IR Drop 、EM、Noise 和Antenna

1. IR Drop

IR Drop是指在集成电路中电源和地网络上电压下降和升高的一种现象。由于工艺的不断演进，金属互连线的宽度越来越窄，电阻值越来越大,供电电压越来越小，IR Drop的效应越来越明显。因此，现在的芯片最后都把IR Drop的分析做为芯片signoff的一个必要步骤。工具采用Redhawk。

1.1 IR Drop的分类

IR Drop主要分为两种。一种是静态的IR Drop, 另外一种是动态的IR Drop。

静态IR Drop产生原因主要是电源网络的金属连线的分压，由金属连线自身电阻分压造成。静态电压主要和电源网络的结构和细节连线有关。

静态IR Drop主要考虑电阻效应，分析电阻的影响。

动态IR Drop产生原因是电源在电路开关切换的时候电流波动引起的电压压降,发生在时钟的触发沿，时钟沿跳变引起大量晶体管开关，带来组合逻辑电路跳变，使芯片短时间内产生很大的电流。

开关的晶体管数量越多，越容易触发动态IR Drop现象。

1. 2 IR drop的影响

• 性能下降，电压降低后，gate的开关速度变慢，性能降低。因此对于高性能的设计，IR Drop需要控制在很小的范围内。
• 导致setup和hold违例，如果power network做的不够好，IR drop在某个局部区域特别大（尤其是动态IR Drop），从而导致 STA阶段signoff的timing与实际情况不一致。

setup的违例可以通过抬高电压来提升频率，但是导致功耗上去了，而且如果动态IR drop不够 robust,通过抬电压，setup能提升的空间也有限。
一旦出现hold违例，那芯片就无法正常工作了。因此在先进工艺中，IR Drop的影响特别大，需要引起各位的高度重视。

1.3 改善 IR Drop的方法

• 提高PG密度，增加power switch cell数量，增强PG的强壮性
• 插足够多的decap cell（含去耦电容）
• 将翻转的寄存器错开row摆放

2. EM

EM(电迁移)：作为互连线的金属，当电流过大时，电子会同金属内部的原子发生碰撞，导致金属发热，电阻增大，当短时间内发生大量碰撞，金属原子就会沿着电子的方向流动，这种现象称为电迁移。
互连线：IC内部采用金属薄膜来传导工作电流称为互连线。

2.1 EM影响

• 电迁移会使IC中互连线发生短路或断路，引起IC失效。
• 使电源网格电阻增大，影响电路时序

2.2 改善EM方法

• 需要加倍线的宽度
• 增加via的数量

3. Noise Violation

noise也称为crosstalk(串扰)，主要是指工艺金属层线变窄，间距变小以后，导致线与线之间的耦合电容增大，接地电容变小。而Noise的大小与耦合电容成正比，与接地电容成反比。所以导致Noise的影响变大。

noise的影响主要分为两大类：信号的延迟和毛刺
在分析noise时，将产生noise信号源的网络称为侵害net，受到串扰的网络称为受害net。当侵害网络的信号在0和1之间电平变换时，受害网络上会产生相应的串扰噪声。

3.1 修复noise violation的方法

• 增强受害net的驱动能力，upsize driver
• 给受害net加buffer，插buffer是后端修复violation的万能手段。它也是处理noise时一项非常有效的修复技术。通过插入buffer将长线打断能有效降低受害net上的耦合电容，从而降低noise的影响。
• 减少并行走线的长度，改变net走线
• 将两条net之间的间距加大或者屏蔽线shield来保护受害net
• 降低侵害网络的驱动能力

4. antenna violation

antenna violation(天线效应)：芯片生产过程中，暴露的金属线等导体，就像一根根天线会收集电荷导致电位升高。当电荷足够多就会放电，可能击穿MOS管的栅极，使电路失效，就是天线效应。
随着工艺技术的发展，栅的尺寸越来越小，金属的层数越来越多，发生天线效应的可能性就越大。

4.1 天线效应的消除方法

解决天线效应的方法可以分为跳线发(上跳线和下跳线)、插二极管、插buffer。
1.向上跳线法

2.向下跳线法

这种方法通过改变金属布线的层次来解决天线效应，但同时增加了通孔，由于通孔的电阻会直接影响到芯片的时序和串扰问题，所以严格控制布线层次变化和通孔的数量。
这两种方法，其中向上跳线法是使用最普遍的，只有最高层金属层上出现天线效应时，才考虑向下跳层。不过效果也不明显，可以直接采用下面的另外一种方法，插buffer截掉长线。

3. 插入反向二极管
在金属连接线上插入接地的二极管，当电荷积累到一定程度，就会形成到地的通路，但插入二极管会增大芯片面积，不宜大规模采用。

4.插buffer
插入buffer截断长线，解决天线效应。

5.sizeup cell
增大栅极的面积来减轻天线效应

6.添加dummy load负载
本质还是增加gate的面积来缓解天线效应。一般用于较小violation的情况。