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.

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.