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【37】为什么集成电路能准确的比较,却很难准确的测量?

本主题由 大象 于 2020-12-2 23:00 加入精华

【37】为什么集成电路能准确的比较,却很难准确的测量?

集成电路最小特征尺寸已经进入纳米级别了,也就是说集成电路制造过程中,已经达到了可以控制数百个原子的工艺了。精细的结构使得集成电路工作速度更快,功耗更低,检测外界信号也更加灵敏。

不过集成电路有个特点,它们能比较出外界信号细微的差别,却往往难以法测得其准确值,这是什么原因呢?

举例来说,TOF相机可以比较出两个快门输入的微量电荷比例,但是要让它具体测量每个输入端电荷具体有多少,它却很难做到。

类似的例子还有很多,集成电路尽量去检测外来信号的相对值而非绝对值。这是为什么呢?

道理其实并不复杂,主要是集成电路制造过程中的工艺偏差造成的。下面我们从集成电路的制造过程,看看集成电路工艺带来的差别。


一、不同批次晶圆之间的差异

由于晶圆是由单晶棒切割研磨而成的,不同批次的晶圆,其本身材料的纯度会有不同。加之不同批次晶圆经历高温的时间不同,位于硅棒的位置不同,都会造成晶圆参数的差异,表面方块电阻也有一定的容差。


图1 不同尺寸的硅棒和晶圆示意图


图2 盒装晶圆示意图

图1和2示意了硅棒和硅片。同一盒装的硅片在工艺过程中也是基本一起处理的,不同批次硅片在提纯切割研磨等制造过程中不可避免的会有差别。


二、同一批次扩散及注入的差异

同一批次的晶圆,需要装载在石英舟上,慢慢推进到扩散炉进行杂质扩散,一般一批最少25片或者更多。硅片进入的先后顺序不同,位于石英舟中间的区域与边缘的区域扩散并不均匀。

因为在扩散炉一千多度的高温下,杂质原子是靠几种气体反应而进行扩散的,硅片在石英舟上的位置不同,接触气流产生的反应也不尽相同。
同一批次晶圆的工艺过程如图3和图4所示。


图3 装载晶圆进入扩散炉的石英舟示意图


图4 同一批晶圆在石英舟上的情况示意图

如果使用注入机进行杂质的注入,同样会有注入角度等引起一致性问题,批处理一般都很难准确照顾到每一块晶圆。


三、同一晶圆不同位置的差异

即使同一片晶圆,在中间位置和边缘位置扩散的效果也可能不同。同一晶圆不同位置的差别示意图如下图所示。需要说明的是,下图中只是用光彩直观的演示区域差别,而并非真正的浓度差别。


图5 同一晶圆的不同位置工艺可能有差异示意图

图中的色彩虽然不是工艺偏差造成的,但是可以理解,在8英寸的范围内进行扩散或者注入,其均匀度也会有一定的起伏,不会那么完美的。


图6 晶圆不同位置的扩散效果示意图

上图用可以看作是用色彩形象的显示不同区域成分的不同。实际的晶圆均匀度也不会离谱到这么夸张,中间与边缘区域的参杂会有微量的起伏。而这些微量的变化对非常精细的器件造成的影响就不可忽略了。


四、同一电路不同方向的差异

即使同一块芯片内,电路设计方向不同,也会造成器件性能差异。因为不同方向的扩散与注入甚至光刻都会引起差别:


图7 相邻器件不同方向的区别示意图

不同设计方向的电路扩散或注入的情况如上图所示。图中用绿色深浅表示参杂浓度的不一样,左边深绿右边浅绿。对于MOS1和MOS2,它们的差别不大,但是MOS1与MOS3的差别就比较大。

同一芯片几乎同一位置的器件都有差异,更别说晶圆的不同位置,或者不同的晶圆,甚至不同批次之间的差异了。

如果用MOS1和MOS3这两个设计相同,但工艺有偏差的器件,对外进行电学测量,相当于用不同刻度的尺子去测量身高,那么谁到底是准确的呢?这就说不清了。


图8 微观下的参杂情况示意图

上述图片显示了硅中进行不同的参杂带来的效果。在十几个硅原子的范围内,如果多一个杂质原子,或者少一个杂质原子,偏差都高达百分之十左右。

即使相同浓度的参杂,也会因为杂质的分布不同而造成局部不均匀,从而影响电参数。而大规模的扩散和注入,怎么可能保证每一个微小的区域参杂情况一致呢。

很难想象,经历了烈火焚烧,经历了千锤百炼,经历了近百道工序,不同批次不同晶圆和不同位置的电路,还要求它们的微观结构一模一样的,那是不现实的,也是做不到的。

工艺需要一定的波动窗口,没有工艺窗口的设计是没有成品率可言的。
正是由于不同批次,不同晶圆,不同位置的器件参数会有不同,有的偏大,有的偏小,无法确定那一组是最正确的,正是由于这些工艺过程在固有的不可避免的差异,集成电路在设计时,就应该尽量避免做定量的测量。

当然,集成电路内还是可以做出不受工艺波动影响的基准源的,有了基准,相当于确定了尺子的刻度,所有电路都参照标准进行,只是设计相对复杂一些。

而没有基准的情况下,就好像用一把没有刻度或者刻度不统一的尺子量身高,当然量不出来绝对值了。


五、为什么上述差异对相对值测量影响不大?

而上述差异,虽然影响对绝对值的测量,却不影响相对值的测量,因为在电路的同一方向同一位置,就排除了前面所说的几种因素了,因而工艺偏差就没有那么大了。

我们可以把需要比较的电路设计在同一位置,位置尽量靠近且版图对称,紧挨着做出来,性能就好像双胞胎,它们的经历是相同的,在它们同处的微小面积内,其工艺偏差可以忽略不计。

例如图7中的MOS1和MOS2,它们之间的差异是可以忽略的。如果用它们做比较器的输入端,由于它们的经历几乎一模一样:偏大都偏大,偏小都偏小,从而巧妙的回避了工艺过程中不可避免的差异。

这相当于测量身高的尺子虽然刻度不统一,但是用于比较是不影响的,它无法告诉你身高具体一米几,但是可以告诉你与其他人身高的比例,比较出来的结果可信的。当然,如果它比较了你和另外一个名人,知道了你们的身高比例,而名人的身高是准确已知的,那就可以推算出你的具体身高。

因此大规模批量生产出来的集成电路,即使来自不同批次不同晶圆,它们各自测量到的绝对值可能不同,但各自比较的相对值一定是一致的,可以放心使用。

了解了集成电路的特点,在设计和应用过程中就能更加得心应手。(大象韩 20201201) 
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