Semiconductor process simulation

Введение

Моделирование для изготовления полупроводников Моделирование полупроводниковых процессов - это моделирование изготовления полупроводниковых устройств, таких как транзисторы. Это раздел автоматизации электронного проектирования и часть подполя, известного как технология CAD или TCAD. Конечная цель процесса моделирования - точное предсказание распределения активного допанта, распределения напряжения и геометрии устройства. Моделирование процессов обычно используется в качестве входа для моделирования устройств, моделирования электрических характеристик устройств. В совокупности моделирование процессов и устройств образуют основные инструменты для фазы проектирования, известной как TCAD или Технология компьютерного проектирования. Если рассматривать процесс проектирования интегральной схемы как ряд этапов с уменьшающимися уровнями абстракции, логический синтез будет на самом высоком уровне, а TCAD, будучи ближе всего к изготовлению, будет фазой с наименьшим количеством абстракции. Из-за детального физического моделирования, моделирование процессов используется почти исключительно для помощи в разработке отдельных устройств, будь то дискретные или как часть интегральной схемы. Изготовление устройств интегральной схемы требует серии этапов обработки, называемых процессом потока. Моделирование процесса включает в себя моделирование всех основных этапов процесса, чтобы получить профили допанта и напряжения и, в меньшей степени, геометрию устройства. Вход для моделирования процесса - это процесс и схема. Планировка выбирается как линейный вырез в полной планировке для 2D-симуляции или прямоугольный вырез из планировки для 3D-симуляции. Традиционно TCAD фокусируется в основном на производстве транзисторов, завершающейся формированием источника и контактов слива, также известных как фронт-энд производства линий. Не учитываются элементы обратной части производственной линии, например, межсоединительные и диэлектрические слои. Одной из причин для разграничения является наличие мощных инструментов анализа, таких как методы электронной микроскопии, сканирующая электронная микроскопия (SEM) и передающая электронная микроскопия (TEM), которые позволяют точно измерять геометрию устройства. Не существует аналогичных инструментов для точного измерения допантов или профилей стрессов с высоким разрешением. Тем не менее, растет интерес к исследованию взаимодействия между этапами производства переднего и заднего конца. Например, производство на заднем конце может вызвать напряжение в области транзистора, изменяя производительность устройства. Эти взаимодействия будут стимулировать потребность в лучших интерфейсах для инструментов симуляции на заднем конце или приведут к интеграции некоторых из этих возможностей в инструменты TCAD. В дополнение к недавнему расширению масштабов моделирования процессов всегда было желание иметь более точные моделирования. Однако, упрощенные физические модели наиболее часто используются для того, чтобы свести к минимуму время вычислений. Но уменьшение размеров устройства требует повышения точности профилей допантов и напряжений, поэтому для каждого поколения устройств добавляются новые модели процессов, соответствующие новым требованиям точности. Многие из моделей были разработаны исследователями задолго до того, как они стали необходимыми, но иногда новые эффекты признаются и понимаются только после того, как инженеры-процессоры обнаруживают проблему и проводят эксперименты. В любом случае, тенденция добавления большего количества физических моделей и рассмотрения более детальных физических эффектов будет продолжаться и может ускориться.

Modeling for semiconductor fabrication

Semiconductor process simulation is the modeling of the fabrication of semiconductor devices such as transistors. It is a branch of electronic design automation, and part of a sub field known as technology CAD, or TCAD. The ultimate goal of process simulation is an accurate prediction of the active dopant distribution, the stress distribution and the device geometry. Process simulation is typically used as an input for device simulation, the modeling of device electrical characteristics. Collectively process and device simulation form the core tools for the design phase known as TCAD or Technology Computer Aided Design. Considering the integrated circuit design process as a series of steps with decreasing levels of abstraction, logic synthesis would be at the highest level and TCAD, being closest to fabrication, would be the phase with the least amount of abstraction. Because of the detailed physical modeling involved, process simulation is almost exclusively used to aid in the development of single devices whether discrete or as a part of an integrated circuit. The fabrication of integrated circuit devices requires a series of processing steps called a process flow. Process simulation involves modeling all essential steps in the process flow in order to obtain dopant and stress profiles and, to a lesser extent, device geometry. The input for process simulation is the process flow and a layout. The layout is selected as a linear cut in a full layout for a 2D simulation or a rectangular cut from the layout for a 3D simulation. TCAD has traditionally focused mainly on the transistor fabrication part of the process flow ending with the formation of source and drain contacts—also known as front end of line manufacturing. Back end of line manufacturing, e. g. interconnect and dielectric layers are not considered. One reason for delineation is the availability of powerful analysis tools such as electron microscopy techniques, scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), which allow for accurate measurement of device geometry. There are no similar tools available for accurate high resolution measurement of dopant or stress profiles. Nevertheless, there is growing interest to investigate the interaction between front end and back end manufacturing steps. For example, back end manufacturing may cause stress in the transistor region changing device performance. These interactions will stimulate the need for better interfaces to back end simulation tools or lead to integration of some of those capabilities into TCAD tools. In addition to the recent expanding scope of process simulation, there has always been a desire to have more accurate simulations. However, simplified physical models have been most commonly used in order to minimize computation time. But, shrinking device dimensions put increasing demands on the accuracy of dopant and stress profiles so new process models are added for each generation of devices to match new accuracy demands. Many of the models were conceived by researchers long before they were needed, but sometimes new effects are only recognized and understood once process engineers discover a problem and experiments are performed. In any case, the trend of adding more physical models and considering more detailed physical effects will continue and may accelerate.

