Halvledarprocessimulering
Halvledarprocessimulering är modellering av tillverkningen av halvledarenheter som transistorer . Det är en gren av elektronisk designautomation och en del av ett delområde som kallas teknologi CAD eller TCAD.
Det slutliga målet med processimulering är en exakt förutsägelse av den aktiva dopämnesfördelningen , spänningsfördelningen och enhetens geometri. [ brott mot upphovsrätten? ] Processimulering används vanligtvis som indata för enhetssimulering, modellering av enhetens elektriska egenskaper. Tillsammans utgör process- och enhetssimulering kärnverktygen för designfasen känd som TCAD eller Technology Computer Aided Design. Om man betraktar den integrerade kretsdesignprocessen som en serie steg med minskande abstraktionsnivåer, skulle logiksyntesen vara på högsta nivån och TCAD, som är närmast tillverkning, skulle vara den fas med minst mängd abstraktion. På grund av den detaljerade fysiska modelleringen som är involverad, används processimulering nästan uteslutande för att hjälpa till vid utvecklingen av enskilda enheter, vare sig de är diskreta eller som en del av en integrerad krets .
Tillverkningen av integrerade kretsanordningar kräver en serie bearbetningssteg som kallas ett processflöde. Processsimulering innebär att modellera alla väsentliga steg i processflödet för att erhålla dopnings- och spänningsprofiler och, i mindre utsträckning, enhetsgeometri. Indata för processimulering är processflödet och en layout. Layouten väljs som ett linjärt snitt i en fullständig layout för en 2D-simulering eller ett rektangulärt snitt från layouten för en 3D-simulering.
TCAD har traditionellt främst fokuserat på transistortillverkningsdelen av processflödet som slutar med bildandet av käll- och avledningskontakter – även känd som front end of line-tillverkning. Back end of line-tillverkning, t.ex. sammankopplings- och dielektriska skikt beaktas inte. En anledning till avgränsningen är tillgången till kraftfulla analysverktyg som elektronmikroskopitekniker, svepelektronmikroskopi (SEM) och transmissionselektronmikroskopi (TEM), som möjliggör noggrann mätning av enhetens geometri. Det finns inga liknande verktyg tillgängliga för noggrann högupplöst mätning av dopnings- eller stressprofiler. Ändå finns det ett växande intresse för att undersöka interaktionen mellan front-end och back end tillverkningssteg. Till exempel kan bakändtillverkning orsaka stress i transistorområdet och ändra enhetens prestanda. Dessa interaktioner kommer att stimulera behovet av bättre gränssnitt till backend-simuleringsverktyg eller leda till integration av några av dessa funktioner i TCAD-verktyg.
Utöver den senaste tidens växande omfattning av processimulering har det alltid funnits en önskan att ha mer exakta simuleringar. Emellertid har förenklade fysiska modeller använts mest för att minimera beräkningstiden. Men krympande enhetsdimensioner ställer ökande krav på noggrannheten hos dopnings- och spänningsprofiler, så nya processmodeller läggs till för varje generation av enheter för att matcha nya noggrannhetskrav. Många av modellerna skapades av forskare långt innan de behövdes, men ibland upptäcks och förstås nya effekter först när processingenjörer upptäcker ett problem och experiment utförs. Hur som helst kommer trenden att lägga till fler fysiska modeller och överväga mer detaljerade fysiska effekter att fortsätta och kan accelerera.
Historia
Historien om kommersiella processimulatorer började med utvecklingen av Stanford University Process Modeling-programmet. Byggande på denna början med förbättrade modeller SUPREM II och SUPREM III utvecklades. Technology Modeling Associates, Inc. (TMA) som bildades 1979 var det första företaget att kommersialisera SUPREM III. Senare Silvaco även SUPREM och döpte produkten till ATHENA. TMA kommersialiserade SUPREM-IV (2D-version) och kallade den TSUPREM4. 1992 kom Integrated Systems Engineering (ISE) ut med 1D-processimulatorn TESIM och 2D-processimulatorn DIOS. Ungefär samtidigt påbörjades utvecklingen av en ny 3D-process och enhetssimulator på TMA och efter att TMA förvärvats av Avanti släpptes produkten 1998 som Taurus. Runt 1994 färdigställdes en första version av Florida Object Oriented Process Simulator (FLOOPS). FLOOPS kommersialiserades senare av ISE 2002. En annan processimulator PROPHET skapades runt 1994 på Bell labs som senare blev Agere, men har inte sålts kommersiellt. 2002 Synopsys Avant!, corp. och 2004 förvärvade Synopsys ISE. Synopsys kombinerade funktionerna i Taurus och TSUPREM4 till FLOOPS-plattformen och kallade den Sentaurus Process. Nuvarande Silvaco- produkter är Victory Process och Victory Device för 2D/3D-simulering, och äldre produkter Athena för 2D-processimulering och Atlas för 2D-enhetssimulering. 2013 släppte Coventor SEMulator3D , en avancerad processimulator baserad på voxelmodellering och ytevolution. Förutom dessa simulatorer finns det många andra universitets- och kommersiella simulatorer som PROMIS, PREDICT, PROSIM, ICECREM, DADOS, TITAN, MicroTec, DOPDEES, ALAMODE.
