集成電路最小特徵尺寸已經進入納米級別了，也就是說集成電路製造過程中，已經達到了可以控制數百個原子的工藝了。精細的結構使得集成電路工作速度更快，功耗更低，檢測外界信號也更加靈敏。
不過集成電路有個特點，它們能比較出外界信號細微的差別，卻往往難以法測得其準確值，這是什麼原因呢？
舉例來說，TOF相機可以比較出兩個快門輸入的微量電荷比例，但是要讓它具體測量每個輸入端電荷具體有多少，它卻很難做到。
類似的例子還有很多，集成電路儘量去檢測外來信號的相對值而非絕對值。這是為什麼呢？
道理其實並不複雜，主要是集成電路製造過程中的工藝偏差造成的。下面我們從集成電路的製造過程，看看集成電路工藝帶來的差別。
1. 不同批次晶圓之間的差異
由於晶圓是由單晶棒切割研磨而成的，不同批次的晶圓，其本身材料的純度會有不同。加之不同批次晶圓經歷高溫的時間不同，位於矽棒的位置不同，都會造成晶圓參數的差異，表面方塊電阻也有一定的容差。
圖1 不同尺寸的矽棒和晶圓示意圖
圖2 盒裝晶圓示意圖
圖1和2示意了矽棒和矽片。同一盒裝的矽片在工藝過程中也是基本一起處理的，不同批次矽片在提純切割研磨等製造過程中不可避免的會有差別。
2. 同一批次擴散及注入的差異
同一批次的晶圓，需要裝載在石英舟上，慢慢推進到擴散爐進行雜質擴散，一般一批最少25片或者更多。矽片進入的先後順序不同，位於石英舟中間的區域與邊緣的區域擴散並不均勻。
因為在擴散爐一千多度的高溫下，雜質原子是靠幾種氣體反應而進行擴散的，矽片在石英舟上的位置不同，接觸氣流產生的反應也不盡相同。
同一批次晶圓的工藝過程如圖3和圖4所示。
圖3 裝載晶圓進入擴散爐的石英舟示意圖
圖4 同一批晶圓在石英舟上的情況示意圖
如果使用注入機進行雜質的注入，同樣會有注入角度等引起一致性問題，批處理一般都很難準確照顧到每一塊晶圓。
3. 同一晶圓不同位置的差異
即使同一片晶圓，在中間位置和邊緣位置擴散的效果也可能不同。同一晶圓不同位置的差別示意圖如下圖所示。需要說明的是，下圖中只是用光彩直觀的演示區域差別，而並非真正的濃度差別。
圖5 同一晶圓的不同位置工藝可能有差異示意圖
圖中的色彩雖然不是工藝偏差造成的，但是可以理解，在8英寸的範圍內進行擴散或者注入，其均勻度也會有一定的起伏，不會那麼完美的。
圖6 晶圓不同位置的擴散效果示意圖
上圖用可以看作是用色彩形象的顯示不同區域成分的不同。實際的晶圓均勻度也不會離譜到這麼誇張，中間與邊緣區域的參雜會有微量的起伏。而這些微量的變化對非常精細的器件造成的影響就不可忽略了。
4. 同一電路不同方向的差異
即使同一塊晶片內，電路設計方向不同，也會造成器件性能差異。因為不同方向的擴散與注入甚至光刻都會引起差別：
圖7 相鄰器件不同方向的區別示意圖
不同設計方向的電路擴散或注入的情況如上圖所示。圖中用綠色深淺表示參雜濃度的不一樣，左邊深綠右邊淺綠。對於MOS1和MOS2，它們的差別不大，但是MOS1與MOS3的差別就比較大。
同一晶片幾乎同一位置的器件都有差異，更別說晶圓的不同位置，或者不同的晶圓，甚至不同批次之間的差異了。
如果用MOS1和MOS３這兩個設計相同，但工藝有偏差的器件，對外進行電學測量，相當於用不同刻度的尺子去測量身高，那麼誰到底是準確的呢？這就說不清了。
圖8 微觀下的參雜情況示意圖
上述圖片顯示了矽中進行不同的參雜帶來的效果。在十幾個矽原子的範圍內，如果多一個雜質原子，或者少一個雜質原子，偏差都高達百分之十左右。
即使相同濃度的參雜，也會因為雜質的分布不同而造成局部不均勻，從而影響電參數。而大規模的擴散和注入，怎麼可能保證每一個微小的區域參雜情況一致呢。
很難想像，經歷了烈火焚燒，經歷了千錘百鍊，經歷了近百道工序，不同批次不同晶圓和不同位置的電路，還要求它們的微觀結構一模一樣的，那是不現實的，也是做不到的。
工藝需要一定的波動窗口，沒有工藝窗口的設計是沒有成品率可言的。
正是由於不同批次，不同晶圓，不同位置的器件參數會有不同，有的偏大，有的偏小，無法確定那一組是最正確的，正是由於這些工藝過程在固有的不可避免的差異，集成電路在設計時，就應該儘量避免做定量的測量。
當然，集成電路內還是可以做出不受工藝波動影響的基準源的，有了基準，相當於確定了尺子的刻度，所有電路都參照標準進行，只是設計相對複雜一些。
而沒有基準的情況下，就好像用一把沒有刻度或者刻度不統一的尺子量身高，當然量不出來絕對值了。
5. 為什麼上述差異對相對值測量影響不大？
而上述差異，雖然影響對絕對值的測量，卻不影響相對值的測量，因為在電路的同一方向同一位置，就排除了前面所說的幾種因素了，因而工藝偏差就沒有那麼大了。
我們可以把需要比較的電路設計在同一位置，位置儘量靠近且版圖對稱，緊挨著做出來，性能就好像雙胞胎，它們的經歷是相同的，在它們同處的微小面積內，其工藝偏差可以忽略不計。
例如圖7中的MOS1和MOS2，它們之間的差異是可以忽略的。如果用它們做比較器的輸入端，由於它們的經歷幾乎一模一樣：偏大都偏大，偏小都偏小，從而巧妙的迴避了工藝過程中不可避免的差異。
這相當於測量身高的尺子雖然刻度不統一，但是用於比較是不影響的，它無法告訴你身高具體一米幾，但是可以告訴你與其他人身高的比例，比較出來的結果可信的。當然，如果它比較了你和另外一個名人，知道了你們的身高比例，而名人的身高是準確已知的，那就可以推算出你的具體身高。
因此大規模批量生產出來的集成電路，即使來自不同批次不同晶圓，它們各自測量到的絕對值可能不同，但各自比較的相對值一定是一致的，可以放心使用。
了解了集成電路的特點，在設計和應用過程中就能更加得心應手。（大象韓 20201201）