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FF corner的芯片为什么IDD会更大?

在芯片的生产过程中我们经常会遇到某片wafer由于“跑的偏快了”,导致整体IDD偏大,从而引起low yield。那么为什么“跑快了”会导致IDD变大呢?

首先我们来看一下corner概念:

芯片制造是一个物理过程,存在着工艺偏差(包括掺杂浓度、扩散深度、刻蚀程度等),导致不同批次(lot)之间,同一批次不同晶圆(wafer)之间,同一晶圆不同晶片(die)之间情况都是不相同的。从专业的角度怎么定量描述这些制造工艺带来的个体差异,于是corner的概念产生了。也就是工艺角,典型的工艺角有TT, SS, FF, SF, FS.

这里 S 代表 Slow,T 代表 Typical,F 代表 Fast。对我们CMOS 集成电路而言,里面包含 NMOS 和 PMOS 两种,那么两个字母分别对应其中一种 MOS 管,如第一个 T 代表 NMOS,那么另一个 T 就代表 PMOS,这里 TT 就代表 NMOS 和 PMOS 都是 typical。通常我们用的 corner 都是指两个 MOS 管在相同的速度下,对于一些敏感的模拟电路,还需要 SF 或者 FS 这种 corner。典型是这五种 corner 测试,当然,也有更为严苛的将所有九个工艺角都测的。

  • SS(Slow - Slow):指 NMOS 和 PMOS 速度均偏慢。芯片工作速度最慢,电路延迟增加,如微处理器指令执行时间变长,但因晶体管性能弱、开关动作慢,功耗相对较低。

  • TT(Typical - Typical):芯片性能处于典型状态,NMOS 和 PMOS 性能在正常模拟范围内。工作速度与功耗在设计预期区间,数字电路各性能指标符合规格,能稳定工作。

  • FF(Fast - Fast):NMOS 和 PMOS 速度较快,因制造工艺使晶体管性能好。芯片工作速度最快、电路延迟最小,利于高频电路,但开关速度快致瞬态电流大,功耗较高。

那么为什么FF corner的芯片电流会更大呢?FF Corner电流偏大,本质上是因为这个工艺角下的晶体管被“优化”得速度更快,而这在物理上往往需要通过降低晶体管的“开关门槛”(阈值电压)和提升其“敏捷度”(载流子迁移率)来实现,这些变化会直接导致电流增大。

理解FF Corner的电流构成

FF Corner下的总电流偏大,是动态电流和静态漏电流共同增加的结果:

  • 动态电流(Ids)增大:为了获得更快的开关速度,FF Corner的晶体管被调整得具有更高的载流子迁移率和更低的导通电阻。当晶体管导通时,其驱动电流(Ids)会处于最大值。这意味着在电路翻转、执行逻辑功能时,充电和放电的能力更强,单位时间内流过的电流更大。

  • 静态漏电流激增:这是FF Corner电流偏大的一个非常关键的原因。更低的阈值电压使得晶体管在本该关闭的状态下(即静态时)变得“不那么容易关断”,导致亚阈值漏电流(Subthreshold Leakage)会显著增加。此外,在先进工艺中,为实现高性能可能采用更薄的栅氧层,这会加剧栅极漏电流。

什么是亚阈值漏电流?

亚阈值漏电流是MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)特有的一种现象,简单来说,就是当MOS管的栅极电压低于其阈值电压,理论上应该完全关闭时,实际上仍然存在的微小电流。

亚阈值漏电流的产生,根源在于半导体器件的物理特性:当栅极电压低于但接近阈值电压时,硅表面不会形成强大的导电沟道(强反型),但会进入“弱反型”状态。此时,源极和衬底之间会形成一个由n+-p-n+结构成的寄生双极晶体管。在漏源电压的作用下,源区的少数载流子(对于NMOS是电子)会注入到衬底表面,并依靠扩散运动(而非电场驱动的漂移)到达漏区,从而形成电流。

http://www.jsqmd.com/news/130249/

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