Кіріспе

Жартылай өткізгіштерді жасау үшін модельдеу Жартылай өткізгіш процесін модельдеу - транзисторлар сияқты жартылай өткізгіш құрылғыларын жасаудың модельдеуі. Бұл электронды дизайнды автоматтандыру саласының бір саласы және технология CAD немесе TCAD деп аталатын субсаланың бөлігі. Процесс симуляциясының түпкі мақсаты - белсенді допанттың таралуын, кернеудің таралуын және құрылғы геометриясын дәл болжау. Процесс симуляциясы әдетте құрылғы симуляциясы, құрылғының электрлік сипаттамаларын модельдеу үшін кіріс ретінде қолданылады. Жалпы процесс және құрылғы симуляциясы TCAD немесе Технология Компьютерлік көмекпен жобалау деп аталатын жобалау кезеңінің негізгі құралдарын құрайды. Интегралды схеманы жобалау процесін абстракцияның төмендеу деңгейі бар қадамдар сериясы ретінде қарастыра отырып, логикалық синтез ең жоғары деңгейде болады, ал TCAD, өндіріске ең жақын, абстракцияның ең аз мөлшеріндегі кезең болады. Ендігі жерде физикалық модельдеудің егжей-тегжейлі болуы себепті процесстің симуляциясы тек дискретті немесе интегралды схеманың бөлігі ретінде жеке құрылғыларды әзірлеуге көмектесу үшін ғана қолданылады. Интегралды схема құрылғыларын жасау процесс ағыны деп аталатын өңдеу кезеңдерінің тізбесін қажет етеді. Процесс симуляциясы допант пен кернеу профильдерін және аздап құрылғы геометриясын алу үшін процесс ағысындағы барлық маңызды қадамдарды модельдеуді қамтиды. Процесс симуляциясының кірісі - процесс ағыны мен макет. Жазу 2D-симуляция үшін толық кескіннің сызықтық кескінін немесе 3D-симуляция үшін кескіннің тікбұрышты кескінін таңдап алады. TCAD дәстүрлі түрде негізінен транзисторды жасау процесінің ағынының бөлігіне назар аударды, ол бастапқы және дренаждық контактілерді қалыптастырумен аяқталады, ол желілік өндірістің алдыңғы бөлігі деп те аталады. Сызық өндірісінің соңғы бөлігі, мысалы, өзара байланыс және диэлектрлік қабаттар ескерілмейді. Шектеудің бір себебі - құрылғы геометриясын дәл өлшеуге мүмкіндік беретін электронды микроскопия әдістері, сканерлеу электронды микроскопиясы (SEM) және тарату электронды микроскопиясы (TEM) сияқты қуатты талдау құралдарының болуы. Допантты немесе стресс профильдерін жоғары ажыратылыммен дәл өлшеу үшін ұқсас құралдар жоқ. Дегенмен, алдыңғы және артқы өндірістік кезеңдердің өзара әрекеттесуін зерттеуге қызығушылық артып келеді. Мысалы, арткы жақтағы өндіріс транзистор аймағындағы құрылғының жұмысын өзгертетін стресске әкелуі мүмкін. Бұл өзара іс-қимылдар симуляция құралдарын жақсырақ пайдалану қажеттілігін арттырады немесе осы мүмкіндіктердің кейбірін TCAD құралдарына біріктіруге әкеледі. Өңдеуді симуляциялаудың соңғы кеңейтілген аясына қосымша, әрқашан да дәл симуляцияларға ие болу қалауы болды. Алайда, есептеу уақытын азайту үшін қарапайым физикалық модельдер жиі қолданылады. Бірақ, құрылғылардың өлшемдерінің қысқаруы допинг пен стресс профильдерінің дәлдігіне талаптарды арттырады, сондықтан әр буын құрылғылары үшін жаңа процесс модельдері жаңа дәлдігі талаптарға сәйкес келеді. Көптеген модельдерді зерттеушілер қажет болғанға дейін ойлап тапты, бірақ кейде жаңа әсерлер тек процесс инженерлері проблеманы анықтап, тәжірибелер жүргізгеннен кейін ғана танылады және түсініледі. Кез келген жағдайда физикалық модельдерді көбірек қосу және физикалық әсерлерді егжей-тегжейлі қарастыру үрдісі жалғасады және жылдамдауы мүмкін.

