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2016年3月27日 星期日

Poly Space Effect (PSE)


接着来说Poly space effect (PSE) 或是Poly spacing effect,从字面上是Poly距离对元件造成的影响,而元件闸极是用Poly silicon所实现的,所以PSE就是闸极距离对元件所产生的影响(注一)。

什麽是PSE?
传统的PSE是因光罩的误差,制作过程中蚀刻(Etch)、沉积(Deposition)所造成的误差。这可以用利用蒙地卡罗分析(Monte-Carlo analysis)来做模拟,来预估结果。而这里要说的PSE则是另一个原因造成的。



之前谈LOD、OSE时有提到应力(Stress)会对元件造成影响[1], [2], [4]。如图一的NMOS,像STI stress是一种向元件推挤的应力(Compress stress),会造成NMOS电流下降。这种向元件推挤的应力,反而会造成PMOS的电流上升。

图一:

那向元件外拉扯了应力呢(Tensile stress)?如图二的NMOS,如果有一个往元件外侧拉扯的应力,则其电流会上升,而PMOS的电流反而会下降。

图二:

有人就想到,如果可以利用这个现象,就能增进元件的效能(Performance)。一般有两种做法来产生额外应力,第一种是在PMOS source/drain 下内嵌(embedded)一层SiGe(矽锗)来产生Compressive stress,或是在NMOS channel下加入SiGe来产生Tensile stress。在制程上在PMOS Source/drain 下方加上SiGe比较容易实现。因此,这种eSiGe (Embedded SiGe)的方法,会受到Gate到OD (sour/drain)距离所影响,如之前说过的LOD effect[1], [2]

另一种方法是在元件上加上一层SiN (Silicon Nitriod),来产生额外的应力。这种方法可以让元件都是compressive stress或都是Tensile stress。也可以分别对PMOS产生Compressive stress,NMOS产生Tensile stress。这种在元件上加上一层SiN来增加元件效能的方法,会因为闸极和闸极的距离不同,而产生不同的影响,这就是本文说的PSE。

如图三中的Device A,除了左右两旁最邻近闸极(B)的距离外,有些半导体制程的左右第二邻近的闸极(C)距离也是会对Device A有影响的。

图三:

如何模拟PSE?

和OSE一样,BSIM model并不支援PSE,Foundries用自己的方法来model PSE,所以并没有标准的参数来描述PSE。虽然各家Foundry的参数不同,但都是计算元件闸极到到邻近闸极的距离,如图三里的1st PSE和2nd PSE。晶圆厂再根据制程参数、以及各自的演算法来模拟PSE的对元件的影响。

由於没有标准的参数来描述PSE,Designer需参阅晶圆厂提供的制程资料和SPICE model把PSE相关参数找出来,然後简单计算带入Netlist里;或是使用晶圆厂提供的PDK来做设计、模拟、布局。

如何减少PSE?

除了在pre-sim时要把PSE参数带入外,在设计、布局时也要尽量减少PSE的影响。除了一个Device皆单独画以外,最直接的方法就是把元件的闸极皆设计成一样,且闸极到闸极距离也都相等,这样所有的元件都会受到一样的PSE影响。如图四,每个Finger的L都相同,且finger和Finger距离都相同,此外在两边最外侧还要多画上两个Dummy finger,或是把No-critical circuit放在最外两侧。

图四:

对类比(Analog)、数位(Digital)设计的影响

和OSE一样,PSE对类比设计来说,和其他的LDE (Layout dependence effect)都必须考量,并在电路设计和布局上要减少PSE对电路的影响。
对数位设计来说,由於Standand cell的Layout在左右两侧并没有额外的Dummy poly,所以APR工程师必须遵照Standard cell library的说明来摆放Standard cell,并加适当的加入Dummy cell、Endcap、Filler等,来减少Real silicon和Timing library的因PSE造成的误差。

注一:在45nm之前的process,闸极为poly silicon;在28nm开始,闸极使用metal来实现并用high-k物质来做闸极绝缘层。

延伸阅读:
[1] Introduction to LOD Effect (上) by bubuchen
[2] Introduction to LOD Effect (下) by bubuchen
[3] Well Proximity Effect by bubuchen
[4] OD Space Effect (OSE) by bubuchen
[5]?Self-Heating Effect (SHE) 自我加热效应 by bubuchen