。

集成电路的出现极大地提高了电子设备的性能和可靠性，并且大幅度减小了设备的体积和功耗。

在本文中，我们将介绍集成电路的基本知识，包括它的分类和工作原理。

首先，我们来看集成电路的分类。

根据电路规模的不同，集成电路可以分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。

小规模集成电路包含数十个电子元器件，常用于数字逻辑门和触发器等简单电路的实现。

中规模集成电路通常包含上百个电子元器件，可以实现更复杂的逻辑功能。

大规模集成电路则包含数千个电子元器件，可以实现比较复杂的电路功能，比如微处理器。

而超大规模集成电路则可以包含上百万个电子元器件，用于实现更加复杂的系统级电路。

除了按规模分类，集成电路还可以按照其功能分类。

常见的功能集成电路包括模拟集成电路、数字集成电路和混合集成电路。

模拟集成电路主要用于放大、滤波和运算等模拟信号处理。

数字集成电路则主要用于数字信号的处理和逻辑运算。

而混合集成电路则是模拟和数字电路的结合，用于实现既包含模拟部分又包含数字部分的电路。

不论是哪种类型的集成电路，它们的工作原理都是基于电子元器件之间的互相连接。

最常见的电子元器件是晶体管，它是一种半导体器件，可以放大和开关电流。

在集成电路中，晶体管被用于实现逻辑门、存储器单元和放大器等功能。

另外，集成电路中还常常使用电容器和电阻器来实现不同的功能，比如存储和滤波器。

集成电路的制造过程是一个复杂而精细的工艺。

首先，通过化学方法在半导体材料上形成氧化层，然后在氧化层上制备出晶体管的电极。

接下来，在晶体管电极上制备出电阻器、电容器和连接线等元件。

最后，通过金属线连接各个电子元器件，形成电路。

整个制造过程需要进行多次光刻、蒸镀和蚀刻等步骤，确保电子元器件和互连线的精确位置和尺寸。