Тарих

Коммерциялық процестер симуляторларының тарихы Стэнфорд университетінің процестер инженерлік модельдері (SUPREM) бағдарламасының дамуымен басталды. SUPREM - Стэнфорд профессоры Роберт Даттонның (инженер) зерттеулерінің нәтижесінде пайда болған бағдарламалық қамтамасыз ету. Осы бастамаға сүйене отырып, SUPREM II және SUPREM III жетілдірілген модельдер жасалды. Technology Modeling Associates, Inc. (TMA) компаниясының негізін 1979 жылы Роберт Даттон (инженер) құрды. TMA SUPREM III-ді коммерцияландырған алғашқы компания болды. Кейіннен Сильвако SUPREM-ті коммерцияландырды және өнімді ATHENA деп атады. TMA SUPREM IV (2D нұсқасы) коммерцияландырды және оны TSUPREM4 деп атады. 1992 жылы Integrated Systems Engineering (ISE) 1D процессимуляторы TESIM және 2D процессимуляторы DIOS шығады. Шамамен сол уақытта TMA-да жаңа 3D процестер мен құрылғылар симуляторын әзірлеу басталды және TMA-ны Avanti сатып алғаннан кейін, өнім 1998 жылы Taurus ретінде шығарылды. 1994 жылы Флорида объектке бағдарланған процесс симуляторының (FLOOPS) алғашқы нұсқасы жасалды. FLOOPS кейіннен 2002 жылы ISE коммерцияландырды. Тағы бір процессимулятор PROPHET 1994 жылы Bell лабораториясында құрылды, кейін Agere болды, бірақ коммерциялық сатылымға шығарылмаған. 2002 жылы Synopsys Avant! корпорациясын сатып алды, ал 2004 жылы Synopsys ISE сатып алды. Synopsys Taurus және TSUPREM4 функцияларын FLOOPS платформасына біріктірді және оны Sentaurus Process деп атады. Қазіргі Silvaco өнімдері - 2D/3D симуляциясы үшін Жеңіс процесі және Жеңіс құрылғысы, 2D процессі симуляциясы үшін мұралық өнімдер Athena және 2D құрылғысы симуляциясы үшін Atlas. 2013 жылы Ковентор SEMulator3D-ді шығарды, ол воксельдік модельдеу мен беткі эволюцияға негізделген озық процесс симуляторы. Осы симуляторлардан басқа, PROMIS, PREDICT, PROSIM, ICECREM, DADOS, TITAN, MicroTec, DOPDEES, ALAMODE сияқты көптеген басқа университеттер мен коммерциялық симуляторлар бар.

