芯片设计与制造中提到的Corner以及SS/TT/FF是什么？

本文介绍了芯片设计与制造中提到的Corner以及SS/TT/FF。

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。

Reference:

1.拉扎维，模拟cmos集成电路设计.

2.Phillip Allen's slides on MOSFET Large Signal Models.