Введение
Технология компьютерного проектирования (технология CAD или TCAD) - это отрасль автоматизации электронного проектирования (EDA), которая моделирует изготовление полупроводников и эксплуатацию полупроводниковых устройств. Моделирование процесса изготовления называется процессом TCAD, в то время как моделирование операции устройства называется устройством TCAD. Включает моделирование этапов процесса (таких как диффузия и имплантация ионов), и моделирование поведения электрических устройств на основе фундаментальной физики, такой как профили допинга устройств. TCAD также может включать в себя создание "компактных моделей" (таких как хорошо известные модели транзисторов SPICE), которые пытаются захватить электрическое поведение таких устройств, но обычно не извлекают их из базовой физики. Сам симулятор SPICE обычно рассматривается как часть EDA, а не TCAD.
Введение
Технологические файлы и правила проектирования являются важными составляющими процесса проектирования интегральной схемы. Их точность и надежность в процессе технологического процесса, его изменчивость и условия работы ИС - воздействие окружающей среды, паразитарные взаимодействия и испытания, включая неблагоприятные условия, такие как электростатические разряды - имеют решающее значение для определения производительности, производительности и надежности. Разработка этих технологических и конструкторских файлов правил включает в себя итеративный процесс, который пересекает границы разработки технологий и устройств, проектирования продукта и обеспечения качества. Моделирование и моделирование играют важную роль в поддержке многих аспектов этого процесса эволюции. Цели TCAD начинаются с физического описания устройств интегральных схем, учитывая как физическую конфигурацию, так и связанные с ними свойства устройств, и создают связи между широким спектром моделей физики и электрического поведения, которые поддерживают проектирование схем. Физическое моделирование устройств в распределенных и объединенных формах является важной частью разработки процесса ИС. Он стремится к количественному определению базового понимания технологии и абстрактному пониманию на уровне проектирования устройства, включая извлечение ключевых параметров, которые поддерживают проектирование цепей и статистическую метрологию. Хотя здесь акцент делается на полупроводниковых транзисторах из оксидов металлов (MOS), которые являются рабочей лошадкой в индустрии ИК, полезно кратко рассмотреть историю развития инструментов моделирования и методологии, которые создали основу для современного состояния техники.
История
Эволюция технологии компьютерного проектирования (TCAD) - синергетического сочетания процесса, устройства и моделирования схем и инструментов моделирования - берет свое начало в биполярной технологии, начиная с конца 1960-х годов, и проблемы соединения изолированных, двойных и тройных диффузионных транзисторов. Эти устройства и технологии были основой первых интегральных схем; тем не менее, многие из проблем масштабирования и основных физических эффектов являются неотъемлемой частью проектирования интегральных схем, даже после четырех десятилетий разработки интегральных схем. С этими ранними поколениями ИС изменчивость процесса и параметрическая доходность были проблемой - темой, которая вновь появится в качестве управляющего фактора в будущей технологии ИС. Проблемы управления процессом - как для внутренних устройств, так и для всех связанных с ними паразитов - представляли собой серьезные проблемы и потребовали разработки ряда передовых физических моделей для моделирования процессов и устройств. Начиная с конца 1960-х и в 1970-х годах, подходы к моделированию использовались преимущественно одно- и двумерные симуляторы. В то время как TCAD в этих ранних поколениях показал захватывающие перспективы в решении физических проблем биполярной технологии, превосходная масштабируемость и потребление энергии технологии MOS произвели революцию в индустрии IC. К середине 1980-х годов CMOS стал доминирующим драйвером для интегрированной электроники. Тем не менее, эти ранние разработки TCAD создали основу для их роста и широкого внедрения в качестве основного инструмента, который использовал развитие технологий в эпоху VLSI и ULSI, которые теперь являются основным направлением. Разработка ИС более четверти века была во власти технологии MOS. В 1970-х и 1980-х годах NMOS была предпочтительнее из-за преимуществ скорости и площади, в сочетании с технологическими ограничениями и проблемами, связанными с изоляцией, паразитическими эффектами и сложностью процесса. В эпоху доминирования NMOS над LSI и появления VLSI фундаментальные законы масштабирования технологии MOS были кодифицированы и широко применялись. Именно в этот период TCAD достиг зрелости с точки зрения реализации надежного процесса моделирования (в основном одномерного), который затем стал неотъемлемым инструментом технологического проектирования, используемым повсеместно в отрасли. В то же время моделирование устройств, преимущественно двумерное из-за природы устройств MOS, стало рабочей лошадкой технологов в проектировании и масштабировании устройств. Переход от технологии NMOS к технологии CMOS привел к необходимости тесно связанных и полностью 2D-симуляторов для процесса и устройства симуляции. Это третье поколение инструментов TCAD стало критически важным для решения всей сложности технологии CMOS с двойными скважинами (см. Рисунок 3a), включая вопросы правил проектирования и паразитарных эффектов, таких как зацепка. В данном разделе представлен краткий, но перспективный взгляд на этот период, вплоть до середины 1980-х годов, и с точки зрения того, как инструменты TCAD использовались в процессе проектирования.