Процестерді симуляциялау әдістері

Процесс симуляциясымен жиі байланысты процесс қадамдары ионды имплантациялау, оттечение (диффузиялық және допантты белсендіру), этт, шөгінді, тотығу және эпитакси болып табылады. Басқа жалпы қадамдарға химиялық механикалық жазықтық (ХМК), силикаттау және қайта ағу жатады. Барлық коммерциялық процессимуляторлар шекті элементтерге талдау (FE) және/немесе шекті көлемді талдау (FV) әдістерін біріктіреді. FE/FV әдісін толық сипаттау осы мақаланың аясынан тыс, бірақ тақырыпты толық сипаттайтын көптеген жақсы кітаптар бар. Алайда, дәл нәтижелерге қол жеткізу үшін процестерді симуляциялау талаптары талқылануы қажет. Бұл талаптар FE/FV әдістеріне қойылатын жалпы талаптарға негізделген, бұл ретте құрылғыны симуляциялау кезінде геометриялық өзгерістерден туындайтын қосымша қиындықтар бар. Процесс симуляциясы допант пен стресс профильдерін есептеу және сақтау үшін FE/FV торды қолданады. Моделиялау аймағындағы әрбір геометриялық өзгеріс жаңа шекараларға сәйкес келетін жаңа торды қажет етеді. Төменде сипатталғандай, геометрияны өзгерту кезеңдерінің көптігі және әрбір кезеңнің барлық алдыңғы кезеңдердің жиынтық нәтижелеріне байланысты процесстің симуляциясының сипаты процесстің симуляциясын FE/FV техникасының ерекше қиындыққа толы қолдануына айналдырады. Процесс симуляциясының ең маңызды нәтижелерінің бірі - өңдеуден кейінгі допант профилі. Профильдің дәлдігі симуляция кезінде кез келген уақытта тері торларының тығыздығын сақтаудан қатты тәуелді. Нүктелердің тығыздығы барлық допант пен ақаулық профильдерін шешу үшін жеткілікті болуы керек, бірақ одан артық емес, өйткені диффузиялық теңдеулерді шешудің есептеу шығыны тор нүктелерінің санына қарай артады. Үлгілі толық ағынды CMOS процесінің симуляциясында 50 - ден астам тор өзгерістері болуы мүмкін, ал егер адаптивті торлау жүргізілсе, тор өзгерістерінің саны күрт өсе алады. Әрбір тор көзінің өзгеруі үшін интерполяция жаңа тор көзінің деректері үшін қолданылады. Желідегі тордың өзгеруін интерполяция қатесіне байланысты дәлдіктің төмендеуіне жол бермеу үшін басқару маңызды. Мұны істеудің ең оңай жолы - торға енгізілгеннен кейін нүктелерді әрдайым сақтау, бірақ бұл есептеу жағынан қымбат болатын көптеген тор нүктелерін шығарудың кемшілігі бар. Интерполяциялық қате, есептеу шығындары және қажетті пайдаланушының кірісін азайту арасындағы тепе-теңдікті сақтау есептеу шығындарының ең аз мөлшерінде дәл нәтижелерді алу үшін маңызды. Бұл әсіресе құрылғыларды 3D-да симуляциялау кезінде дұрыс. Желілерді мұқият орналастырмаса, дәлдікке әсері тиіп, есептеу шығындары пайдалы болмақ. Процестерді модельдеу құралдары толығымен автоматтандырылған желілерді бейімдеуде шектеулі табысқа ие болды, сондықтан пайдаланушының араласуы қажет емес. Бұл пайдаланушының сеткалық желілерді түсінуін және оның симуляцияның дәлдігіне және жұмыс уақытына қалай әсер ететінін және пайдаланушының сеткалық желілердің дұрыс сақталуын қамтамасыз ету үшін симуляция кезінде сеткалық желілердегі өзгерістерді бақылауға деген талапты қояды. TCAD құралдарының ең маңызды қолдануларының бірі - құрылғы дизайнеріне берілген технологияның мүмкін пайдасы мен кемшіліктерін жақсырақ түсіну үшін көптеген зерттеуші симуляциялар жүргізілетін жаңа құрылғы технологиясын зерттеу. Бұл пайдалану жағдайы аралықта кейбір талдаулар жүргізілген ретті симуляцияларды талап етеді. Пайдалы болу үшін көптеген симуляция циклдері барлау үшін берілген уақыт ішінде орындалуы керек, бұл симуляция уақытын барынша азайтуға жоғары басымдық береді. Қазіргі уақытта толық ағынды стандартты CMOS симуляциялары көбінесе 1D және 2D симуляциялардың үйлесімімен жүзеге асырылады және 2,6 ГГц Pentium 4 құрылғысында бірнеше сағаттан аз уақыт алады. Осы симуляцияларды 3D-де (кешекті құрудан бастап) орындау үшін ең аз дәлдікті симуляциялау үшін кем дегенде 24 сағат қажет. TCAD симуляциясынан қажетті ақпараттың көпшілігін құрылғыны тереңдікте біркелкі өңдеуге болатын жеңілдетуден алуға болады (яғни 2D симуляция). Еффект құрылғысының пішінін тереңдік бойымен қосу немесе имплант көлеңкесін зерттеу үшін 3D-симуляцияларды жүргізу керек.