分析一個(gè)電路因WPE效應(yīng)掛掉的案例

今天分享一個(gè)后仿真發(fā)現(xiàn)電路fail掉的一個(gè)案例。

首先簡單介紹一下什么是WPE效應(yīng)。

工藝中，有一些物理效應(yīng)，這些物理效應(yīng)在以前的老工藝中，比如180nm之前，影響基本可以忽略不計(jì)，因此老工藝設(shè)計(jì)中不會(huì)去關(guān)心這些效應(yīng)。但是隨著工藝的先進(jìn)，這些物理效應(yīng)造成的器件性能的影響占比越來越大，不可忽略，以至于導(dǎo)致芯片fail。foundry會(huì)在PDK中將這些物理效應(yīng)建模進(jìn)去，但是designer和layouter在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，也要考慮這些效應(yīng)，以保證電路可靠性。

這些物理效應(yīng)包括：

WPE: Well Proximity Effect阱臨近效應(yīng)

LOD: Length of Diffusion擴(kuò)散區(qū)長度效應(yīng)

OSE: OD Space Effect擴(kuò)散區(qū)/有源區(qū)間距效應(yīng)

PSE: Poly Space Effect柵間距效應(yīng)

其中，WPE效應(yīng)就是阱臨近效應(yīng)，指器件靠近阱（Well）引起的參數(shù)發(fā)生偏離，從而影響器件的性能。在普通的單阱工藝中，只有PMOS有此效應(yīng)；在雙阱工藝中，PMOS和NMOS都有此效應(yīng)。

WPE參數(shù)主要有三個(gè)：SCA、SCB、SCC。這三個(gè)參數(shù)在BSIM4模型中的定義如下：

看似很難懂，其實(shí)也不用過多care這些參數(shù)的具體含義，簡單說，就是WPE的這三個(gè)參數(shù)很重要，在前仿真和后仿真不應(yīng)該差別過大，否則會(huì)引起MOS的電流、Vth等參數(shù)產(chǎn)生很大影響，繼而影響電路整體功能。

該案例主要說明版圖中TG layer對WPE參數(shù)的影響（TG是tripple Gate，主要標(biāo)識(shí)高壓device，柵氧化層更厚）。

以一個(gè)簡單的電流鏡為例，說明layout改變WPE參數(shù)對輸出電流Iout的影響。testbench中輸入電流Iin給定20nA，電流鏡是2：1的copy rate。兩個(gè)MOS的W/L=1u/10u.理論上Iout為10nA。

電路圖中兩個(gè)MOS的WPE參數(shù)，網(wǎng)表顯示均如下圖右圖所示，前仿真結(jié)果如左圖，輸出電流Iout大小為10nA，無問題。

其layout如下所示：

（注意DNW device的畫法，此版圖不專業(yè)，只是為了說明問題，同時(shí)也不會(huì)引入問題，未加dummy，已驗(yàn)證dummy對此電流鏡的WPE參數(shù)無影響）。

只顯示TG layer的情況：

現(xiàn)在將相同電壓域的管子用一篇TG鋪滿，但都是貼著原有TG層的邊去鋪，如上圖所示，不會(huì)留出裕度，如果是用的180nm，這樣鋪也沒啥問題，如果是40nm，這樣就出現(xiàn)問題了。

對此layout進(jìn)行寄生參數(shù)提取，在calibre進(jìn)行norc的提取就可以發(fā)現(xiàn)此畫法的問題了。用此layout生成的calibreview進(jìn)行仿真，結(jié)果如下。輸出電流Iout不再是10nA，而是24.9nA，顯然不正常。再看網(wǎng)表，發(fā)現(xiàn)WPE參數(shù)中sca、scb、scc參數(shù)和前仿真的差異很大，導(dǎo)致Iout不正常了。電流本來是10nA，現(xiàn)在接近25nA，變大到原來的2.5倍，如果此電流流過電阻，且后續(xù)電路是小擺幅設(shè)計(jì)，那么電流的變大會(huì)時(shí)后續(xù)電路無法正常工作。

現(xiàn)做改動(dòng)，將TG層鋪滿的面積變大，如下圖：

再對此layout進(jìn)行norc后仿真，提取出的calibreview進(jìn)行仿真，結(jié)果如下。網(wǎng)表中，WPE參數(shù)和前仿真一樣，輸出電流變?yōu)檎＃瑸?0nA。

再次做改動(dòng)，將自己鋪設(shè)的TG層刪除，只保留庫里的器件原本的TG層，可看出三個(gè)MOS之間TG有間距。

對此layout進(jìn)行norc提取，提取出的calibreview進(jìn)行仿真，結(jié)果如下，可發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)表中的WPE參數(shù)變得更大了，與前仿真的WPE參數(shù)差別很大，但是輸出電流是正常的，是10nA，這個(gè)現(xiàn)象就奇怪了，WPE參數(shù)偏離前仿真這么多，輸出結(jié)果竟是正確的。

以上幾種layout畫法都不會(huì)報(bào)DRC錯(cuò)誤，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)就是，TG layer應(yīng)該流出幾u(yù)m的裕度包圍MOSFET的有源區(qū)，這樣更保險(xiǎn)。（有經(jīng)驗(yàn)的layouter應(yīng)該深懂這一點(diǎn)，designer也應(yīng)該提醒和你對接的layouter這些注意的地方）。

至于TG是如何影響WPE參數(shù)的（應(yīng)該是TG影響了阱的摻雜濃度），WPE參數(shù)又是如何影響MOS的電流的（現(xiàn)在看來不是正比關(guān)系）研究透徹了再分享一下，有知道的同學(xué)也可以留言呀。