在芯片制造领域,Corner(工艺角)这一概念用于定量刻画因制造工艺导致的个体间性能差异。芯片制造时,如掺杂(doping)浓度、扩散(diffusion)深度、刻蚀(etch)程度,退火(anneal)这些工艺偏差,会使不同批次芯片或同一批次的不同晶圆,甚至同一晶圆上的不同die,都会在性能上产生variation。
为精准描述这些差异,业界引入了PVT(Process,Voltage,Temperature,即工艺、电压、温度)概念。其中,工艺(process)维度进一步细分为不同的Corner,也就是工艺角,典型的工艺角有TT、SS、FF、SF、FS。
这里S代表Slow,T代表Typical,F代表Fast。对我们CMOS集成电路而言,里面包含NMOS和PMOS两种,那么两个字母分别对应其中一种MOS管,如第一个T代表NMOS,那么另一个T就代表PMOS,这里TT就代表NMOS和PMOS都是typical。通常我们用的corner都是指两个MOS管在相同的速度下,对于一些敏感的模拟电路,还需要SF或者FS这种corner。典型是这五种corner测试,当然,也有更为严苛的将所有九个工艺角都测的。
正常情况下管子大部分是TT状态,而以上5种corner在±3σ可以覆盖约99.73%的范围。对于管子而言我们最关心的是阈值电压VT和漏极电流IDS,如果要使你的电路风险最低,那么就要有足够的margin,也就是说所有的PVT仿真都得通过,这里最主要的就是SS通过,SS能通过那么一般就没有问题。
Corner analysis是Monte Carlo模拟的一种替代方法,通过综合考虑单个器件参数变化的影响,来确定器件或电路级别的性能变化。然后,将最坏情况和最佳情况的性能变化确定为corner。例如,当阈值电压VT、迁移率μ和氧化物电容Cox发生变化时,我们可以绘制N型金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(NMOS)和P型金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(PMOS)的速度曲线。
从工艺角度而言:针对掺杂情况,SS的VT偏高,MOS管开关速度变慢,IDS偏小,但漏电也降低,FF为VTH偏低,MOS管开关速度变快,IDS偏大,但漏电也会增加。
从电压角度而言:S/T/F对应的VDD电压可以是1.1V-10%,1.1V,1.1V+10%,VDD越大,MOS管的IDS越大,MOS管的速度也就越快,同时功耗也会随之增加。
从温度角度而言:S/T/F分别对应LT(低温)/RT(常温)/HT(高温),如常见的-40℃/25℃/125℃。
SS(Slow - Slow):指NMOS和PMOS速度均偏慢。芯片工作速度最慢,电路延迟增加,如微处理器指令执行时间变长,但因晶体管性能弱、开关动作慢,功耗相对较低。
TT(Typical - Typical):芯片性能处于典型状态,NMOS和PMOS性能在正常模拟范围内。工作速度与功耗在设计预期区间,数字电路各性能指标符合规格,能稳定工作。
FF(Fast - Fast):NMOS和PMOS速度较快,因制造工艺使晶体管性能好。芯片工作速度最快、电路延迟最小,利于高频电路,但开关速度快致瞬态电流大,功耗较高。
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