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版图中金属线宽的选择

热度 1已有 413 次阅读| 2024-10-21 16:14 |系统分类:芯片设计

一、金属线是为了传输电流,因此主要需要从解决和减小它的(寄生)电阻、(寄生)电容方面多做考虑。(寄生)电感一般忽略,高频电路除外。这主要从两个方面分析解决:
1.电路方面
A、如果所用金属线,主要是流过电流(如电流镜MOS 管的漏极连线、功率MOS管的漏极等)。在这种情况下金属连线的寄生电阻越小越好,此时需要金属导线尽可能的宽,以减少寄生电阻,降低导线压降IR。
B、如果所用金属线,是用于高频信号,如clock 等,金属连线不能太宽,否则寄生电容过大,影响频率。此时信号还应加shield 信号线。
C、其他低频控制信号,如enable 、able 等信号,这些信号通常接MOS 管的栅极,流过的电流很小,这些金属连线宽窄(寄生电容、寄生电阻)不是很重要,不需要过多考虑。
2. 版图方面(在考虑金属线周围环境的前提下)
A、对于走大电流的信号线,从电路方面越宽越好,但从版图方面很宽的金属线由于受到工艺、物理条件等的制约会受到限制。过宽的金属线,由于高温、应力等影响,会翘起变形甚至折断。所以很宽的金属线需要打slot,slot 的尺寸因各个工艺厂的工艺不同而有区别。另外,由于趋肤效应,电流走金属表面和边缘,金属线太宽也不好,这样金属的线上电流分布不均匀。电流很大时应采取两种方式排布金属线:同层金属线并联(类似很宽金属线打了slot);不同金属线并联,过孔要尽可能多打,节省面积。
B、不同层金属导线的连接,要尽可能打更多的通孔via,以减少寄生电阻。过孔尺寸和个数最少的情况因电路和工艺而定。
C、越靠近AA(有源区)的金属例如M0,尽量不要从上面经过MOS 管、敏感电阻等器件。因为在金属线的工艺后期处理中(高温溅射、刻蚀、退火等)会影响这些器件的性能。尽可能换用更高层的金属线。另外:有些电路中专门需要用金属线做电阻的,宽度和长度需要单独考虑。
二、Metal 太大太宽,会导致电流密度不好,会导致电迁移、趋肤效应等现象,会降低可靠性和影响良率。
1.我们为什么要走很宽的金属Metal 呢?
原因无非是电路要求电流的承载能力要达到很大。常见的地方如电源线、功率开关管上连线、芯片的地线等,这种线会走的很宽。如果我们直接用很宽的Metal 线,后果是,随着温度的升高,大块的金属中间会拱起来(热胀冷缩),这样会破坏绝缘层,损坏芯片。久而久之,即使运气好,芯片没有被损坏,运气不好的,这根金属很大可能会断掉,断掉的后果大家都懂的——直接断路。
2.如何解决宽金属的问题呢?想必这是大家最为关心的事情。大家都知道要打slot(槽,有slot rule,品字形,顺着电流开),slot 打了之后,即便是金属断掉了,也不会全断。一种方法,是把金属重叠着走,这个当然需要足够的金属层,就是采取不同金属层的并联。另一种方法,如果是只用一层金属的话,可以直接将宽金属线拆分成多条细金属并排(最细的金属线要满足design rule),类似于金属并联,其实也可以理解成Metal Bus(总线)。
3.注意金属密度问题。还有一点,有人提到很宽的金属会造成金属密度过大,影响金属覆盖率。金属的覆盖比例Metal ratio:30%-55%之间为最佳(根据所用工艺而言),比例偏离的话,铝腐蚀就不好,不干净或过腐蚀。不知道大家在交GDS 的时候有没有修改这个DRC 错误,这个会直接影响产品良率,我们都是修改OK 之后交的,所以应该注意这个问题。
三、金属宽度首先要满足电流条件,一般规则上都有明确说明,比如静态电流经验值大概1.5mA/um(有的是1mA/um,根据具体工艺而言),但高温、大电流、台阶等情况下会有所下降,大概1mA/um(有的是0.6-0.8mA/um,根据具体工艺而言)。这里指的是通常情况。静态电流密度的大小主要受电迁移、趋肤效应、金属材质等问题的影响。而动态电流大小对应的宽度一般规则上也会写明,通常会以能量、峰峰值、均值等来衡量,动态电流密度的大小也主要受电迁移、趋肤效应、金属材质等问题的影响。对应不同的情况需要满足不同的约束。在满足电流的约束条件后,就需要考虑信号频率的因素了,频率越高的信号走线适当要细,因为寄生电容影响较大。如果需要流过很大电流,则需要很宽的金属,一般工艺规则都会规定最小与最大的金属宽度,最大的金属宽度是要防止电流不均匀导致电迁移、趋肤效应以及发热不均匀的问题,当然还有热胀冷缩的问题。此外,过宽的金属会使得中间部分略有下沉导致平坦化的问题,所以需要在过宽金属上打slot。注意,工艺规定的最大线宽不会直接写出来,而是通过slot的规则隐含其中。比如规定很宽的金属在里面超过多少间距要打slot,这里规定的间距其实就是最大的金属线宽,另外有些工艺规则会规定不同层的金属有不同的最大宽度。

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