История

История коммерческих процессовых симуляторов началась с разработки программы Stanford University Process Engineering Models (SUPREM). SUPREM - это программное обеспечение, созданное в результате исследований профессора Стэнфорда Роберта Даттона (инженер). На основе этого начали разрабатывать улучшенные модели SUPREM II и SUPREM III. Technology Modeling Associates, Inc. (TMA) была основана Робертом Даттоном (инженером) в 1979 году. TMA была первой компанией, которая коммерциализировала SUPREM III. Позже Silvaco также коммерциализировала SUPREM и назвала продукт ATHENA. TMA коммерциализировала SUPREM IV (2D версия) и назвала его TSUPREM4. В 1992 году Integrated Systems Engineering (ISE) выпустила 1D-симулятор процессов TESIM и 2D-симулятор процессов DIOS. Примерно в то же время в TMA началась разработка нового 3D-симулятора процессов и устройств, и после того, как TMA была приобретена Avanti, продукт был выпущен в 1998 году как Taurus. Примерно в 1994 году была завершена первая версия Florida Object Oriented Process Simulator (FLOOPS). FLOOPS был позже коммерциализирован ISE в 2002 году. Еще один симулятор процессов PROPHET был создан около 1994 года в лабораториях Bell, который позже стал Agere, но не был продан в коммерческом масштабе. В 2002 году Synopsys приобрела Avant!, corp., а в 2004 году Synopsys приобрела ISE. Synopsys объединила функции Taurus и TSUPREM4 в платформу FLOOPS и назвала ее Sentaurus Process. Текущие продукты Silvaco - Victory Process и Victory Device для 2D/3D моделирования, а также старые продукты Athena для 2D моделирования процессов и Atlas для 2D моделирования устройств. В 2013 году Coventor выпустил SEMulator3D, продвинутый симулятор процессов, основанный на моделировании вокселей и эволюции поверхности. Кроме этих симуляторов, существует множество других университетских и коммерческих симуляторов, таких как PROMIS, PREDICT, PROSIM, ICECREM, DADOS, TITAN, MicroTec, DOPDEES, ALAMODE.

Методы моделирования процессов

Шаги процесса, наиболее часто связанные с имитацией процесса, - это ионная имплантация, отжига (диффузия и активация допанта), травка, осаждение, окисление и эпитакси. Другие распространенные шаги включают химическую механическую планаризацию (CMP), силицидацию и перетекание. Все коммерческие симуляторы процессов используют комбинацию методов анализа конечных элементов (FE) и/или методов конечного объема (FV). Полное описание метода FE/FV находится за пределами этой статьи, но существует много хороших книг, которые подробно описывают эту тему. Однако важно обсудить требования к моделированию процесса для достижения точных результатов. Эти требования основаны на тех же требованиях, что и для методов FE/FV, с дополнительной трудностью, связанной с изменениями геометрии при моделировании изготовления устройства. Для моделирования процесса используется сетка FE/FV для вычисления и хранения допинговых и стрессовых профилей. Каждое геометрическое изменение в области моделирования требует новой сетки, которая соответствует новым границам. Как будет описано ниже, большое количество шагов, изменяющих геометрию, и характер моделирования процесса, где каждый шаг зависит от совокупных результатов всех предыдущих шагов, делают моделирование процесса особенно сложным применением техники FE/FV. Одним из наиболее важных результатов моделирования процесса является профиль допанта после обработки. Точность профиля сильно зависит от поддержания правильной плотности точек сетчатки в любое время во время моделирования. Плотность точек должна быть достаточной для разрешения всех профилей допанта и дефектов, но не более, поскольку расходы на вычисления для решения уравнений диффузии увеличиваются с количеством точек сетки. Типичная полнопоточная моделирование процесса CMOS может иметь более 50 изменений сетки, и количество изменений сетки может резко увеличиться, если выполняется адаптивное сетчатое устройство. Для каждого изменения сетки интерполяция используется для получения значений данных на новой сетке. Важно управлять изменениями сетчатки таким образом, чтобы избежать ухудшения точности из-за ошибки интерполяции. Самый простой способ сделать это - всегда сохранять точки, как только они вводятся в сетку, но это имеет недостаток в производстве очень многих точек сетки, которые могут быть вычислительно дорогими. Поддержание баланса между ошибкой интерполяции, расходами на вычисления и минимизацией требуемого ввода пользователя важно для получения точных результатов с минимальными расходами на вычисления. Это особенно верно при моделировании устройств в 3D. Без тщательного размещения сетки или точность будет страдать неприемлемо, или расходы на вычисления будут слишком велики, чтобы быть полезными. До сих пор инструменты моделирования процессов имели ограниченный успех в полной автоматизации адаптации сетки, так что вмешательство пользователя не требуется. Это требует от пользователя понимания сетки и того, как она влияет на точность моделирования и время выполнения, а также нагрузки на пользователя, чтобы отслеживать изменения сетки во время моделирования, чтобы обеспечить сохранение правильной сетки. Одно из наиболее важных применений инструментов TCAD - исследование новой технологии устройств, где выполняется множество исследовательских симуляций, чтобы дать конструктору устройств лучшее понимание возможных преимуществ, а также недостатков данной технологии. Этот случай использования требует последовательных симуляций с некоторым анализом между ними. Для того, чтобы быть полезными, многие циклы моделирования должны выполняться в течение времени, отведенного для исследования, придавая приоритетное значение минимизации времени выполнения моделирования. В настоящее время полноценные стандартные CMOS-симуляции чаще всего выполняются с помощью комбинации 1D и 2D-симуляции и занимают менее нескольких часов на 2,6 ГГц Pentium 4. Для выполнения этих симуляций в 3D (с момента формирования ворот) потребуется минимум 24 часа для минимальной точности симуляции. Большая часть информации, требуемой из TCAD-симуляций, может быть получена из упрощения, что устройство может быть обработано равномерно в глубине (т.е. 2D-симуляция). Для включения формы устройства эффектов вдоль глубины или для исследования теневого имплантата необходимо провести 3D-симуляцию.

