Self-Heating Effect (SHE) 自我加熱效應

這篇來跟講講SHE。這裡的SHE，不是指台灣的女子天團SHE，是指半導體元件的Self-heating effect，自我加熱效應的簡稱。

什麼是SHE?
電子元件當電流流過後，因為內部阻抗的關係，會產生熱能(heat)。而半導體元件也是如此，當MOS導通時(channel turning on)，電流從汲極(Drain)經通道(channel)流到源極(Source)也會產生熱能。這會使元件本身的溫度提高，一般來說，溫度高效能會較差，如果溫度過高到一定程度，元件可能會因此而燒毀而有可靠度(reliability)的問題。


半導體的SHE已經存在很久，但為什麼最近才開始受到重視? 其實SHE在特殊製程已經討論許久，如SOI (Silicon on insulator)製程。只是我們之前常用的TSMC、Samsung的CMOS process，其SHE並不明顯。

Fig. 1為傳統製程(planar process) NMOS的剖面圖(Cross-section view)，當Channel形成、電流流過，產生的熱能可以透過基底(substrate)給散發掉。在0.13um之前的製程，由於元件channel length大，散熱較容易。進入奈米製程(90nm、65nm、40nm、28nm)後，元件channel length變小後，散熱能力變得比差。但這時，SHE還是不明顯。

Fig. 1

Fig. 2為Finfet製程NMOS的剖面圖。由於Finfet元件為3D的結構，每個鰭(fin)往基底散熱的面積將大幅減小。所以Finfet製程的SHE會特別嚴重。

Fig. 2

模擬SHE的影響
據瞭解，臺積電(TSMC)、三星(Samsung)的Finfet製程所提供的SPICE model都支援SHE模擬。兩家模擬流程略有不同，請參考foundry所提供的文件。SHE的模擬結果的報告檔會告我們元件溫度提升了多少。比如說，我們初始的溫度在100度的環境下，電路經過操作後，某個元件溫度會提升10度，到110度。這時我們可以依規格、設計的容忍度(Tolerance)等。來判斷這110度是否能接受。如不能接受，就必須要更改電路設計或佈局佈局(Layout)來改善SHE。

改善SHE對元件的影響
在電路設計上，SHE的主因是流經元件的電流過大，所以我們可以適當的把電流減小來改善。但一般的設計，不會故意把電流弄大，都是規格需要才會有那麼大的電流，例如OP的driving stage、LDO的power MOS等。

如Fig. 3的Layout，在這個4個finger的MOS A有1mA的電流流過，造成SHE過大。我們在layout上讓MOS A這4根finger不連續排在一起；如Fig.4，在4根figner中間插入一根dummy figner (MOS D)。更誇張些，MOS A的每個finger都分開，中間都插上dummy，如Fig. 5。

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5

結論 
SHE是一個存在已久，但現在才受到重視。我們在layout上，可把大電流元件分散擺放來降低SHE的影響，不過這會造成面積增大，必須要互相斟酌考慮。

Reference:

1. C. Prasad, et al., "Self-heat reliability consideration on Intel's 22nm tri-gate technology," in proc. IEEE IRPS, pp. 5D.1.1-5, 2013.  
2. S. E. Liu, et al., "Self-heating effect in FinFETs and its impact on device reliability characterization," in proc. IEEE IRPS, pp. 4A.4.1-4, 2014.
3. M. Jin, et al., "Hot carrier reliability characterization in consideration of self-heating in FinFET technology, in Proc. IEEE IRPS, pp. 2A.2.1-5, 2016.
4. C. Prasad and S. Ramey, "Self-heating in advanced CMOS technologies," in Proc. IEEE IRPS, pp. 6A.4.1-7, 2017.

延伸閱讀:

1. Introduction to LOD Effect (上) 
2. Introduction to LOD Effect (下)
3. Well Proximity Effect
4. OD Space Effect (OSE) 
5. Poly Space Effect (PSE)