Modellering av halvledarenheter

Teknikhierarki CAD-verktyg som bygger från processnivå till kretsar. Ikoner på vänster sida visar typiska tillverkningsproblem; Ikoner på höger sida återspeglar MOS-skalningsresultat baserat på TCAD. Kredit: Prof. Robert Dutton i CRC Electronic Design Automation for IC Handbook, Vol II, Kapitel 25, med tillstånd.

Modellering av halvledarenheter skapar modeller för beteendet hos de elektriska enheterna baserade på grundläggande fysik, såsom enheternas dopningsprofiler. Det kan också inkludera skapandet av kompakta modeller (som de välkända SPICE- transistormodellerna ), som försöker fånga det elektriska beteendet hos sådana enheter men som i allmänhet inte härleder dem från den underliggande fysiken. Normalt utgår den från utsignalen från en halvledarprocessimulering .

Introduktion

Schematisk över två steg av CMOS-växelriktaren, som visar ingångs- och utgångsspänningstiddiagram. I on och I off (tillsammans med I DG , I SD och I DB komponenter) indikerar tekniskt styrda faktorer. Kredit: Prof. Robert Dutton i CRC Electronic Design Automation for IC Handbook, Vol II, Kapitel 25, med tillstånd.

Figuren till höger ger en förenklad konceptuell bild av "den stora bilden". Denna figur visar två växelriktarsteg och den resulterande plotten av ingångs-utgångsspänning-tid för kretsen. Ur det digitala systemets synvinkel är nyckelparametrarna av intresse: tidsfördröjningar, kopplingseffekt, läckström och korskoppling (överhörning) med andra block. Spänningsnivåerna och övergångshastigheten är också oroande.

Figuren visar också schematiskt betydelsen av I på kontra I av , vilket i sin tur är relaterat till drivström (och rörlighet) för "på"-enheten och flera läckagevägar för "av"-enheterna. Kapacitanserna – både inneboende och parasitiska – som påverkar dynamisk prestanda visas inte explicit i figuren.

Effektskalningen som nu är en stor drivkraft i branschen återspeglas i den förenklade ekvationen som visas i figuren – kritiska parametrar är kapacitans, strömförsörjning och klockfrekvens. Nyckelparametrar som relaterar enhetens beteende till systemets prestanda inkluderar tröskelspänningen , drivström och undertröskelegenskaper.

Det är sammanflödet av systemprestandaproblem med den underliggande tekniken och enhetsdesignvariabler som resulterar i de pågående skalningslagarna som vi nu kodifierar som Moores lag .

Enhetsmodellering

Huvudartiklar: Diodmodellering och transistormodeller

Fysiken och modelleringen av enheter i integrerade kretsar domineras av MOS och bipolär transistormodellering. Men andra enheter är viktiga, såsom minnesenheter, som har ganska olika modelleringskrav. Det finns naturligtvis också frågor om tillförlitlighetsteknik - till exempel skyddskretsar och anordningar för elektrostatisk urladdning (ESD) - där substrat och parasitanordningar är av avgörande betydelse. Dessa effekter och modellering beaktas inte av de flesta enhetsmodelleringsprogram; den intresserade läsaren hänvisas till flera utmärkta monografier inom området ESD och I/O-modellering.

Fysikdrivna kontra kompakta modeller

Ett exempel på fysikdriven modellering av en MOSFET. Färgkonturerna indikerar rymdupplöst lokal täthet av tillstånd . Gate bias varieras i en nanotråds MOSFET vid dräneringsförspänning Vd=0,6V. Lägg märke till de begränsade energinivåerna när de rör sig med grindförspänning.

Fysikdriven enhetsmodellering är avsedd att vara korrekt, men den är inte tillräckligt snabb för verktyg på högre nivå, inklusive kretssimulatorer som SPICE . Därför använder kretssimulatorer normalt mer empiriska modeller (ofta kallade kompakta modeller) som inte direkt modellerar den underliggande fysiken. Till exempel mobilitetsmodellering i inversionslager , eller modellering av mobilitet och dess beroende av fysiska parametrar, omgivnings- och driftsförhållanden ett viktigt ämne både för TCAD (technology computer aided design) fysiska modeller och för kompakta modeller på kretsnivå. Den är dock inte exakt modellerad från de första principerna, och därför tar man till att passa experimentella data. För mobilitetsmodellering på fysisk nivå är de elektriska variablerna de olika spridningsmekanismerna, bärartätheten och lokala potentialer och fält, inklusive deras teknologi och omgivningsberoende.

Däremot parametriserar modeller på kretsnivå effekterna i termer av terminalspänningar och empiriska spridningsparametrar. De två representationerna kan jämföras, men det är i många fall oklart hur experimentdata ska tolkas i termer av mer mikroskopiskt beteende.

Historia

Utvecklingen av teknik datorstödd design (TCAD) – den synergistiska kombinationen av process-, enhets- och kretssimulerings- och modelleringsverktyg – hittar sina rötter i bipolär teknologi, med start i slutet av 1960-talet, och utmaningarna med kopplingsisolerade, dubbel- och trippeldiffunderade transistorer . Dessa enheter och teknik var grunden för de första integrerade kretsarna; Ändå är många av skalningsproblemen och de underliggande fysiska effekterna integrerade i IC-design , även efter fyra decennier av IC-utveckling. Med dessa tidiga generationer av IC var processvariabilitet och parametrisk avkastning ett problem – ett tema som kommer att återuppstå som en styrande faktor även i framtida IC-teknik.

