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PSE效应是什么?
昨天 17:00   浏览:79   作者:小萍子
本文将介绍多晶硅栅间距效应(Poly Space Effect,简称PSE)。


在集成电路版图设计中,多晶硅栅间距效应(Poly Space Effect,简称PSE)是一个影响晶体管电学特性的重要物理现象。所谓PSE,是指多晶硅栅极之间的距离——特别是有效器件栅极与周围相邻栅极(包括其他晶体管的栅极或虚拟多晶硅Dummy Poly)的距离——会对目标器件的性能产生显著影响。

这种效应并非孤立存在。当MOS管的栅极左右两侧有其他Poly线条时,不同间距会通过多种物理机制干扰目标器件,导致其阈值电压Vth、饱和电流Idsat、迁移率μ、寄生电容乃至可靠性发生偏移。通常将目标栅极到相邻第一根Poly的间距记作SP1,到第二根Poly的间距记作SP2。其中SP1的影响最大,SP2的影响相对较小,超过二级距离后的Poly基本可以忽略。

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PSE效应的产生机理




PSE效应的物理根源可从三个层面来认识。从工艺制造层面看,在光刻和等离子体蚀刻过程中,密集排列的Poly线条与稀疏线条所处的工艺环境不同。间距差异会带来蚀刻负载效应、沉积均匀性变化以及光刻邻近效应,最终导致Poly轮廓、线宽尺寸和栅极形貌出现细微差别,从而引起电学参数漂移。

从应力层面看,这一机理更为本质。现代CMOS工艺中,浅槽隔离会在有源区边缘施加压缩应力,改变硅晶格并影响载流子迁移率:对NMOS而言电流通常下降,而对PMOS则可能上升。此外,器件上方覆盖的氮化硅应变层(如接触孔蚀刻停止层CESL)的应力分布会因相邻Poly的疏密程度不同而发生改变,使得目标器件感受到的有效应力存在差异,最终体现为驱动电流的偏差。需要指出的是,最近邻的第一根Poly影响最大,第二根次之,更远的贡献可忽略。


再看电场耦合层面,这在先进工艺和FinFET时代尤为突出。当工艺节点推进到16nm、7nm甚至5nm时,Poly间距进一步缩小,相邻栅极之间的电场耦合显著增强,带来寄生电容上升、RC延迟增加,甚至对阈值稳定性产生不利影响。


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版图设计中规避PSE的常用方法




针对PSE效应,版图工程师可采取多种策略加以规避。最直接有效的方法是添加虚拟多晶硅(Dummy Poly)。具体做法是在关键器件的两侧或周围,按照特定间距规则加入没有电气连接的多晶硅条,用以填充工艺环境。这些Dummy Poly能够模拟出均匀的、类似“无限阵列”的工艺环境,使内部有效器件处于稳定的应力和刻蚀条件下,避免边缘效应导致的参数漂移。该方法尤其适用于对匹配性要求极高的电路,如高精度运放的输入差分对、带隙基准中的核心晶体管等。

保持一致的Poly间距环境是另一项核心原则。如果无法添加Dummy结构,则必须确保所有需要匹配的关键器件拥有完全相同的Poly间距环境。具体实现方式包括:在目标器件阵列两侧对称插入Dummy Poly,使左右邻居环境一致;将所有关键匹配MOS的栅极置于同一个Poly网格上,保证相邻间距在整个匹配组内完全相同;采用对称加共重心的布局,使匹配器件不仅在间距上一致,还在几何重心上互相对称,这样即使存在应力梯度、掺杂梯度或温度梯度,误差也能互相抵消。


此外,还应拉开与大而异样结构的距离。大功率管、大尺寸开关、IO附近的粗Poly等会产生较大的应力场、热场和工艺扰动,关键模拟器件需远离它们,或在中间加入保护环或空白隔离区。最后,后仿真务必采用LDE感知的提取方式,确认PSE、WPE、LOD等参数被正确抽取,使用带LDE修正的模型重新仿真,避免单一模型适用所有情况。

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