芯片制造中的器件匹配技术详解

芯片制造中的器件匹配技术详解

在芯片制造过程中，由于系统误差和随机误差的存在，实际生产出来的器件参数往往与理论参数存在偏差。为了减小这种偏差，工程师们采用各种匹配技术，使器件对引起偏差的各种原因不敏感。本文将详细介绍芯片制造中的匹配技术，包括其概念、影响因素、实现方法和注意事项。

什么是匹配？

在芯片制造过程中，因为一些系统误差和一些随机误差，使得实际生产出来的器件参数和实际理论参数存在一定的偏差。然而我们可以通过电路设计或器件布局或走线等相关措施（也就是匹配），使这种偏差减小到最小。换句话说，就是使器件对引起偏差的各种原因不敏感。

偏差大小排序：从大到小依次排列如下：

• 每批次与每批次之间（lot to lot）
• 每片晶圆与每片晶圆之间（wafer to wafer ）
• 晶粒与晶粒之间（die to die）
• 器件与器件之间（device to device）

电流差异可能达到：5-30% ; 电压差异可能达到：10-100mV

如果想生产出来的器件更准，那就需要做校准（calibration），需要增加成本。

影响器件匹配的一些因素

系统性失配（Systematic Mismatches）

这类失配因素主要包括：硅片应力梯度、封装应力、工艺偏差、互连寄生、刻蚀速率、扩散相互影响、介质极化等其他许多因素。

下面简单讨论下上述几种因素：

应力梯度

如下为：晶圆方向定义

• 对于MOS管来说：应力使载流子的迁移率发生变化，从而影响mos管器件的跨导。

在<100>晶圆体硅中，沿<110>晶轴方向上，由应力引起的电子体迁移率的变化量最小；而沿<100>晶轴方向上，由应力引起的空穴体迁移率变化量最小。

在版图中：

NMOS管中，电子是主要载体，所以nmos管水平或垂直（X轴或Y轴）摆放，可以使它们的应力灵敏度最小化；

PMOS管中，空穴是主要载体，所以pmos管与X轴或Y轴成45度摆放，可以使它们的应力灵敏度最小化；考虑实际情况，我们还是会沿X轴或Y轴摆放pmos，因此这也是nmos比pmos匹配的更精确的原因之一。

• 对于电阻器件来说：硅片的压阻系数随方向和掺杂的不同而不同。

在<100>晶圆体硅中，沿<110>晶轴方向上，N型硅片表现出最小的压阻系数，P型硅片表现出最大的压阻系数；而沿<100>晶轴方向上，N型硅片表现出最大的压阻系数，P型硅片表现出最小的压阻系数。

在版图匹配中：

N型硅电阻水平或垂直（X轴或Y轴）摆放，可以使它们的应力灵敏度最小化；

P型硅电阻与X轴或Y轴成45度摆放，可以使它们的应力灵敏度最小化；

Tips：不同工艺的规格书中会明确说明制作晶圆方向。

工艺偏差

硅片上生产出来的图形不会和版图数据的尺寸完全匹配，因为在光刻、蚀刻、离子注入等过程中图形会收缩或扩张。导致版图数据的尺寸和实际生产测量的尺寸之间存在偏差，简称：工艺偏差。

互连寄生

版图中的走线和过孔等，会带来寄生电容和寄生电阻。

刻蚀速率

在一定程度上，刻蚀速率取决于多晶硅开口形状。大的开口可以进去更多刻蚀剂，会比小的开口刻蚀速度快。对大开孔边缘处侧壁侵蚀比小开孔的严重（over etching），这种效应会使开口大的多晶硅图形比紧密放置图形的宽度要小。

温度梯度

远离功率器件或模块，如果空间限制请使用共质心匹配。

随机失配（Random Mismatches ）

这类失配因素主要包括：尺寸、掺杂、氧化层厚度、离子注入等其他原因。

由于制造的一些误差实际周长尺寸和面积尺寸会有所改变。实际制造出来的线会有毛边。

重点：尺寸越小，随机失配就越严重。有效减小随机失配办法就是增加mos管的栅极面积或其他类型器件的面积A（WxL）。

下图展示了工艺变化对随机失配的影响。

工艺变化对随机失配的影响

实现匹配常见的方法

单位器件法

对于单个较大宽长比的mos而言，使用多个较小的宽长比的mos并联可以减小失配，这里较小的mos即为单位器件。

对于多个成比例需要匹配的器件而言，使用单位器件法，消除比例误差并减小失配。

叉指法（Interdigitated）

叉指法类似共质心中的一维匹配方式，其匹配原则同样类似共质心相关内容。具体请参考3.3节共质心描述。

共质心法（Common Centroid）

共质心法是芯片设计中常用的匹配技术，其核心思想是将需要匹配的器件布局在晶圆上的同一质心位置，以减小系统误差和随机误差的影响。

共质心的几个原则：

• 一致性（Coincidence）：匹配器件的质心位置尽可能完全重合，至少应该近似一致。
• 对称性（Symmetry）：阵列应同时相对于X轴和Y轴对称。阵列中各单元位置相互对称，而不是单元自身具有对称性。
• 分散性（Dispersion）：各个器件的各个分段应尽可能均匀地分布在阵列中。
• 紧凑性（Compactness）：阵列的排布尽可能紧凑，尽可能接近正方形。
• 方向性（Orientation）：每个匹配器件中应包含等量的朝向相反的段。

我们知道在离子注入阶段是有一定角度的注入（实际是wafer倾斜一定角度），正因为如此，造成mos管漏源不对称。如下图，所以在mos管的匹配时，应注意保持漏源方向数量的一致性。

举例：

下图满足方向性，m1和m2管分别包含一个S/D和一个D/S，朝向相反且数量相等，故满足方向性要求。

下图不满足方向性，因为m1和m2管中漏源的朝向都是相同的，故不满足方向性要求。

添加虚拟器件（Dummy devices）

• 增加虚拟器件可以使器件本体避免过度刻蚀（Over Etching）。
• 不管是mos管还是其他器件，增加的虚拟器件和被保护的器件间距需要保证一致。
• 增加的虚拟器件需要连接到衬底，防止引入额外噪声。

匹配中一些注意事项

• 保持器件方向一致
• 避免金属走线穿过匹配器件
• 对称走线，使走线产生的寄生相同
• 放置器件在低应力梯度区域
• 放置器件尽可能远离功率器件
• 匹配的器件版图尽可能紧凑
• 采用较大尺寸的器件来匹配
• 注意制造中二级效应对匹配的影响

问题与讨论

• 有没有什么手段可以在tapout前就能看到相关的器件失配呢？

Ans：可以，使用蒙特卡洛（Monte Carlo）仿真看器件的随机失配大小，但不能看到系统失配的大小。

• 为什么厚的gate oxide 比薄的gate oxide 的匹配效果差？

Ans：因为厚度gate oxide 是通过多次生产薄的oxide累计上去的。

• 能解释下匹配中的绝对精度和相对精度吗？

Ans：匹配不关心绝对精度，只关心相对精度；绝对精度取决于晶圆厂，不同厂商会有微小差异（差别不会太大）；相对精度可以通过相关匹配手段来减少。

• 共质心匹配是对抗什么类型的误差？

Ans：共质心匹配是对抗系统误差中的梯度效应，和随机误差没有关系。