原创 IC物理设计一些小知识

IR压降（IR-Drop）

天线效应

  0.4um以上的工艺，我们一般不大会考虑天线效应。而采用0.4um以下的工艺就不得不考虑这个问题了。Normally the first way to fix antenna effect is changing metal layers. Insering diode is thelast way. P&R tools can handle this automatically.其实foundry提供的PAE ratio，只是一个经验值，是留了很大的margin的。即便你的设计有antenna violation，也可以tapeout的可通过插入二极管的方法来解决天线效应，这样当金属收集到电荷以后就通过二极管来放电，避免了对栅极的击穿。
  天线效应主要涉及工艺过程中直接连在栅上的金属长度过长，容易积聚游离电荷，而对栅造成损害，因此在连接栅的metal1上变换metal2，我的看法是1 直接连接栅的金属长度减小，电荷积累减少 2 给电荷提供另一可能通路
  打个简单的比方，在宏观世界里，广播、电视的信号，都是靠天线收集的，在我们芯片里，一条条长的金属线或者多晶硅(polysilicon)等导体，就象是一根根天线，当有游离的电荷时，这些“天线”便会将它们收集起来，天线越长，收集的电荷也就越多，当电荷足够多时，就会放电。
 
  那么，哪里来的这么多的游离电荷呢？IC现代制程中经常使用的一种方法是离子刻蚀（plasma etching），这种方法就是将物质高度电离并保持一定的能量，然后将这种物质刻蚀在wafer上，从而形成某一层。理论上，打入wafer的离子总的对外电性应该是呈现中性的，也就是说正离子和负离子是成对出现，但在实际中，打入wafer的离子并不成对，这样，就产生了游离电荷。另外，离子注入（ion implanting）也可能导致电荷的聚集。可见，这种由工艺带来的影响我们是无法彻底消除的，但是，这种影响却是可以尽量减小的。

  这些电要放到哪里去呢？我们知道，在CMOS工艺中，P型衬底是要接地的，如果这些收集了电荷的导体和衬底间有电气通路的话，那么这些电荷就会跑到衬底上去，将不会造成什么影响；如果这条通路不存在，这些电荷还是要放掉的，那么，在哪放电就会对哪里造成不可挽回的后果，一般来讲，最容易遭到伤害的地方就是gate oxide。

  通常，我们用“antenna ratio”来衡量一颗芯片能发生“antenna effect”的几率。“antenna ratio”的定义是：构成所谓“天线”的导体（一般是metal）的面积与所相连的gate oxide的面积的比率。这个比率越大，就越容易发生antenna effect。这个值的界定与工艺和生产线有关，经验值是300：1。我们可以通过DRC来保证这个值。随着工艺技术的发展，gate的尺寸越来越小，metal的层数越来越多，发生antenna effect的可能性就越大，所以，在0.4um/DMSP/TMSP以上工艺，我们一般不大会考虑antenna effect，而在0.25um以下工艺，我们就不得不考虑这个问题了。

EM电迁移

  金属电迁移问题用来表示导致芯片上金属互连线断裂、熔化等的一些失效原因。当电子流过金属线时，将同金属线的原子发生碰撞，碰撞导致金属的电阻增大，并且会发热。在一定时间内如果有大量的电子同金属原子发生碰撞，金属原子就会沿着电子的方向进行流动。这将会导致两个问题：第一，移动后的原子将在金属上留下一个空位，如果大量的原子被移动，则连线断开；第二，被移动的原子必须停在某一个地方，如果这些原子停在某个地方使别的金属连线短路，则芯片的逻辑功能就被改变，从而发生错误。
  电迁移是一个长时间的损耗现象，常常表现出经过一段时间后芯片有时序或功能性错误。如果芯片中某一根连线是唯一的，那么当发生电迁移问题以后，会导致整个芯片的功能失效。如果一些连线本来就有冗余设计，例如电源网络，当发生电迁移问题后，其中的一部分连线会断开，而其它部分的连线就会承受较大的IR压降问题。如果因为电迁移而导致了线路间的短路，那整个芯片就失效