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2017年12月23日 星期六

Self-Heating Effect (SHE) 自我加热效应

这篇来跟讲讲SHE。这里的SHE,不是指台湾的女子天团SHE,是指半导体元件的Self-heating effect,自我加热效应的简称。

什麽是SHE?
电子元件当电流流过後,因为内部阻抗的关系,会产生热能(heat)。而半导体元件也是如此,当MOS导通时(channel turning on),电流从汲极(Drain)经通道(channel)流到源极(Source)也会产生热能。这会使元件本身的温度提高,一般来说,温度高效能会较差,如果温度过高到一定程度,元件可能会因此而烧毁而有可靠度(reliability)的问题。


半导体的SHE已经存在很久,但为什麽最近才开始受到重视? 其实SHE在特殊制程已经讨论许久,如SOI (Silicon on insulator)制程。只是我们之前常用的TSMC、Samsung的CMOS process,其SHE并不明显。

Fig. 1为传统制程(planar process) NMOS的剖面图(Cross-section view),当Channel形成、电流流过,产生的热能可以透过基底(substrate)给散发掉。在0.13um之前的制程,由於元件channel length大,散热较容易。进入奈米制程(90nm、65nm、40nm、28nm)後,元件channel length变小後,散热能力变得比差。但这时,SHE还是不明显。


Fig. 1


Fig. 2为Finfet制程NMOS的剖面图。由於Finfet元件为3D的结构,每个鳍(fin)往基底散热的面积将大幅减小。所以Finfet制程的SHE会特别严重。

Fig. 2

模拟SHE的影响
据了解,台积电(TSMC)、三星(Samsung)的Finfet制程所提供的SPICE model都支援SHE模拟。两家模拟流程略有不同,请参考foundry所提供的文件。SHE的模拟结果的报告档会告我们元件温度提升了多少。比如说,我们初始的温度在100度的环境下,电路经过操作後,某个元件温度会提升10度,到110度。这时我们可以依规格、设计的容忍度(Tolerance)等。来判断这110度是否能接受。如不能接受,就必须要更改电路设计或布局布局(Layout)来改善SHE。

改善SHE对元件的影响
在电路设计上,SHE的主因是流经元件的电流过大,所以我们可以适当的把电流减小来改善。但一般的设计,不会故意把电流弄大,都是规格需要才会有那麽大的电流,例如OP的driving stage、LDO的power MOS等。

如Fig. 3的Layout,在这个4个finger的MOS A有1mA的电流流过,造成SHE过大。我们在layout上让MOS A这4根finger不连续排在一起;如Fig.4,在4根figner中间插入一根dummy figner (MOS D)。更夸张些,MOS A的每个finger都分开,中间都插上dummy,如Fig. 5。

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5






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SHE是一个存在已久,但现在才受到重视。我们在layout上,可把大电流元件分散摆放来降低SHE的影响,不过这会造成面积增大,必须要互相斟酌考虑。

Reference:
  1. C. Prasad, et al., "Self-heat reliability consideration on Intel's 22nm tri-gate technology," in proc. IEEE IRPS, pp. 5D.1.1-5, 2013.??
  2. S. E. Liu, et al., "Self-heating effect in FinFETs and its impact on device reliability characterization," in proc. IEEE IRPS, pp. 4A.4.1-4, 2014.
  3. M. Jin, et al., "Hot carrier reliability characterization in consideration of self-heating in FinFET technology, in Proc. IEEE IRPS, pp. 2A.2.1-5, 2016.
  4. C. Prasad and S. Ramey, "Self-heating in advanced CMOS technologies," in Proc. IEEE IRPS, pp. 6A.4.1-7, 2017.

延伸阅读:
  1. Introduction to LOD Effect (上)?
  2. Introduction to LOD Effect (下)
  3. Well Proximity Effect
  4. OD Space Effect (OSE)?
  5. Poly Space Effect (PSE)

2 则留言:

  1. 版大您好,请问有联络您的方式吗?(信箱之类的)谢谢:)

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