Processkontrollfrågor – både för de inneboende enheterna och alla tillhörande parasiter – innebar enorma utmaningar och beordrade utvecklingen av en rad avancerade fysiska modeller för process- och enhetssimulering. Från och med slutet av 1960-talet och in på 1970-talet var de modelleringsmetoder som utnyttjades dominerande en- och tvådimensionella simulatorer. Medan TCAD i dessa tidiga generationer visade spännande löften när det gäller att ta itu med de fysikorienterade utmaningarna med bipolär teknologi, revolutionerade MOS-teknikens överlägsna skalbarhet och strömförbrukning IC-industrin. I mitten av 1980-talet blev CMOS den dominerande drivkraften för integrerad elektronik. Icke desto mindre satte dessa tidiga TCAD-utvecklingar scenen för deras tillväxt och breda distribution som en viktig verktygsuppsättning som har utnyttjat teknikutvecklingen genom VLSI- och ULSI-epoken som nu är mainstream.

IC-utvecklingen i mer än ett kvartssekel har dominerats av MOS-tekniken. Under 1970- och 1980-talen gynnades NMOS på grund av hastighets- och areafördelar, i kombination med tekniska begränsningar och problem relaterade till isolering, parasiteffekter och processkomplexitet. Under den eran av NMOS-dominerad LSI och framväxten av VLSI, kodifierades de grundläggande skalningslagarna för MOS-teknik och tillämpades brett. Det var också under denna period som TCAD nådde mognad när det gäller att realisera robust processmodellering (främst endimensionell) som sedan blev ett integrerat teknologidesignverktyg, som används universellt i branschen. Samtidigt blev enhetssimulering, dominerande tvådimensionell på grund av MOS-enheternas natur, teknologernas arbetshäst i design och skalning av enheter. Övergången från NMOS till CMOS -teknik resulterade i behovet av tätt kopplade och helt 2D-simulatorer för process- och enhetssimuleringar. Denna tredje generation av TCAD-verktyg blev avgörande för att ta itu med den fulla komplexiteten hos CMOS-teknik med två brunnar (se figur 3a), inklusive frågor om designregler och parasiteffekter som latchup . Ett förkortat perspektiv på denna period, till och med mitten av 1980-talet, ges i; och utifrån hur TCAD-verktyg användes i designprocessen, se.

Se även

  1. ^ C. Duvvury och A. Amerasekera, ESD: en genomgripande tillförlitlighetsbekymmer för IC-teknologier, Proc. IEEE, vol. 81, sid. 690-702, 1993.
  2. ^   A. Amerasekera och C. Duvvury, ESD i Silicon Integrated Circuits, andra upplagan, New York, John Wiley & Sons, 2002. ISBN 0-471-49871-8
  3. ^   S. Dabral och TJ Maloney, grundläggande ESD- och I/O-design, New York, John Wiley & Sons, 1998. ISBN 0-471-25359-6
  4. ^ HJ DeMan och R. Mertens, SITCAP--En simulator för bipolära transistorer för datorstödda kretsanalysprogram, International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), Technical Digest, s. 104-5, februari 1973.
  5. ^ RW Dutton och DA Antoniadis, Processimulering för enhetsdesign och kontroll , International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), Technical Digest, s. 244-245, februari, 1979
  6. ^ RH Dennard, FH Gaensslen, HN Yu, VL Rodeout, E. Bassous och AR LeBlanc, Design av jonimplanterade MOSFETs med mycket små fysiska dimensioner , IEEE Jour. Solid-State Circuits, vol. SC-9, sid. 256-268, oktober 1974.
  7. ^ RW Dutton och SE Hansen, Processmodellering av teknologi för integrerad kretsanordning , Proceedings of the IEEE, vol. 69, nr. 10, sid. 1305-1320, oktober 1981.
  8. ^ PE Cottrell och EM Buturla, "Tvådimensionell statisk och transient simulering av mobil bärares transport i en halvledare," Proceedings NASECODE I (Numerisk analys av halvledarenheter), s. 31-64, Boole Press, 1979.
  9. ^ S. Selberherr , W. Fichtner och HW Potzl, "Minimos - Ett programpaket för att underlätta design och analys av MOS-enheter," Proceedings NASECODE I (Numerical Analysis of Semiconductor Devices), s. 275-79, Boole Press, 1979.
  10. ^ CS Rafferty, MR Pinto och RW Dutton, Iterativa metoder i simulering av halvledarenheter , IEEE Trans. Elec. Dev., vol. ED-32, nr 10, s. 2018-2027, oktober 1985.
  11. ^ MR Pinto och RW Dutton, Exakt avtryckartillståndsanalys för CMOS latchup , IEEE-elektronanordningsbrev, vol. EDL-6, nr. 2 februari 1985.
  12. ^ RW Dutton, Modellering och simulering för VLSI , International Electron Devices Meeting (IEDM), Technical Digest, s. 2-7, december, 1986.
  13. ^   KM Cham, S.-Y. Oh, D. Chin och JL Moll, Computer-Aided Design and VLSI Device Development, Kluwer Academic Publishers (KAP), 1986. ISBN 0-89838-204-1
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Semiconductor_device_modeling&oldid=961036001 "