The process steps most often associated with process simulation are ion implantation, annealing (diffusion and dopant activation), etch, deposition, oxidation, and epitaxy. Other common steps include chemical mechanical planarization (CMP), silicidation, and reflow. All commercial process simulators use a combination of the finite element analysis (FE) and/or finite volume methods (FV) methods. A complete description of FE/FV method is out of the scope of this article but there are many fine books which describe the topic thoroughly. However, it is important to discuss requirements for process simulation for achieving accurate results. These requirements are based on the same requirements as generic to FE/FV techniques with an additional difficulty coming from the changes in the geometry during the simulated fabrication of the device. Process simulation uses an FE/FV mesh to compute and store the dopant and stress profiles. Each geometrical change in the simulation domain requires a new mesh which fits to the new boundaries. As will be described below, the large number of geometry modifying steps involved and the nature of process simulation where each step depends on the cumulative results of all previous steps, make process simulation an especially challenging application of the FE/FV technique. One of the most important results of process simulation is the dopant profile after processing. The accuracy of the profile strongly depends on maintaining a proper density of mesh points at any time during the simulation. The density of points should be just enough to resolve all dopant and defect profiles but not more because the computation expense of solving the diffusion equations increases with the number of mesh points. A typical full flow CMOS process simulation can have more than 50 mesh changes and the number of mesh changes can increase dramatically if adaptive meshing is performed. For each mesh change, interpolation is used to obtain data values on the new mesh. It is important to manage the mesh changes in such a way to avoid accuracy degradation due to interpolation error. The easiest way to do this is to always keep points once they are introduced into the mesh, but this has the drawback of producing very many mesh points which can be computationally expensive. Maintaining a balance between interpolation error, computational expense, and minimization of required user input is important for obtaining accurate results with a minimum of computational expense. This is especially true when simulating devices in 3D. Without careful placement of mesh either the accuracy will suffer unacceptably, or the computational expense will be too great to be useful. Process simulation tools so far have had limited success in completely automating mesh adaptation such that no user intervention is required. This places a requirement of the user to understand meshing and how it affects simulation accuracy and run time and the burdens the user to track mesh changes during the simulation to ensure proper mesh is maintained. One of the most important uses of TCAD tools is to explore new device technology where many exploratory simulations are performed in order to give the device designer a better understanding of possible benefits as well as drawbacks of a given technology. This use case demands sequential simulations with some analysis in between. In order to be useful, many simulation cycles must be run within the time allotted for exploration, putting a high priority on minimization of simulation run time. Currently, full flow standard CMOS simulations are most often accomplished with a combination of 1D and 2D simulation and take less than a few hours on a 2.6 GHz Pentium 4. To perform these simulations in 3D (from gate formation on) would take a minimum of 24 hours for minimum accuracy simulation. Most of the information desired from TCAD simulations can be extracted from the simplification that the device can be treated uniformly in depth (i. e. a 2D simulation). To include the effects device shape along the depth or to investigate implant shadowing, 3D simulations must be performed.