模擬版圖中常見的“效應(yīng)問題”及解決辦法

一、天線效應(yīng)：

1、定義和產(chǎn)生原理

天線效應(yīng)是指在芯片生產(chǎn)過程中，暴露的金屬線或者多晶硅等導(dǎo)體，像天線一樣收集電荷（如等離子刻蝕產(chǎn)生的帶電粒子），導(dǎo)致電位升高。當(dāng)這些導(dǎo)體連接到MOS管的柵極時(shí)，高電壓可能擊穿柵氧化層，使電路失效。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在深亞微米集成電路加工工藝中，特別是使用等離子刻蝕技術(shù)時(shí)。

2、版圖解決方法

①跳線法：

向上跳線：斷開存在天線效應(yīng)的金屬層，通過通孔連接到其它層（如天線層的上一層），最后再回到當(dāng)前層。這種方法通過改變金屬布線的層次來減小天線效應(yīng)。

②添加天線器件（buffer）：

通過加buffer來降低走線長度，且對(duì)信號(hào)線沒有產(chǎn)生不好的影響，對(duì)天線效應(yīng)有一個(gè)更好的預(yù)防。

二、閂鎖效應(yīng)：

1、定義和產(chǎn)生原理

在CMOS集成電路中，閂鎖效應(yīng)是CMOS工藝所特有的寄生效應(yīng)，它會(huì)導(dǎo)致芯片功能的混亂、電路無法工作甚至燒毀。這一效應(yīng)是由NMOS的有源區(qū)、P襯底、N阱、PMOS的有源區(qū)構(gòu)成的n-p-n-p結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。當(dāng)其中一個(gè)三極管正偏時(shí)，就會(huì)構(gòu)成正反饋，形成閂鎖。

一般發(fā)生在I/O處，過大電流處，偶爾也會(huì)發(fā)生在內(nèi)部電路。

2、版圖解決方法

①加保護(hù)環(huán)：

PMOS包N環(huán)，接VDD；NMOS包P環(huán)，接GND。

②布局優(yōu)化：

使nmos盡量靠近GND，pmos盡量靠近VDD，保持足夠的距離在pmos和nmos之間以降低引發(fā)SCR的可能。

③電源線和地線的孔要多打，減小襯底電阻。

三、電遷移效應(yīng)：

1、定義和產(chǎn)生原理

IC內(nèi)部一般采用金屬薄膜來傳導(dǎo)工作電流——稱為互連引線。隨著芯片集成度的提高，互連引線變得更細(xì)更薄，電流密度越來越大。當(dāng)電子流過金屬線時(shí)，將同金屬線的原子發(fā)生碰撞，碰撞導(dǎo)致金屬的電阻增大，并且會(huì)發(fā)熱。但是在一定時(shí)間內(nèi)如果有大量的電子（大電流密度）同金屬原子發(fā)生碰撞，金屬原子就會(huì)沿著電子的方向進(jìn)行流動(dòng)，這種現(xiàn)象就是電遷移（EM)。

電遷移能使IC中的互連引線在工作過程中產(chǎn)生斷路或短路，從而引起IC失效。其表現(xiàn)為：

① 在互連引線中形成空洞，增加了電阻；

② 空洞長大，最終貫穿互連引線，形成斷路；

③ 在互連引線中形成晶須，造成層間短路：

④ 晶須長大，穿透鈍化層，產(chǎn)生腐蝕源。

2、版圖解決方法

為了避免電遷移效應(yīng)，可以增加連線的寬度，以保證通過連線的電流密度小于一個(gè)確定的值。

通常EM效應(yīng)引起的問題是電源網(wǎng)格電阻增加，從而導(dǎo)致IR降增加，從而影響電路時(shí)序。

四、密度效應(yīng)：

1、定義和產(chǎn)生原理

在IC（集成電路）設(shè)計(jì)中，密度效應(yīng)主要指的是版圖設(shè)計(jì)中圖形小間距、高密度區(qū)域?qū)χ圃旃に嚭托酒阅艿挠绊?。這種影響在化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、金屬互連、天線效應(yīng)等多個(gè)方面都有體現(xiàn)。以下是對(duì)IC設(shè)計(jì)中密度效應(yīng)的詳細(xì)解釋：

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）中的密度效應(yīng)

在IC制造過程中，CMP技術(shù)被廣泛應(yīng)用于版圖表面的平坦化。然而，由于版圖圖形密度的差異，即圖形小間距、高密度區(qū)域的拋光速度比大圖形間距、小密度的區(qū)域快，這會(huì)導(dǎo)致版圖圖形的凹陷和侵蝕。這種現(xiàn)象在通孔平坦化時(shí)尤為明顯，可能導(dǎo)致金屬互連線斷路，從而影響芯片的成品率和性能。

金屬互連問題

隨著集成電路制造工藝的不斷復(fù)雜化，互連金屬層的不斷增加，以及工藝節(jié)點(diǎn)的不斷降低，金屬互連問題已成為制約納米CMOS工藝芯片生產(chǎn)制造成品率（Yield）的最大因素之一。密度效應(yīng)在金屬互連中表現(xiàn)為高密度區(qū)域的金屬線更容易受到制造過程中的應(yīng)力影響，導(dǎo)致斷線或短路等問題。

天線效應(yīng)

在IC設(shè)計(jì)中，天線效應(yīng)是指暴露的金屬線或多晶硅等導(dǎo)體像天線一樣收集電荷，導(dǎo)致電位升高。天線越長，收集的電荷越多，電壓越高。若這片導(dǎo)體連接了MOS柵，高電壓可能擊穿薄柵氧化層，使電路失效。密度效應(yīng)在此表現(xiàn)為高密度區(qū)域的金屬線更容易形成天線效應(yīng)，因?yàn)樗鼈兊目傞L度更長，收集的電荷更多。

2、版圖解決方法

為了應(yīng)對(duì)IC設(shè)計(jì)中的密度效應(yīng)，可以采取以下措施：

優(yōu)化版圖設(shè)計(jì)：通過合理的版圖布局和布線，減少高密度區(qū)域的出現(xiàn)，降低密度效應(yīng)對(duì)芯片性能的影響。

使用特殊的物理單元：如阱連接單元（Well-Tap-Cell），用于限制電源（地）與襯底之間的電阻，減小閂鎖效應(yīng)和天線效應(yīng)發(fā)生的幾率。

加強(qiáng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證：在IC設(shè)計(jì)過程中加強(qiáng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作，確保版圖設(shè)計(jì)的正確性和可靠性，減少因密度效應(yīng)導(dǎo)致的制造問題。

五、金屬應(yīng)力效應(yīng)：

1、定義和產(chǎn)生原理

金屬應(yīng)力效應(yīng)是指在IC制造和使用過程中，由于金屬互連線受到各種應(yīng)力的作用（如機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力等），導(dǎo)致金屬層的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響整個(gè)芯片的性能和可靠性。這些應(yīng)力可能來源于制造工藝、封裝過程以及芯片工作環(huán)境中的溫度變化等。

2、版圖解決方法

優(yōu)化版圖設(shè)計(jì)：通過合理的版圖布局和布線，減少高密度區(qū)域的出現(xiàn)，降低應(yīng)力對(duì)芯片性能的影響。例如，可以采用冗余設(shè)計(jì)、增加應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)等方法來提高芯片的可靠性。

加強(qiáng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證：在IC設(shè)計(jì)過程中加強(qiáng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作，確保版圖設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。通過模擬仿真等手段預(yù)測并評(píng)估應(yīng)力對(duì)芯片性能的影響，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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