디지털 집적회로 해석 및 설계 10

10 인터커넥트 설계

초미세 인터커넥트의 개념은 매우 중요하다.

갑자기 인터커넥트 이슈가 타이밍, 전력소모, 잡음, 설계 기능 및 신뢰성을 좌우하게 되었다.

비록 작은 소자들이 실제의 로직 기능을 정의하지만 칩상에서 발생하는 모든 중요한 전기적 특성은 인터커넥트가 좌우했다.

여기서 수직 치수 H,T는 제조 과정에서 결정된다. 설계자는 W, S, L 등을 결정한다.

W가 감소하면 저항은 증가한다. 이러한 저항 증가는 RC 지연 현상을 유발한다.

S는 도선간의 커플링이 심각해지는 정도까지 감소하고 있다.

이로 인해 발생하는 용량성 커플링은 추가 지연 및 잡음 효과를 가져와서 설계 오류를 유발할 수 있다.

이 문제를 수정하기 위해 실리콘 회전을 필요로 할 수 있다. 이러한 문제를 아우르는 용어는 신호 무결성이다. 

인터커넥트의 스케일링에 의해 전원 선의 저항 증가는 IR 강하 라고 불리는 전압의 강하를 유발한다.

이러한 IR 강하는 전원선에 연결된 게이트의 타이밍과 기능에 영향을 미친다.

또한 안테나 효과라고 하는 금속 선위의 전하 저장과 같은 다른 효과들로 인해 

게이트 산화막 브레이크다운이 발생하거나 문턱전압이 이동한다.  

또한 도선에 큰 전류의 흐름이 있을 때 전기적 이동(Electromigration)이슈가 있다.

엘모어 지연

이는 네트워크상의 지배적인 시정수이다.

또한 용량성 커플링에 의해서는 잡음이 주입이 된다. 피드쓰루같은..

커플링 커패시턴스의 영향을 더움 감소시키기 위해ㅐ 로우-k 유전체 물질을 계속해서 개발해야 한다.

인터커넥트 인덕턴스 문제도 있다.  

저항은 이해하기 쉽고 전류 흐름을 겪고 있는 금속 전도체에만 국한된다. 

커플링 커패시턴스는 관심 도선 주변에 있는 한정된 영역 내의 도선 사이에서 생기는 정전기적인 현상이다.

반면 인덕턴스는 전자기적인 현상으로서 그 영향은 한정된 영역에만 머물지 않는다.

첫 번째 단계에는 전자기적인 관점에서 인덕턴스를 리뷰하는 것이다. 

인덕턴스는 고속 설계에서 중요하다. 패키지 핀 및 전력 분산 시스템에서 특히 중요하다.

상호 인덕턴스도 크게 문제가 된다. 이는 깨끗한 이웃 도선에 대해 예상치 않은 방법으로 잡음과 지연 효과를 발생시킨다.

안테나 효과는 트랜지스터의 산화막을 파괴하거나 소자의 문턱전압을 변경할 수도 있는 신뢰성 이슈다.

제조 과정에서 플라즈마 에칭, 스퍼터링 혹은 화학 기계적 연마 공정 동안에 각 금속층에 전하가 쌓이는데 이걸 안테나 효과라고 한다.

전하가 안테나처럼 금속층에 끌리기 때문이다. 

이 전하는 전위차를 유발하고 파울러-노드하임 터널링에 의해 산화막 속으로 이동하여 Vt가 변한다.

안테나 비율 = 

안테나 효과를 피하기 위해 먼저 금속 라인 방전을 위해 도선을 다라 다이오드를 삽입하는 방안을 사용할 수 있다.

이 다이오드는 금속이 증착될 때 트랜지스터가 급격한 전압강하를 겪지 않도록 금속의 각 층을 방전하는 것이다. 

이 다이오드는 역방향 바이어스되어 있으며 전하가 누적될 때 다른 피해 없이 전하를 제거한다. 

but 다이오드의 면적 이슈가 있다.