OSE效应对MOS管器件性能的影响

文章来源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

本文主要介绍了OSE效应是什么。

OSE效应的定义与原理

OSE效应，全称为OD Space Effect，即有源区间距效应。在0.2微米以下的半导体制程中，采用STI(浅沟道隔离)方法实现栅极的隔离，STI到不同有源区(OD)的距离不同，从而对器件性能产生影响，这种现象称为OSE效应。

OSE效应与LOD效应同属于STI应力效应。LOD效应主要受到STI到栅极距离的影响，而OSE效应则主要由STI自身宽度的不同所引起的应力变化影响器件性能。在65纳米制程技术之前，OSE效应的影响相对较小，几乎可以忽略不计。然而，当工艺节点降至45纳米以下，OSE效应对器件性能的影响变得显著，必须在设计过程中予以考虑。

OSE效应在版图设计中通常分为两种类型：左右相邻两个MOS管的有源区间距记作OSX，上下相邻两个MOS管的有源区间距记作OSY。一般OSY的间距大于OSX。在FinFET工艺中，OSE效应的要求很高，通常要求同一个guardring内摆放相同尺寸的器件，OSX保持一致，OSY为一个固定值，具体数值视不同工艺而定。

OSE效应对器件性能的影响

OSE效应最直接的影响体现在多个关键电学参数上。阈值电压是受影响最显著的参数之一。STI引入的应力会改变沟道区的能带结构，导致晶体管开启所需的电压发生漂移。如果两个匹配晶体管受到的OSE应力不同，它们的阈值电压就会不一致，导致电流匹配性变差。

驱动电流同样受到应力影响，因为应力会改变载流子迁移率。在硅材料中，特定方向的应力可以提升空穴(PMOS)或电子(NMOS)的迁移率。如果设计时未考虑OSE效应，实际流过的电流会与仿真预测值产生较大偏差。此外，跨导由于与迁移率和栅电容相关，OSE引起的迁移率变化会直接导致跨导发生变化，进而影响模拟电路的增益和带宽。

版图设计中的OSE考量

在版图设计中，受OSE效应影响，MOS管放置在不同位置其工作性能是不同的。对于匹配MOS管，常规做法如上下结构、左右结构、中心对称结构，基本上可以满足OSE效应对版图的要求。核心原则是保证匹配器件具有相同的有源区尺寸和相同的有源区邻居环境，即使用相同的finger数、相同的有源区宽度和相同的切法，并将它们放在同一排或同一模板单元格里，使得OSX和OSY天然一致。

针对小尺寸工艺，OSE效应在X方向和Y方向的变化趋势不同，且对于不同工艺流程其影响体现也不同。以16纳米工艺为例，在X方向上，MOS管的饱和电流随着有源区间距的增大而增大，其中4fin MOS管相比2fin或8fin的MOS管受影响最小。在Y方向上，当间距小于某个特定值时，饱和电流随间距增大而增大;当大于该值时，饱和电流随间距增大而减小。因此设计低压小尺寸MOS管时，应调整其fin打折数来均衡不同PVT条件下的MOS性能。

在实际版图操作中，可以通过在阵列两侧和头尾两端使用虚拟有源区，将有效器件的左右间距对称化，避免边缘器件处于不对称的宽STI环境中。同时，建议采用基于行的固定间距布局，使OSEY固定、同一行内有源区间距固定，从定义上锁死匹配器件的环境。匹配器件组应尽量自成片区，避免与大功率开关管、大尺寸IO结构等面积悬殊的有源区岛相邻，并用足够的空白空间或guardring隔离。

OSE参数的抽取与计算

OSE效应不仅存在于沟道宽度方向，也存在于沟道长度方向。每个有源区可能受到来自沟道宽度方向(上下)和沟道长度方向(左右)的相邻有源区的影响。在抽取计算OSE效应参数时，需要综合考虑这四个方向上的参数值。

在沟道长度方向，参数SXACT的计算基于器件左侧或右侧多个STI间距及其对应的栅极投影宽度，通过求和公式换算得到。在沟道宽度方向，参数SYACT的计算则基于器件上方或下方多个STI间距及其对应的栅极投影长度，同样通过公式求和换算。

在LVS抽取OSE参数过程中，需要先定义算法函数，将计算公式嵌入函数模块。抽取时使用DFM_VEC_VAL、dfm_vec_measurements和TVF_NUM_FUN等命令，将宽度、长度、间距等变量代入函数，得到最终的OSE参数值。需要指出的是，不同晶圆厂都有自己的算法来计算和抽取这些参数，但总体思路相同：通过计算器件有源区之间四个边缘的平均距离，结合特定制程参数来模拟和评估OSE效应对器件性能的影响。后仿中必须采用带LDE修正的模型，否则仿真看到的“完美匹配”只是模型看不见应力而已。