PMOS和NMOS的尺寸比-电子发烧友网

前面很早就写出了版图中WPE、LOD效应的推文： IC后端物理效应--Well Proximity Effect（阱临近效应）长文--IC后端物理效应--LOD Effect（扩散区长度效应）| LOD与OSE的关系可是PSE却久久没有发出来，为什么呢？因为涉及到的内容比较多，包含大学学到的固体物理、半导体工艺以及应变硅工艺的内容（这个在大学的时候貌似没有学过，因为丝毫没有印象，查了查资料研究了一下）。

PSE（Poly spacing effect）的内容应该很多人都知道，也就是Poly的间距对器件的性能会产生影响。

如何在后端版图上或者布局布线中降低PSE的影响有些人应该也知道，比如在Std cell版图中可以看到器件两侧有Dummy Poly的存在，另外在标准单元的两侧或者标准单元与Macro的交界处需要加一些End Cap。

但是具体为什么PSE会对器件的性能产生影响可能懂的人就不多了，或者大家的理解可能和我之前的理解一样就是简单的认为：如果旁边没有Dummy Poly或者End Cap那么Core边界的器件两侧的环境就不一样了，加工出来之后可能和Core中心的器件在物理尺寸或者其他方面有些不一样，从而会影响器件的性能。

真的是这样么？是不是太简单了呢？

后来查阅资料发现，前面的理解或者说猜测貌似是不对的。毕竟我们的版图中也会添加一堆的Base Filler，里面就包含Dummy Poly，那为什么还专门在外围添加一些End Cap呢，这肯定说明有一些物理效应或者加工工艺只有引入End Cap才会避免，而引入Dummy Poly Filler是无法解决这种问题的。

那么PSE的真正原因是什么呢？下面根据我查阅资料的结果谈下我的理解，如有疑问大家可以在公众号下方探讨哦，毕竟我不是做器件出身的。

PMOS和NMOS的尺寸比

另外，在开始讲解之前还得提一下另外一个现象，因为这个与本推文要讲解的内容也非常相关。在学校的时候我们都知道，PMOS中的空穴迁移率比NMOS中电子的迁移率低，所以为了实现相同的电流输出，我们需要将PMOS的宽度做的是NMOS宽度的2~3倍。可是在先进工艺下，这种要求已经没有了，两种MOS的尺寸是一样的，这是为什么呢？

这和前面讲解的STI stress效应以及本节要介绍的内容也息息相关。

LOD以及OSE效应回顾

在讲解PSE之前，先回顾一下LOD以及OSE效应，因为它和下面要讲解的PSE有关系。

器件的性能会受到OD长度以及STI宽度的影响，两者其实都是STI应力引起的效应。

STI会对两侧的器件产生“压应力,Compress stress”使得OD的长度发生变化（缩短）：

如下图所示为PMOS和NMOS的电流（性能）随OD长度变化的曲线，横坐标为OD的长度SA(SB)，纵坐标是电流的大小：

从图中可以得到如下结论：随着LOD以及OSE效应的增强，PMOS的电流(性能)会提升，NMOS的电流(性能)会下降。这对于PMOS的性能是有好处的，可是对于NMOS的性能则是不利的。根据前面的STI stress effect我们可以猜测，如果在器件的OD上面施加一个向外的拉应力（Tensile stress），那么作用将会和上面相反，PMOS的电流(性能)会下降，NMOS的电流(性能)会提升。这对于PMOS的性能是不利的，可是对于NMOS的性能则是有帮助的。

因此，其实为了提高电路的性能，我们更希望在PMOS上施加一个压应力（Compress stress），在NMOS上施加一个拉应力（Tensile stress）。

应变硅工艺应力引入机制于是有人就想到，可以利用上面这种物理效应来提升器件的性能。

在器件上面引入应力的有两种方法：

1、在PMOS源漏下内嵌（embedded）一层SiGe(锗硅)来产生压应力，这种也被称为eSiGe (Embedded SiGe)。原因：衬底致双轴应力引入机制。

2、在器件上加一层CESL（接触刻蚀停止层，比如SiN）来产生额外的拉/压应力。

原因：CESL致单轴应力引入机制。

1、锗硅工艺引入的压应力当锗硅（SiGe）合金生在在Si衬底上时，由于Ge的晶格常数比Si大，所以其生长平面上的晶格常数会减小以适应Si衬底的晶格常数，由此会形成贋晶生长，另外贋晶生长会在SiGe上施加一个压应力。晶格失配程度会随Ge组分的增加而随之加深，当超出一定厚度之后会形成大量的失配位错释放应力，如下图所示：

引入的应力会使得PMOS中空穴的迁移率增加（具体原因很复杂，其中一个原因来自于空穴有效质量的减小）。对于长沟道锗硅PMOS而言，与传统体硅PMOS相比，迁移率可以提高至少50%。这种技术以及后边要讲的另一种应力引入机制广泛使用在90nm及以后的工艺下（在5nm及以下工艺下可能不会采用了），如下图所示（strain工艺）：