Processsimuleringsmetoder
Processstegen som oftast förknippas med processimulering är jonimplantation , glödgning (diffusion och aktivering av dopmedel ), etsning , avsättning, oxidation och epitaxi . Andra vanliga steg inkluderar kemisk-mekanisk planarisering (CMP), silicidering och återflöde.
Alla kommersiella processimulatorer använder en kombination av finita elementanalys (FE) och/eller finita volymmetoder (FV). En fullständig beskrivning av FE/FV-metoden ligger utanför ramen för denna artikel, men det finns många fina böcker som beskriver ämnet grundligt. Det är dock viktigt att diskutera krav på processimulering för att uppnå korrekta resultat. Dessa krav är baserade på samma krav som generiska till FE/FV-tekniker med en ytterligare svårighet som kommer från förändringarna i geometrin under den simulerade tillverkningen av enheten. Processsimulering använder ett FE/FV-nät för att beräkna och lagra dopnings- och stressprofilerna. Varje geometrisk förändring i simuleringsdomänen kräver ett nytt nät som passar de nya gränserna. Som kommer att beskrivas nedan gör det stora antalet inblandade geometrimodifierande steg och karaktären av processimulering där varje steg beror på de kumulativa resultaten från alla tidigare steg, processsimulering till en särskilt utmanande tillämpning av FE/FV-tekniken.
Ett av de viktigaste resultaten av processimulering är dopningsprofilen efter bearbetning. Noggrannheten av profilen beror starkt på att upprätthålla en korrekt täthet av maskpunkter när som helst under simuleringen. Tätheten av punkter bör vara precis tillräckligt för att lösa alla dopnings- och defektprofiler men inte mer eftersom beräkningskostnaden för att lösa diffusionsekvationerna ökar med antalet maskpunkter. En typisk fullflödes-CMOS-processimulering kan ha mer än 50 mesh-ändringar och antalet mesh-ändringar kan öka dramatiskt om adaptiv meshning utförs. För varje nätändring används interpolation för att erhålla datavärden på det nya nätet. Det är viktigt att hantera nätförändringarna på ett sådant sätt för att undvika försämring av noggrannheten på grund av interpolationsfel. Det enklaste sättet att göra detta är att alltid behålla punkter när de väl har införts i nätet, men detta har nackdelen att producera väldigt många nätpunkter som kan vara beräkningsmässigt dyra. Att upprätthålla en balans mellan interpolationsfel, beräkningskostnad och minimering av nödvändig användarinmatning är viktigt för att erhålla korrekta resultat med ett minimum av beräkningskostnader. Detta gäller särskilt när man simulerar enheter i 3D. Utan noggrann placering av nät kommer antingen noggrannheten att lida oacceptabelt, eller så blir beräkningskostnaden för stor för att vara användbar. Processsimuleringsverktyg har hittills haft begränsad framgång med att helt automatisera mesh-anpassning så att ingen användaringripande krävs. Detta ställer ett krav på användaren att förstå mesh och hur det påverkar simuleringsnoggrannhet och körtid och belastar användaren att spåra mesh-förändringar under simuleringen för att säkerställa att korrekt mesh bibehålls.
En av de viktigaste användningsområdena för TCAD-verktyg är att utforska ny enhetsteknologi där många utforskande simuleringar utförs för att ge enhetsdesignern en bättre förståelse för möjliga fördelar och nackdelar med en given teknologi. Detta användningsfall kräver sekventiella simuleringar med viss analys däremellan. För att vara användbar måste många simuleringscykler köras inom den tid som tilldelats för utforskning, vilket ger hög prioritet åt minimering av simuleringskörtid. För närvarande utförs fullflödesstandard CMOS-simuleringar oftast med en kombination av 1D- och 2D-simulering och tar mindre än några timmar på en 2,6 GHz Pentium 4. Att utföra dessa simuleringar i 3D (från grindbildning och framåt) skulle ta minst 24 timmar för simulering av minsta noggrannhet. Det mesta av den information som önskas från TCAD-simuleringar kan extraheras från förenklingen att enheten kan behandlas enhetligt på djupet (dvs en 2D-simulering). För att inkludera effektanordningens form längs djupet eller för att undersöka implantatskuggning måste 3D-simuleringar utföras.
externa länkar
- A TCAD Lab : sammansättning av TCAD-verktyg som möjliggör krets-, enhets- och processimuleringar
- Process Lab: OxidationsPROFET -baserad processimulator
- Processlab: Koncentrationsberoende diffusion Simulerar både standarddiffusion och koncentrationsberoende diffusion (PROFET-baserad processsimulator)
- Processlab: Defektkopplad diffusion Simulerar dopmedelsdiffusion kopplad med punktdefekter (baserat på PROFET)
- PROPHET PROPHET är ett datorprogram för lösning av uppsättningar av partiella differentialekvationer i en, två eller tre rumsliga dimensioner. Alla modellkoefficienter och materialparametrar finns i ett databasbibliotek som kan modifieras eller läggas till av användaren. Även ekvationerna som ska lösas kan specificeras av slutanvändaren. PROPHET utvecklades ursprungligen för halvledarprocessimulering. Enhetssimuleringsmöjligheter finns också nu.
- Stanford University TCAD Tools Icke-kommersiell version inklusive unix-källkod för SUPREM 3 och 4.