Технология компьютерного проектирования ( технология CAD или TCAD ) — это отрасль автоматизации электронного проектирования (EDA), которая моделирует производство полупроводников и работу полупроводниковых устройств. Моделирование изготовления называется процессом TCAD , а моделирование работы устройства называется TCAD устройства . Включено моделирование этапов процесса (таких как диффузия и ионная имплантация ), а также моделирование поведения электрических устройств на основе фундаментальной физики, [2] [3], например, профили легирования устройств. TCAD может также включать создание «компактных моделей» (таких как хорошо известные модели транзисторов SPICE ), которые пытаются отразить электрическое поведение таких устройств, но обычно не выводят их из базовой физики. Сам симулятор SPICE обычно рассматривается как часть EDA, а не TCAD.
Технологические файлы и правила проектирования являются важными строительными блоками процесса проектирования интегральных схем . Их точность и надежность по отношению к технологическому процессу, его изменчивость и условия эксплуатации ИС — экологические, паразитные взаимодействия и испытания, включая неблагоприятные условия, такие как электростатический разряд, — имеют решающее значение для определения производительности, производительности и надежности. Разработка этих файлов правил технологии и проектирования представляет собой итеративный процесс, который выходит за рамки разработки технологий и устройств, проектирования продукции и обеспечения качества. Моделирование и симуляция играют решающую роль в поддержке многих аспектов этого процесса эволюции.
Цели TCAD начинаются с физического описания устройств на интегральных схемах с учетом как физической конфигурации, так и связанных с ними свойств устройств, а также построения связей между широким спектром моделей физического и электрического поведения, которые поддерживают проектирование схем. Физическое моделирование устройств в распределенной и сосредоточенной формах является важной частью разработки процессов ИС. Он направлен на количественную оценку основного понимания технологии и абстрагирование этих знаний на уровень проектирования устройств, включая извлечение ключевых параметров [4] , которые поддерживают проектирование схем и статистическую метрологию.
Хотя акцент здесь делается на металлооксидно-полупроводниковых (МОП) транзисторах — рабочей лошадке индустрии интегральных схем — полезно кратко рассмотреть историю развития инструментов и методологии моделирования, которые подготовили почву для нынешнего состояния. искусство.
Эволюция технологии автоматизированного проектирования (TCAD) — синергетического сочетания инструментов моделирования и моделирования процессов, устройств и схем — берет свое начало в биполярной технологии, начиная с конца 1960-х годов, и в проблемах изолированного, двойного и тройного соединения. -диффузионные транзисторы. Эти устройства и технологии легли в основу 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. В этих первых поколениях ИС вариативность процесса и параметрическая производительность были проблемой — тема, которая снова станет контролирующим фактором в будущих технологиях ИС.
Проблемы управления процессами — как для внутренних устройств, так и для всех связанных с ними паразитных элементов — представляли собой огромные проблемы и потребовали разработки ряда передовых физических моделей для моделирования процессов и устройств. Начиная с конца 1960-х и до 1970-х годов в качестве подходов к моделированию использовались преимущественно одномерные и двумерные симуляторы. В то время как TCAD в этих первых поколениях показал многообещающие перспективы в решении физических задач биполярной технологии, превосходная масштабируемость и энергопотребление технологии МОП произвели революцию в индустрии интегральных схем. К середине 1980-х годов КМОП стала доминирующей движущей силой интегрированной электроники. Тем не менее, эти ранние разработки TCAD [5] [6] подготовили почву для их роста и широкого внедрения в качестве важного набора инструментов, который способствовал развитию технологий в эпоху VLSI и ULSI, которые сейчас являются основным направлением.
