stringtranslate.com

Моделирование полупроводниковых приборов

Иерархия технологических инструментов САПР, построенных от уровня процесса до схем. Иконки слева показывают типичные проблемы производства; иконки справа отражают результаты масштабирования МОП на основе TCAD. Кредит: проф. Роберт Даттон в CRC Electronic Design Automation for IC Handbook, том II, глава 25, с разрешения.

Моделирование полупроводниковых устройств создает модели поведения электрических устройств на основе фундаментальной физики, например, профилей легирования устройств. Оно также может включать создание компактных моделей (например, хорошо известных моделей транзисторов SPICE ), которые пытаются охватить электрическое поведение таких устройств, но обычно не выводят их из базовой физики. Обычно оно начинается с вывода моделирования полупроводникового процесса .

Введение

Схема двух каскадов КМОП-инвертора, показывающая графики входного и выходного напряжения во времени. I on и I off (вместе с компонентами I DG , I SD и I DB ) указывают на технологически контролируемые факторы. Кредит: проф. Роберт Даттон в CRC Electronic Design Automation for IC Handbook , том II, глава 25, с разрешения.

Рисунок справа дает упрощенный концептуальный вид "большой картины". На этом рисунке показаны два инверторных каскада и результирующий график входного-выходного напряжения-времени схемы. С точки зрения цифровых систем ключевыми интересующими параметрами являются: задержки синхронизации, мощность переключения, ток утечки и перекрестные связи ( перекрестные помехи ) с другими блоками. Уровни напряжения и скорость перехода также представляют интерес.

Рисунок также схематически показывает важность I on по сравнению с I off , что в свою очередь связано с током возбуждения (и подвижностью) для «включенного» устройства и несколькими путями утечки для «выключенных» устройств. На рисунке явно не показаны емкости — как собственные, так и паразитные, — которые влияют на динамические характеристики.

Масштабирование мощности, которое в настоящее время является основной движущей силой в отрасли, отражено в упрощенном уравнении, показанном на рисунке: критическими параметрами являются емкость, источник питания и тактовая частота. Ключевые параметры, которые связывают поведение устройства с производительностью системы, включают пороговое напряжение , ток возбуждения и подпороговые характеристики.

Именно сочетание проблем производительности системы с базовыми переменными технологии и конструкции устройства приводит к постоянным законам масштабирования, которые мы теперь называем законом Мура .

Моделирование устройств

В физике и моделировании устройств в интегральных схемах доминирует моделирование МОП и биполярных транзисторов. Однако важны и другие устройства, такие как запоминающие устройства, у которых довольно разные требования к моделированию. Конечно, существуют также вопросы надежности техники — например, схемы и устройства защиты от электростатического разряда (ESD), — где подложка и паразитные устройства имеют решающее значение. Эти эффекты и моделирование не рассматриваются большинством программ моделирования устройств; заинтересованный читатель может обратиться к нескольким превосходным монографиям в области моделирования ESD и ввода-вывода. [1] [2] [3]

Физически обоснованные и компактные модели

Пример моделирования МОП-транзистора на основе физики. Цветные контуры указывают на локальную плотность состояний с пространственным разрешением . Смещение затвора изменяется в нанопроволочном МОП-транзисторе при смещении стока Vd=0,6 В. Обратите внимание на ограниченные уровни энергии, поскольку они движутся со смещением затвора.

Моделирование устройств на основе физики должно быть точным, но оно недостаточно быстрое для инструментов более высокого уровня, включая симуляторы цепей , такие как SPICE . Поэтому симуляторы цепей обычно используют более эмпирические модели (часто называемые компактными моделями), которые напрямую не моделируют базовую физику. Например, моделирование подвижности на инверсионном слое или моделирование подвижности и ее зависимости от физических параметров, условий окружающей среды и эксплуатации является важной темой как для физических моделей TCAD (технология автоматизированного проектирования), так и для компактных моделей на уровне цепей. Однако оно не точно моделируется из первых принципов, и поэтому прибегают к подгонке экспериментальных данных. Для моделирования подвижности на физическом уровне электрическими переменными являются различные механизмы рассеяния, плотности носителей, а также локальные потенциалы и поля, включая их технологические и окружающие зависимости.

Напротив, на уровне схемы модели параметризуют эффекты в терминах напряжений на клеммах и эмпирических параметров рассеяния. Эти два представления можно сравнивать, но во многих случаях неясно, как следует интерпретировать экспериментальные данные в терминах более микроскопического поведения.

История

Эволюция технологии автоматизированного проектирования (TCAD) — синергетического сочетания инструментов моделирования и моделирования процессов, устройств и схем — берет свое начало в биполярной технологии, начавшейся в конце 1960-х годов, и проблемах транзисторов с изолированным переходом, двойным и тройным диффузионным переходом . Эти устройства и технологии были основой первых интегральных схем; тем не менее, многие проблемы масштабирования и лежащие в их основе физические эффекты являются неотъемлемой частью проектирования ИС , даже после четырех десятилетий разработки ИС. С этими ранними поколениями ИС изменчивость процесса и параметрический выход были проблемой — тема, которая снова появится как контролирующий фактор в будущей технологии ИС.

