Introduction to LOD Effect (上)

在先進的CMOS製程裡，LOD (Length of Diffusion) Effect將會是影響類比電路的一個重要參數。
剛好最近讀了一些有關LOD Effect的文章，發現LOD Effect的資訊幾乎都是英文的，故想用正體中文把這LOD Effect做個簡單的介紹，讓初次碰到LOD Effect的Designer可以快速進入狀況。

我把文章分成上、下兩篇，上集先簡單介紹LOD Effect，接著是如何模擬LOD Effect對MOS的影響。
而下集介紹如何避免LOD Effect對電路的影響。

什麼是LOD Effect?
LOD是Length of Diffusion 的縮寫，直接翻譯就是擴散區長度所造成的影響。從0.25um以下的製程，元件與元件間是利用較先進的STI(Shallow Trench Isolation)的方法來做隔絕。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。這個在substrate挖出溝槽再填入二氧化矽的動作會產生應力的問題，由於FOX(Field Oxide)到Poly Gate的距離不同，應力對MOS的影響也不同。所以當擁有相同的Gate Length和Gate Width的兩個MOS，因為擴散區長度不同造成其電流不同。
如下圖一，兩個MOS (A和B)其Gate Length與Gate Width皆為0.5um和2um，但由於擴散區分別為1um和1.5um，所以其電流大小並不同。

圖一：

LOD Effect對PMOS和NMOS的影響正好相反。當PMOS的電流隨SA(SB)變小而變大，NMOS的電流影響則是SA(SB)越小電流越小。



如何模擬LOD Effect?
我一般都是用HSPICE做電路模擬，所以這裡介紹用HSPICE來模擬LOD Effect對電路的影響。傳統的BSIM3 SPICE Model並沒有把LOD Effect的效應估算進去，而BSIM4的Spice Model開始支援LOD Effect，所以要模擬LOD Effect必須使用BSIM4的Model。目前晶圓廠的先進製程都已提供支援BSIM4的Model給客戶使用了。

LOD Effect最重要的參數就是擴散區長度。由於Drain和Source的擴散區長度不一定相同，所以一顆MOS有SA和SB兩個參數描述LOD Effect所造成的影響，如下圖二所示。

圖二：


所以在SPICE Netlist裡，再加上SA, SB兩個參數即可，如下面M1這個MOS，在Model Name之後加入SA、SB參數。
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M1 VD  VG VS VB NMOS L=0.5U W=2U SA=1U SB=1.5U
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由於SA、SB長度是由Layout決定的，所以在做Pre-Sim時，可以預先估計SA、SB的大小代入SPICE Netlist中做模擬。當Layout完成後，可由Calibre、Assura、Star-RCXT等寄生參數萃取軟體(Layout Parasitics Extraction )把SA、SB抓出來，再利用HSPICE做Post-Layout Simulation。

圖三是我用HSPICE做單一顆NMOS電流的模擬，X軸為SA(SB)的大小，Y軸為電流大小。我們可以看到，當SA(SB)較小的時候，NMOS的電流比較小，當SA(SB)越來越大時，電流也變大，當SA(SB)大到一定程度時，電流有飽和的趨勢。

圖三：


圖四是對PMOS、NMOS用HSPICE做LOD Effect的模擬，X軸為SA(SB)的大小，從0.5um到100um，Y軸為電流大小，此電流以SA=SB=100um時的電流標準化後的結果。從圖四可以證明第一段所說明的結果，LOD Effect對PMOS和NMOS的影響正好相反。

圖四：


前面已經簡單介紹什麼是LOD Effect，並介紹如何在HSPICE裡把LOD Effect考慮進去，再下一篇文章將介紹如何利用Layout上的技巧來避免LOD Effect對電路的影響。

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

參考文獻(References)：
[1] Y. M. Sheu, et al., "Impact of STI Mechanical Stress in Highly Scaled MOSFETs," in Proc. IEEE International Symposium on VLSI Technology, Systems and Applications, 2003, pp. 76-79.
[2]P. G. Drennan, et al., "Implications of Proximity Effects for Analog Design," in Proc. IEEE Custom Integrated Circuits Conference, 2006, pp. 169-176.