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關(guān)于FinFET技術(shù)中的電路設(shè)計(jì)的分析和介紹

西門子EDA ? 來源:djl ? 2019-10-12 08:39 ? 次閱讀

所有大型晶圓代工廠都已宣布FinFET技術(shù)為其最先進(jìn)的工藝。Intel在22 nm節(jié)點(diǎn)上采用該晶體管1,TSMC在其16 nm工藝上使用2,而Samsung和GlobalFoundries則將其用于14 nm工藝中3。與所有新工藝一樣,對于IC設(shè)計(jì)人員來說最重要的問題是“這對我意味著什么?”新的,更小的工藝意味著設(shè)計(jì)人員將可獲益于更低的功耗、更高的面積利用率以及源自半導(dǎo)體縮放的其他傳統(tǒng)的改善。但除了這些優(yōu)勢外,還存在著一定的學(xué)習(xí)成本,以了解新的設(shè)計(jì)規(guī)則、參數(shù)差異,以及必須實(shí)施才能在新節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的新方法或改進(jìn)的方法。目前為止,收益總能證明成本的價(jià)值所在。對FinFET來說也是這樣嗎?

與其他所有新技術(shù)一樣,F(xiàn)inFET工藝包含一種與學(xué)習(xí)如何使用其進(jìn)行設(shè)計(jì)相關(guān)的成本。由于FinFETs是一種完全不同的晶體管,問題變成,這種改變是漸進(jìn)的(典型學(xué)習(xí)成本)還是革命性的(顯著學(xué)習(xí)成本)。答案取決于你的觀點(diǎn)…

漸進(jìn)

首先要記住的是,對于大多數(shù)晶圓代工廠來說,16nm和14 nm的后道工序(BEOL)結(jié)構(gòu)與20 nm節(jié)點(diǎn)的一樣。20 nm采用了雙重曝光(DP)4,對設(shè)計(jì)和制造界產(chǎn)生了極大影響。DP推動(dòng)了設(shè)計(jì)流程的變化,是EDA工具在設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、寄生參數(shù)提取和分析方面變化的催化劑。

幸運(yùn)的是,DP的挑戰(zhàn)就發(fā)生在最近。三重曝光或多重曝光業(yè)已到來,但并非用于現(xiàn)有的FinFET工藝。由于BEOL與20 nm相同,設(shè)計(jì)人員最需學(xué)習(xí)并了解前道工序 (FEOL)幾何形狀的變化。圖1是具有單“鰭片”的FinFET器件圖示,當(dāng)然大部分FinFET器件都有多鰭片。

圖1:單“鰭片”FinFET。

(信息來源:GLOBALFOUNDRIES)

第一次看到這些器件時(shí),大部分設(shè)計(jì)人員會(huì)問以下問題:

1.如何設(shè)計(jì)?

2.一個(gè)器件應(yīng)包含多少鰭片?

3.鰭片尺寸/間距應(yīng)該是多少?

4.如何獲取所需信息來了解幾何形狀與電氣性能的折衷方案?

這些都是棘手的問題!通常,設(shè)計(jì)人員,尤其是數(shù)字設(shè)計(jì)人員,在權(quán)衡晶體管結(jié)構(gòu)和電氣性能時(shí)將寬度、長度和面積作為參數(shù)進(jìn)行考量。FinFET設(shè)計(jì)的性質(zhì)可能極大地改變這一切。幸運(yùn)的是,大多數(shù)晶圓代工廠已考慮到這一點(diǎn),并為FinFET工藝開發(fā)了一種與20nm及以上工藝相同的設(shè)計(jì)方法。

沒錯(cuò),對于這第一代FinFET,設(shè)計(jì)人員沒有設(shè)計(jì)/開發(fā)鰭片(除非是SRAM設(shè)計(jì)人員)。如同之前的節(jié)點(diǎn),IC設(shè)計(jì)人員將會(huì)通過定義器件的寬度、長度和面積來設(shè)計(jì)晶體管。設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、提取和分析工具將根據(jù)晶圓代工廠的規(guī)范將版圖分解為鰭片,然后執(zhí)行必要的分析來進(jìn)行物理驗(yàn)證、參數(shù)和寄生計(jì)算,甚至是執(zhí)行幾何形狀填充和電路仿真

通過這些EDA創(chuàng)新,如果你是即將采用FinFET工藝的數(shù)字設(shè)計(jì)人員且最近的節(jié)點(diǎn)是20nm,那么FinFETs只不過是一種漸進(jìn)的變化。BEOL沒有新的內(nèi)容,物理設(shè)計(jì)在很大程度上仍舊保持不變,而EDA工具負(fù)責(zé)執(zhí)行必要的分析。

革命性

圖2更加真實(shí)地描述出了FinFET,用弧形代替了之前示例中的方框和平面。大部分設(shè)計(jì)人員都同意,預(yù)測這種結(jié)構(gòu)的電氣性能需要重大創(chuàng)新。器件及其互連周圍的電場比他們在傳統(tǒng)MOSFET中遇到的要復(fù)雜得多。另外,F(xiàn)inFET器件的驅(qū)動(dòng)能力比同樣尺寸的MOSFET更強(qiáng),這意味著設(shè)計(jì)人員在預(yù)測電氣行為方面將需要更高的精確度。為滿足這些要求,就需要新的技術(shù)來進(jìn)行器件和其互連的建模。

圖2:弧形結(jié)構(gòu)的FinFET圖示(TEM圖片來源:ChipWorks;仿真來源:Gold StandardSimulations Ltd.)

另外,從模擬或IP設(shè)計(jì)人員的角度來看,上述設(shè)計(jì)方法(鰭片由晶圓代工廠實(shí)施)并非首選模型。這些設(shè)計(jì)人員希望能獲得更大的自由度,以減少滲漏、匹配驅(qū)動(dòng)能力、提高頻率響應(yīng)以及推動(dòng)電氣和幾何限制,而這些都是固定鰭片無法做到的。根據(jù)其性質(zhì),這種設(shè)計(jì)是定制的,而無法控制鰭片數(shù)量或大小對于其中很多設(shè)計(jì)人員來說是非常別扭。

對于從28nm或以上工藝跳到FinFET工藝的定制、模擬或IP設(shè)計(jì)人員來說,這種設(shè)計(jì)是革命性的,但不一定是字面上的“全新改良”。雖然有工具創(chuàng)新來緩和這種過渡,進(jìn)行這種設(shè)計(jì)的方法與其習(xí)慣的設(shè)計(jì)手法相比可能更顯嚴(yán)格。采用傳統(tǒng)MOSFET工藝,這些設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)定制化的晶體管包括定制其尺寸和方向。對于FinFET,設(shè)計(jì)人員將通過更少的變量來達(dá)成所需的電氣響應(yīng)。有人懷疑是否可以通過FinFET 工藝來完成先進(jìn)的模擬設(shè)計(jì),而關(guān)于此問題,已經(jīng)有很多人討論過了。答案是肯定的,但需要對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行重大改變,且可能需要更多的實(shí)驗(yàn)。

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