CMOS集成电路设计中的热问题及其分析方法的研究

摘要

随着CMOS集成电路中元件密度的不断提供以及工作速度的不断加快，人们对集成电路中热问题越来越关注。由于器件的失效与局部工作温度有着密切的关系，电路中由局部高温引起的热斑已经成为影响集成电路长期可靠性的重要因素。集成电路中超过50％的失效都与热问题相关。因此，随着集成电路工艺尺寸的继续减小，对于集成电路中热问题的研究，考察热对电路性能、功耗以及可靠性的影响，并提供热可靠性设计的指导方针将变得非常重要。本文提出了一种新的CMOS集成电路热分析方法，结合了一个spice工具(Hspice)与一个有限元分析工具(ANSYS)对此集成电路进行热分析。LAnkCAD for ANSYS帮助软件被用于这两个常用软件之间的衔接。 本文详细介绍了CMOS集成电路中功耗的三个主要组成部分：动态功耗、短路功耗与静态功耗。集成电路中总功耗的增加将会直接导致片上温度的升高。分析了温度对于电路器件参数的影响，随着温度的升高，上升、下降时间增加，延时时间增加，工作频率减小等。 此热分析方法是针对电路设计的热分析。采用全定制方法设计了一个一位比较器作为热分析对象，由于使用的是0.18um的工艺库，NMOSFET与PMOSFET的宽长尺寸分别被设定为1um/0.18um，1.5um/0.18um。仿真验证后获得其完整的spice网表和GDSⅡ文件。 利用Hspice对电路中的各个门电路进行功耗仿真，所加激励：电源电压为1.8V，输入脉冲宽度为1us，脉冲频率为0.5MHz。仿真结果：非门的平均功耗值为4.73×10<'-8>W，与门的平均功耗值为5.76×10<'-8>W，或非门的平均功耗值为1.96×10<'-8>W。将平均功耗除以面积后的热流密度作为ANSYS分析中的热源。 利用LinkCAD for ANSYS将GDSⅡ文件转换为ANF文件后导入ANSYS中，加边界条件300K，求解得到整个电路的温度分布情况。从分析结果看，整个电路的温度分布并不均匀，为了得到更为均匀的温度分布并达到更好的热可靠性，对电路设计进行了优化，本文中的优化主要针对电路的版图设计。 最后，提出了一种基于图像拼接技术的热分析方法，此方法是对规模较大的集成电路热分析的进一步探索性研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1 CMOS集成电路的发展现状

1.1.2集成电路中的热问题

1.2集成电路热分析的研究进展

1.3本课题的研究意义及主要内容

第2章集成电路温度升高的原理分析及其影响

2.1集成电路温度升高的原理分析

2.2集成电路中功耗的主要来源

2.2.1动态功耗

2.2.2短路功耗

2.2.3静态功耗

2.2.4功耗—延时积

2.3温度对集成电路器件参数的影响

2.3.1温度对迁移率的影响

2.3.2温度对阈值电压的影响

2.3.3温度对跨导的影响

2.3.4温度对最高工作频率的影响

2.4本章小结

第3章一位比较器的全定制设计

3.1一位比较器概述

3.2电路设计

3.2.1电路设计与电路图(Schemetic)编辑

3.2.2电路的逻辑功能仿真

3.3版图设计与编辑

3.3.1工艺设计规则

3.3.2版图编辑

3.4版图验证

3.4.1几何设计规则检查(DRC)

3.4.2版图与电路图对照(LVS)

3.5版图及其寄生参数提取(PEX)与后仿真

3.6本章小结

第4章一位比较器的热分析

4.1一位比较器的功耗仿真

4.2电路的GDSⅡ文件与ANF文件的转换

4.3一位比较器的ANSYS热分析

4.3.1热分析的基本理论

4.3.2热传导方程

4.3.3热载荷

4.3.4 ANSYS的稳态热分析

4.4热分析结果的讨论及优化

4.4.1热分析结果的讨论

4.4.2版图设计的优化

4.5本章小结

第5章基于图像拼接技术的热分析探索

5.1版图缩小后的热模拟

5.2基于版图拼接的热分析

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