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2016年3月12日 星期六

OD Space Effect (OSE)

從0.25um以下的半導體製程,利用STI的方法來做隔絕元件與元件。由於STI的作法,會在Substrate上挖出一個溝槽,再填入二氧化矽當絕緣層,這個動作會產生應力的問題,對元件NMOS和PMOS產生額外的影響。

本篇所談的OD space effect (OSE) or OD spacing effect和先前提到的LOD effect [1], [2]一樣, 都是因為半導體製程裡STI (Shallow trench isolation)所造成的,所以LOD和OSE可稱為STI stress effect。在65nm之前的製程,OSE的影響並不明顯,所以STI stress effect單純指LOD effect。而45nm以下的先進製程,OSE的影響就不能再被忽略了。

什麼是OSE?

如下圖一為一個NMOS,STI的寬度(W)、深度(D)以及STI到元件閘級(Gate)的距離(S)皆會改變應力對元件的影響。理想上,每片Wafer的STI的深度應為定值,此值由各家晶圓廠製程所決定,Circuit designer或Layout engineer不需要考慮STI深度所造成的影響。而STI到Gate的距離對device產生的影響就是之前說的LOD effect [1], [2],圖一裡標示的S,就是所謂的Length of diffusion (LOD)。圖一裡STI的寬度(W),也就是兩個OD的Space,因此STI寬度所造成的影響稱為OD space effect。在文章一開始提過,OSE在65nm之前的製程裡並不明顯,可以忽略;在45nm之後的製程,Designer就必須考慮OSE的影響。

圖一:

模擬OSE

BSIM4 SPICE model並不支援OSE,foundries (TSMC、Samsung、IBM等)用自己的演算法來Model OSE,所以並沒有標準的參數來描述OSE。雖然各家Foundry的參數不同,但基本上都是計算元件到四個邊OD的平均距離。晶圓廠再根據製程參數、以及各自的演算法來模擬OSE的對元件的影響。如圖二裡中間4個Finger的Device A,其左、右、下方的OD spacing分別為XL、XR、YB,而上方則為YU1、YU2的平均。此外,Device A的四個Finger為單獨Device的話,這四個Finger的OSE也會不相同。

由於沒有標準的參數,Designer必須自行參閱晶圓廠提供的製程資料和SPICE model把相關參數找出來,然後簡單計算帶入Netlist裡,或是直接用晶圓廠提供的PDK來做設計、模擬。


圖二:

減少OSE

除了Pre-sim要預估OSE參數外,在設計、佈局上也要降低OSE的影響。在Layout上,一個Finger一個OD單獨畫,然後每個device到device的距離要固定,這是最理想的狀況。
為了節省面積,當Multi-finger畫在同一塊OD上時,Device上下方要有Dumy OD (or dummy device),而最左、右兩端也要有足夠的Dummy device。如下圖三,綠色虛線裡的Device是Critical device,上、下兩排為Dummy device;左右兩端各有兩個Dummy device,和改善LOD effect的方法一樣。

圖三:

對類比(Analog)、數位(Digital)設計的影響

對類比設計來說,OSE和其他的LDE (Layout dependence effect)一樣,原本就應該被模擬,並在設計上減少OSE對電路的影響。
對數位設計來說,由於Standand cell的特性是在特定的元件距離下所模擬的,所以APR工程師必須遵照Standard library的說明來擺放standard cell,並加適當的加入Dummy cell、Endcap、Filler等,來減少Real silicon和Timing library的誤差。

延伸閱讀:
[1] Introduction to LOD Effect (上) by bubuchen
[2] Introduction to LOD Effect (下) by bubuchen
[3] Well Proximity Effect by bubuchen
[4] Poly Space Effect (PSE) by bubuchen
[5] Self-Heating Effect (SHE) 自我加熱效應 by bubuchen

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