Современный TCAD
Сегодня требования к TCAD и его использование охватывают очень широкий спектр вопросов автоматизации проектирования, включая многие фундаментальные физические ограничения. В основе все еще лежит множество проблем моделирования процессов и устройств, которые поддерживают масштабирование внутренних устройств и паразитарную экстракцию. Эти приложения включают разработку технологий и правил проектирования, извлечение компактных моделей и, в более общем плане, проектирование для изготовления (DFM). Доминирование межсоединений для интеграции в гига-масштабе (число транзисторов в О ((миллиардах)) и тактовых частот в О (10 гигагерц)) потребовало разработки инструментов и методологий, которые включают моделирование с помощью электромагнитных симуляций как для оптических моделей, так и для моделирования производительности электронных и оптических межсоединений, а также моделирования уровня цепи. Этот широкий круг вопросов на уровне устройств и взаимосвязей, включая связи с основными технологиями моделирования и обработки, обобщен на рисунке 1 и обеспечивает концептуальную основу для обсуждения, которое теперь следует. На рисунке 1 изображена иерархия уровней процесса, устройства и цепи инструментов моделирования. На каждой стороне ящиков, указывающих уровень моделирования, расположены иконки, которые схематически изображают репрезентативные приложения для TCAD. Левая сторона уделяет особое внимание вопросам проектирования для производства (DFM), таким как: изоляция мелкого траншея (STI), дополнительные функции, необходимые для маскировки сдвига фазы (PSM), и проблемы для многоуровневых взаимосвязей, которые включают в себя вопросы обработки химической механической планаризации (CMP), и необходимость рассмотрения электромагнитных эффектов с использованием решителей электромагнитного поля. Правые иконки показывают более традиционную иерархию ожидаемых результатов и приложений TCAD: полные процессовые моделирования внутренних устройств, прогнозы масштабирования тока привода и извлечение технологических файлов для полного набора устройств и паразитов. На рисунке 2 снова рассматриваются возможности TCAD, но на этот раз больше в контексте информации о потоке проектирования и того, как это связано с физическими слоями и моделированием мира автоматизации электронного проектирования (EDA). Здесь уровни моделирования процесса и моделирования устройства рассматриваются как интегральные возможности (в рамках TCAD), которые вместе обеспечивают "картографирование" от информации на уровне маски до функциональных возможностей, необходимых на уровне EDA, таких как компактные модели ("технологические файлы") и даже модели поведения более высокого уровня. Также показана экстракция и проверка электрических правил (ERC); это указывает на то, что многие детали, которые до сих пор были встроены в аналитические формулировки, могут на самом деле также быть связаны с более глубоким уровнем TCAD для поддержки растущей сложности масштабирования технологии.
Поставщики
В настоящее время основными поставщиками инструментов TCAD являются Delphea, Synopsys, Silvaco, Crosslight Software, Cogenda Software, Global TCAD Solutions и Tiberlab. Открытые программы GSS, Archimedes, Aeneas, NanoTCAD ViDES, DEVSIM, GMPT и GENIUS имеют некоторые возможности коммерческих продуктов.