Вопросы управления процессами — как для внутренних устройств, так и для всех связанных паразитных элементов — представляли собой серьезные проблемы и требовали разработки ряда передовых физических моделей для моделирования процессов и устройств. Начиная с конца 1960-х и до 1970-х годов, используемые подходы к моделированию в основном представляли собой одно- и двумерные симуляторы. В то время как TCAD в этих ранних поколениях демонстрировали захватывающие перспективы в решении проблем биполярной технологии, ориентированных на физику, превосходная масштабируемость и энергопотребление технологии MOS произвели революцию в индустрии ИС. К середине 1980-х годов КМОП стала доминирующим драйвером для интегрированной электроники. Тем не менее, эти ранние разработки TCAD [4] [5] подготовили почву для их роста и широкого развертывания в качестве необходимого набора инструментов, который использовал развитие технологий в эпоху VLSI и ULSI, которые сейчас являются мейнстримом.

Разработка ИС на протяжении более четверти века доминировала на основе технологии МОП. В 1970-х и 1980-х годах предпочтение отдавалось технологии NMOS из-за преимуществ в скорости и площади в сочетании с технологическими ограничениями и проблемами, связанными с изоляцией, паразитными эффектами и сложностью процесса. В ту эпоху доминирования NMOS в LSI и появления VLSI были систематизированы и широко применялись фундаментальные законы масштабирования технологии МОП. [6] Также в этот период TCAD достигла зрелости с точки зрения реализации надежного моделирования процессов (в первую очередь одномерного), которое затем стало неотъемлемым инструментом проектирования технологий, повсеместно используемым в отрасли. [7] В то же время моделирование устройств, преимущественно двумерное из-за природы устройств МОП, стало рабочей лошадкой технологов при проектировании и масштабировании устройств. [8] [9] Переход от технологии NMOS к технологии КМОП привел к необходимости тесно связанных и полностью двумерных симуляторов для моделирования процессов и устройств. Это третье поколение инструментов TCAD стало критически важным для решения всей сложности технологии двухъядерных КМОП-структур (см. Рисунок 3а), включая вопросы правил проектирования и паразитных эффектов, таких как защелкивание . [10] [11] Краткая перспектива этого периода, до середины 1980-х годов, представлена ​​в; [12] а с точки зрения того, как инструменты TCAD использовались в процессе проектирования, см. [13].

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ C. Duvvury и A. Amerasekera, ESD: всеобъемлющая проблема надежности технологий IC, Proc. IEEE, т. 81, стр. 690–702, 1993.
  2. ^ А. Амерасекера и К. Дуввури, ESD в кремниевых интегральных схемах, второе издание, Нью-Йорк, John Wiley & Sons, 2002. ISBN  0-471-49871-8
  3. ^ S. Dabral и TJ Maloney, Basic ESD and I/O design, Нью-Йорк, John Wiley & Sons, 1998. ISBN 0-471-25359-6 
  4. ^ HJ DeMan и R. Mertens, SITCAP — Симулятор биполярных транзисторов для программ компьютерного анализа цепей [ нерабочая ссылка ] , Международная конференция по твердотельным схемам (ISSCC), Технический сборник, стр. 104–5, февраль 1973 г.
  5. ^ RW Dutton и DA Antoniadis, Моделирование процессов для проектирования и управления устройствами [ нерабочая ссылка ] , Международная конференция по твердотельным схемам (ISSCC), Технический сборник, стр. 244–245, февраль 1979 г.
  6. ^ RH Dennard, FH Gaensslen, HN Yu, VL Rodeout, E. Bassous и AR LeBlanc, Разработка ионно-имплантированных МОП-транзисторов с очень малыми физическими размерами, IEEE Jour. Solid-State Circuits, т. SC-9, стр. 256–268, октябрь 1974 г.
  7. ^ Р. В. Даттон и С. Э. Хансен, Моделирование процессов в технологии интегральных схем, Труды IEEE, т. 69, № 10, стр. 1305–1320, октябрь 1981 г.
  8. ^ PE Cottrell и EM Buturla, «Двумерное статическое и переходное моделирование транспорта мобильных носителей в полупроводнике», Труды NASECODE I (Численный анализ полупроводниковых приборов), стр. 31–64, Boole Press, 1979.
  9. ^ S. Selberherr , W. Fichtner и HW Potzl, «Minimos – программный пакет для упрощения проектирования и анализа МОП-устройств», Труды NASECODE I (Численный анализ полупроводниковых приборов), стр. 275–79, Boole Press, 1979.
  10. ^ CS Rafferty, MR Pinto и RW Dutton, Итерационные методы в моделировании полупроводниковых приборов, IEEE Trans. Elec. Dev., т. ED-32, № 10, стр. 2018–2027, октябрь 1985 г.
  11. ↑ MR Pinto и RW Dutton, Точный анализ условий срабатывания триггера для защелкивающихся КМОП-схем, IEEE Electron Device Letters , т. EDL-6, № 2, февраль 1985 г.
  12. ^ Р. В. Даттон, Моделирование и имитация для СБИС, Международная конференция по электронным приборам (IEDM), Технический сборник, стр. 2–7, декабрь 1986 г.
  13. ^ К. М. Чам, С.-Й. О, Д. Чин и Дж. Л. Молл, Автоматизированное проектирование и разработка устройств СБИС, Kluwer Academic Publishers (KAP), 1986. ISBN 0-89838-204-1