Signoff 介绍——Variation

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这是集成电路物理设计的第五个系列【signoff】的第一篇文章，本篇文章主要介绍variation相关内容：

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Variation分类

• Variation一般包括三种：process variation，voltage variation和temperature variation。

  
  
  

• Variation既会影响PVT的分析，也会影响OCV。

  

• PVT：主要取决于外部因素：某一固定工艺点(ss/tt/ff)、某一固定电压(0.9*VDD/1.0*VDD/1.1*VDD)、某一固定温度(m40c/25c/125c)。

• OCV：模拟芯片内部不同管子由于工艺偏差、电压降(IR Drop)、温度变化引起的性能变化。

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Process Variation

• Systematic Process Variation

  系统级工艺变化主要是工艺器件物理尺寸的变化，这种变化可以预测，并且可以通过版图进行分析。这种变化主要有：optical proximity, CMP, metal fill等。
  

• Non Systematic Process Variation

  非系统级工艺变化是不确定的，难以预测。这种变化主要有：random dopand fluctuation (RDF), line edge roughness (LER), oxide thickness variation (OTV)等。
  

  非系统级工艺变化包括：global variation和local variation

  Global Variation: 由于工艺偏差导致的die-to-die，wafer_to_wafer，lot-to-lot，fab-to-fab之间的偏差，如同一芯片的晶体管的沟道长度比typical值偏大或偏小，这部分variation用PVT进行模拟。

  

  Local Variation: 同一芯片内部不同晶体管受工艺偏差影响不同，如同一芯片上有些晶体管沟道长度比typical值偏大，有些晶体管沟道长度比typical值偏小，这部分variatin用OCV进行模拟。有些local variation相互影响，如spatially correlated variation：相距较远的晶体管有相似特性；有些local variation互不影响，如random or independennt variation:在统计学上完全随机独立，需要更精确的统计方法进行分析。

• Process Variation种类

  optical proximity(光学邻近): 光刻图形可能与实际版图有差异，可以通过OPC光学邻近校正进行优化。

Photolithography (光刻)

RDF (random dopant fluctuation) (随机参杂波动)

LER (line edge roughness) (边缘粗糙度)

Etching (刻蚀)

CMP (chemical mechanical polishing)(化学机械研磨)

OTV (oxide thickness variation) (氧化层厚度偏差)

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Voltage Variation

• Supply Voltage Variation (external supply variation)

• IR Drop (internal voltage variation)

• standard cell通过VDD/VSS stripe/rails获得电流/电压，不同的VDD/VSS stripe/rails的长度会产生不同的IR Drop，这使得standard cell实际获得的VDD/VSS和supply VDD/VSS不一致。

• standard cell实际获得的VDD/VSS的不同，会造成不同的cell delay信息。
  

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Temperature Variation

• Ambient Temp Variation (environment)

•  Junction Temp Variation (Ambient+temp raise due to power)

• 温度的不同会极大影响晶体管的特性。

• 环境温度会直接影响芯片的性能，但junction temperature对晶体管的特性影响更大。junction temperature = ambient + temperature raised due to power

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Model Variation

• RC Corner的不同可以模拟互联线的variation信息。

• PVT+RC Corner 模拟global variation信息。

• Flatten OCV/AOCV/SOCV模拟local variation信息。

• PVT+OCV模拟cell delay的variation信息。

• Global Variation validation with global corner model.

• Local Variation validation with mismatch data.

• Total Variation validation with total corner model.

• 当local variation很小时，local variation只占total corner variation很小一部分。

• 当local variation增加时，local variation占total corner variation比重增加。

• Total Corner Model: (a 3-sigma transistor of all manufactured transistors)

• Global Corner Model: (the aveage transistor on a 3-sigma wafer)

• Total Corner SPICE Model Optimism and Pessimism

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参考文献

1，The Evolution Pitfalls and Cargo Cult Engineering of Advanced Digital Timing Sign-off.

2，Pre and post-silicon techniques to deal with large-scale process variations.