Введение
Моделирование поведения полупроводников Моделирование полупроводниковых устройств создает модели поведения электрических устройств на основе фундаментальной физики, такие как допинг-профили устройств. Это может также 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. Обычно это начинается с выхода полупроводникового процесса моделирования.
Semiconductor device modeling creates models for the behavior of the electrical devices based on fundamental physics, such as the doping profiles of the devices. It may also include the creation of compact models (such as the well known SPICE transistor models), which try to capture the electrical behavior of such devices but do not generally derive them from the underlying physics. Normally it starts from the output of a semiconductor process simulation.
Введение
На рисунке справа представлен упрощенный концептуальный обзор "большой картины". На этом рисунке показаны две стадии инвертора и полученный график времени входно-выходной напряженности цепи. С точки зрения цифровых систем ключевыми параметрами интереса являются: задержки времени, мощность переключения, утечка тока и перекрестная связь (crosstalk) с другими блоками. Уровни напряжения и скорость перехода также вызывают беспокойство. На рисунке также схематически показана важность иона по сравнению с иофом, которая, в свою очередь, связана с приводом тока (и подвижностью) для устройства on и нескольких путей утечки для устройств off. На рисунке не показаны емкости, как внутренние, так и паразитические, которые влияют на динамическую производительность. Увеличение мощности, которое в настоящее время является основной движущей силой в отрасли, отражено в упрощенном уравнении, показанном на рисунке. Критическими параметрами являются емкость, питание и тактовая частота. Ключевые параметры, которые связывают поведение устройства с производительностью системы, включают пороговое напряжение, характеристики привода и подпороговые характеристики. Именно слияние проблем производительности системы с базовыми переменными технологии и устройства, которые приводят к продолжающимся законам масштабирования, которые мы теперь кодифицируем как закон Мура.
Моделирование устройств
В физике и моделировании устройств в интегральных схемах доминируют моделирование MOS и биполярных транзисторов. Однако другие устройства важны, такие как устройства памяти, которые имеют довольно разные требования к моделированию. Конечно, существуют также вопросы техники надежности, например, схемы и устройства защиты от электростатических разрядов (ESD), где субстрат и паразитарные устройства имеют решающее значение. Эти эффекты и моделирование не рассматриваются большинством программ моделирования устройств; заинтересованный читатель может обратиться к нескольким отличным монографиям в области моделирования ESD и I/O.
Физические модели против компактных
Моделирование устройств, основанное на физике, должно быть точным, но оно недостаточно быстрое для инструментов более высокого уровня, включая симуляторы схем, такие как SPICE. Поэтому в симуляторах цепей обычно используются более эмпирические модели (часто называемые компактными моделями), которые не моделируют непосредственно основную физику. Например, моделирование подвижности инверсионного слоя или моделирование подвижности и ее зависимости от физических параметров, окружающих и эксплуатационных условий является важной темой как для физических моделей TCAD (технология компьютерного проектирования), так и для компактных моделей на уровне цепей. Однако он не точно смоделирован по первым принципам, и поэтому прибегают к адаптации экспериментальных данных. Для моделирования мобильности на физическом уровне электрическими переменными являются различные механизмы рассеивания, плотность носителей, а также локальные потенциалы и поля, включая их технологию и зависимости от окружающей среды. Напротив, на уровне цепи модели параметризируют эффекты с точки зрения конечных напряжений и эмпирических параметров рассеяния. Эти два представления можно сравнить, но во многих случаях неясно, как экспериментальные данные следует интерпретировать с точки зрения более микроскопического поведения.
История
Эволюция технологии компьютерного проектирования (TCAD) - синергетического сочетания процессов, устройств и средств моделирования и моделирования схем - берет свое начало в биполярной технологии, начиная с конца 1960-х годов, и в проблемах 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. В этих ранних поколениях ИС изменчивость процесса и параметрическая отдача 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 этой статье представлен краткий обзор этого периода, вплоть до середины 1980-х годов; с точки зрения того, как инструменты TCAD использовались в процессе проектирования, см.