Poly Space Effect (PSE)

接著來說Poly space effect (PSE) 或是Poly spacing effect，從字面上是Poly距離對元件造成的影響，而元件閘極是用Poly silicon所實現的，所以PSE就是閘極距離對元件所產生的影響(註一)。

什麼是PSE?
傳統的PSE是因光罩的誤差，製作過程中蝕刻(Etch)、沉積(Deposition)所造成的誤差。這可以用利用蒙地卡羅分析(Monte-Carlo analysis)來做模擬，來預估結果。而這裡要說的PSE則是另一個原因造成的。



之前談LOD、OSE時有提到應力(Stress)會對元件造成影響[1], [2], [4]。如圖一的NMOS，像STI stress是一種向元件推擠的應力(Compress stress)，會造成NMOS電流下降。這種向元件推擠的應力，反而會造成PMOS的電流上升。

圖一：

那向元件外拉扯了應力呢(Tensile stress)?如圖二的NMOS，如果有一個往元件外側拉扯的應力，則其電流會上升，而PMOS的電流反而會下降。

圖二：

有人就想到，如果可以利用這個現象，就能增進元件的效能(Performance)。一般有兩種做法來產生額外應力，第一種是在PMOS source/drain 下內嵌(embedded)一層SiGe(矽鍺)來產生Compressive stress，或是在NMOS channel下加入SiGe來產生Tensile stress。在製程上在PMOS Source/drain 下方加上SiGe比較容易實現。因此，這種eSiGe (Embedded SiGe)的方法，會受到Gate到OD (sour/drain)距離所影響，如之前說過的LOD effect[1], [2]。

另一種方法是在元件上加上一層SiN (Silicon Nitriod)，來產生額外的應力。這種方法可以讓元件都是compressive stress或都是Tensile stress。也可以分別對PMOS產生Compressive stress，NMOS產生Tensile stress。這種在元件上加上一層SiN來增加元件效能的方法，會因為閘極和閘極的距離不同，而產生不同的影響，這就是本文說的PSE。

如圖三中的Device A，除了左右兩旁最鄰近閘極(B)的距離外，有些半導體製程的左右第二鄰近的閘極(C)距離也是會對Device A有影響的。

圖三：

如何模擬PSE?

和OSE一樣，BSIM model並不支援PSE，Foundries用自己的方法來model PSE，所以並沒有標準的參數來描述PSE。雖然各家Foundry的參數不同，但都是計算元件閘極到到鄰近閘極的距離，如圖三裡的1st PSE和2nd PSE。晶圓廠再根據製程參數、以及各自的演算法來模擬PSE的對元件的影響。

由於沒有標準的參數來描述PSE，Designer需參閱晶圓廠提供的製程資料和SPICE model把PSE相關參數找出來，然後簡單計算帶入Netlist裡；或是使用晶圓廠提供的PDK來做設計、模擬、佈局。

如何減少PSE?

除了在pre-sim時要把PSE參數帶入外，在設計、佈局時也要盡量減少PSE的影響。除了一個Device皆單獨畫以外，最直接的方法就是把元件的閘極皆設計成一樣，且閘極到閘極距離也都相等，這樣所有的元件都會受到一樣的PSE影響。如圖四，每個Finger的L都相同，且finger和Finger距離都相同，此外在兩邊最外側還要多畫上兩個Dummy finger，或是把No-critical circuit放在最外兩側。

圖四：

對類比(Analog)、數位(Digital)設計的影響

和OSE一樣，PSE對類比設計來說，和其他的LDE (Layout dependence effect)都必須考量，並在電路設計和佈局上要減少PSE對電路的影響。
對數位設計來說，由於Standand cell的Layout在左右兩側並沒有額外的Dummy poly，所以APR工程師必須遵照Standard cell library的說明來擺放Standard cell，並加適當的加入Dummy cell、Endcap、Filler等，來減少Real silicon和Timing library的因PSE造成的誤差。

註一：在45nm之前的process，閘極為poly silicon；在28nm開始，閘極使用metal來實現並用high-k物質來做閘極絕緣層。

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