В разработке ИС на протяжении более четверти века доминировала технология МОП. В 1970-х и 1980-х годах предпочтение отдавалось NMOS из-за преимуществ в скорости и площади, а также из-за технологических ограничений и проблем, связанных с изоляцией, паразитными эффектами и сложностью процесса. В эпоху доминирования NMOS-LSI и появления VLSI фундаментальные законы масштабирования MOS-технологии были систематизированы и широко применялись. [7] Именно в этот период TCAD достигла зрелости с точки зрения реализации надежного моделирования процессов (в основном одномерного), которое затем стало неотъемлемым инструментом технологического проектирования, повсеместно используемым в отрасли. [8] В то же время моделирование устройств, преимущественно двумерное из-за природы МОП-устройств, стало рабочей лошадкой технологов при проектировании и масштабировании устройств. [9] Переход от технологии NMOS к технологии CMOS 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 двухъянной КМОП (см. Рисунок 3а), включая проблемы правил проектирования и паразитных эффектов, таких как защелка . [10] [11] Дается сокращенный, но перспективный обзор этого периода до середины 1980-х годов; [12] и с точки зрения того, как инструменты TCAD использовались в процессе проектирования. [13]
Сегодня требования к TCAD и его использованию затрагивают очень широкий спектр вопросов автоматизации проектирования, включая множество фундаментальных физических ограничений. В основе по-прежнему лежит множество задач моделирования процессов и устройств, которые поддерживают внутреннее масштабирование устройств и паразитное извлечение. Эти приложения включают разработку технологий и правил проектирования, извлечение компактных моделей и, в более общем смысле, проектирование с учетом технологичности (DFM). [14] Преобладание межсоединений для гигамасштабной интеграции (количество транзисторов в О (миллиардах)) и тактовая частота в О (10 гигагерц)) потребовало разработки инструментов и методологий, которые охватывают формирование паттернов с помощью электромагнитного моделирования — как для оптические схемы и моделирование характеристик электронных и оптических межсоединений, а также моделирование на уровне схемы. Этот широкий спектр проблем на уровне устройств и межсоединений, включая связи с базовыми технологиями формирования паттернов и обработки, обобщен на рисунке 1 и обеспечивает концептуальную основу для последующего обсуждения.
На рисунке 1 изображена иерархия уровней процессов, устройств и схем инструментов моделирования. На каждой стороне полей, обозначающих уровень моделирования, расположены значки, схематически изображающие типичные приложения для TCAD. В левой части особое внимание уделяется вопросам проектирования для производства (DFM), таким как: изоляция неглубоких траншей (STI), дополнительные функции, необходимые для маскировки фазового сдвига (PSM), и проблемы многоуровневых межсоединений, которые включают проблемы обработки химико-механических соединений. планаризация (CMP) и необходимость учета электромагнитных эффектов с использованием решателей электромагнитного поля . Правые значки показывают более традиционную иерархию ожидаемых результатов и приложений TCAD: полное моделирование процессов внутренних устройств, прогнозирование масштабирования тока привода и извлечение технологических файлов для полного набора устройств и паразитных устройств.
На рис. 2 снова рассматриваются возможности TCAD, но на этот раз больше в контексте информации о потоке проектирования и того, как это связано с физическими уровнями и моделированием в мире автоматизации электронного проектирования (EDA). Здесь уровни моделирования процессов и устройств рассматриваются как неотъемлемые возможности (в рамках TCAD), которые вместе обеспечивают «сопоставление» информации уровня маски с функциональными возможностями, необходимыми на уровне EDA, такими как компактные модели («технологические файлы») и даже поведенческие модели более высокого уровня. Также показано извлечение и проверка электрических правил (ERC); это указывает на то, что многие детали, которые на сегодняшний день были встроены в аналитические формулировки, на самом деле могут также быть связаны с более глубоким уровнем TCAD, чтобы поддерживать растущую сложность масштабирования технологий.
TCAD обычно интегрируется с процессом проектирования интегральных схем и включает в себя следующие инструменты:
В настоящее время основными поставщиками инструментов TCAD являются Delphea, Synopsys , Silvaco , Crosslight Software , Cogenda Software и Global TCAD Solutions. GSS с открытым исходным кодом, [15] Archimedes, [16] Aeneas, [17] NanoTCAD ViDES, DEVSIM, [18] GMPT и GENIUS обладают некоторыми возможностями коммерческих продуктов.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: другие ( ссылка )