RC-DELAY 첫번째 이야기

1. RC-DELAY

  BEOL 반도체 공정 중에서 Low-k물질 사용과 함께 등장하는 단어가 RC-Delay입니다. 오늘은 RC-Delay에 대해서 알아보고자 합니다. 

 

R은 Resistance, C는 Capacitance를 말합니다.

①  RC직렬 회로에서 충전 시 딜레이 되는 현상을 말하고 있습니다. 

저항과 콘덴서 양단에 걸리는 전압은 콘덴서의 과도현상으로 인해 처음에는 서서히 변하게 됩니다. 처음에는 저항에 모든 전압이 걸리게 되지만 콘덴서가 충전되기 시작하면서 점점 콘덴서의 전위 상승으로 인해 저항에 걸리는 전압 Vr은 결국에 0으로 됩니다. (콘덴서의 전위와 건전지 전위가 같아지므로 저항 R에는 전위치가 발생하지 않아 0으로 됩니다.)

 

② RC 직렬 회로에서 방전 시 딜레이 되는 현상입니다.

스위치를 오른쪽으로 바꾸면 충전되어 있던 콘덴서에서 저항 R을 통해 방전을 시작합니다. 방전 역시 스위치를 바꾸자마자 바로 시작되는 것이 아니라 '서서히' 방전이 진행됩니다. 콘덴서의 방전은 저항 R 크기에 따라 방전속도가 달라지는데 R이 클수록 방전시간이 늘어납니다.( 저항이 전류의 흐름을 방해하기 때문에 클수록 딜레이 되는 시간이 길어지는 것)

 

잠깐! 여기서 과도현상이란?

전기 회로에서 하나의 정상 상태로부터 변화하여 다른 정상 상태에서 안정화되기까지의 전기 현상을 과도현상이라고 합니다.

 

 

2. 미세화에 따른 RC 성분 증가와 신호 전달 속도 지연

  1) RC에 의한 지연은 일종의 기생 효과 (parasitic Effect)에 의한 전기 신호 전달 속도의 지연을 말합니다. R은 기생 효과에 의해 생기는 저항(Risistance), C는 기생 효과에 의해 생기는 전하의 축전량(Capacitance) 성분입니다. RC Delay는 아래와 같은 식으로 정리할 수 있습니다.

 

Trc = (ρ0 ×L1/td) (Kd/ε0)

 

ρ0 : 배선 재료의 선 저항, L1 : 배선 길이, td : 절연체의 두께 

Kd : 절연체의 유전상수, ε0 : 배선 재료의 전도도 

 

2) 집적도가 높아지면 배선 길이가 길어지고, 배선 재료의 두께가 얇아지기 때문에 rc 지연 성분은 커질 수밖에 없습니다. 

 

3) Gate에서는 미세화로 인해 신호 처리 속도가 증대되므로 배선에 의한 지연 성분을 상쇄시키는 효과가 있습니다. 수 μm 단위에서는 Gate 신호 전달 속도가 배선에 의한 RC지연 효과보다 크기 때문에 배선에 의한 RC Delay가 문제 되지 않지만 1μm 이하에서는 배선에 의한 RC Delay 효과가 급격하게 지수적으로 상승하기 때문에 Gate에 의한 신호 전달 속도의 미미한 증가보다 우세하게 작용해서 신호 처리 속도의 심각한 지연을 가져옵니다.

 

4) 따라서 배선 재료에 대한 교체를 생각해 봐야 하고 더불어 Capacitance를 줄이기 위해 절연 재료에 대한 고려도 필요합니다. 

 

 

출처 및 참고 문헌

KKHIPP.TISTORY.COM

www.kdu.ac.kr  "미세화에 따른 rc 성분 증가로 인한 신호전달 속도의 지연"