La simulación de procesos de semiconductores es el modelado de la fabricación de dispositivos semiconductores como transistores . Es una rama de la automatización del diseño electrónico y parte de un subcampo conocido como tecnología CAD o TCAD.
El objetivo final de la simulación de procesos es una predicción precisa de la distribución de dopantes activos , la distribución de esfuerzos y la geometría del dispositivo. La simulación de procesos se utiliza normalmente como entrada para la simulación de dispositivos, el modelado de las características eléctricas de los dispositivos. La simulación colectiva de procesos y dispositivos forman las herramientas centrales para la fase de diseño conocida como TCAD o Technology Computer Aided Design. Considerando el proceso de diseño de circuitos integrados como una serie de pasos con niveles decrecientes de abstracción, la síntesis lógica estaría en el nivel más alto y TCAD, siendo el más cercano a la fabricación, sería la fase con la menor cantidad de abstracción. Debido al modelado físico detallado involucrado, la simulación de procesos se utiliza casi exclusivamente para ayudar en el desarrollo de dispositivos individuales, ya sean discretos o como parte de un circuito integrado .
La fabricación de dispositivos de circuito integrado requiere una serie de pasos de procesamiento denominados flujo de proceso. La simulación de procesos implica modelar todos los pasos esenciales en el flujo del proceso para obtener perfiles de dopantes y tensiones y, en menor medida, la geometría del dispositivo. La entrada para la simulación del proceso es el flujo del proceso y un diseño. El diseño se selecciona como un corte lineal en un diseño completo para una simulación 2D o un corte rectangular del diseño para una simulación 3D.
Tradicionalmente, TCAD se ha centrado principalmente en la parte de fabricación de transistores del flujo de proceso que termina con la formación de los contactos de fuente y drenaje, también conocida como fabricación de línea frontal. No se tiene en cuenta la fabricación de la parte posterior de la línea, por ejemplo, capas de interconexión y dieléctricas. Una razón para la delineación es la disponibilidad de poderosas herramientas de análisis como técnicas de microscopía electrónica, microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM), que permiten una medición precisa de la geometría del dispositivo. No existen herramientas similares disponibles para la medición precisa de alta resolución de dopantes o perfiles de tensión. No obstante, existe un interés creciente por investigar la interacción entre los pasos de fabricación de front-end y back-end. Por ejemplo, la fabricación del extremo posterior puede causar tensión en la región del transistor que cambia el rendimiento del dispositivo. Estas interacciones estimularán la necesidad de mejores interfaces para las herramientas de simulación de back-end o conducirán a la integración de algunas de esas capacidades en las herramientas TCAD.
Además del alcance en expansión reciente de la simulación de procesos, siempre ha existido el deseo de tener simulaciones más precisas. Sin embargo, los modelos físicos simplificados se han utilizado con mayor frecuencia para minimizar el tiempo de cálculo. Sin embargo, la reducción de las dimensiones de los dispositivos exige cada vez más la precisión de los perfiles de dopantes y tensiones, por lo que se agregan nuevos modelos de proceso para cada generación de dispositivos para satisfacer las nuevas demandas de precisión. Muchos de los modelos fueron concebidos por investigadores mucho antes de que fueran necesarios, pero a veces los nuevos efectos solo se reconocen y comprenden una vez que los ingenieros de procesos descubren un problema y se realizan experimentos. En cualquier caso, la tendencia de agregar más modelos físicos y considerar efectos físicos más detallados continuará y puede acelerarse.
Historia
La historia de los simuladores de procesos comerciales comenzó con el desarrollo del programa de modelado de procesos de la Universidad de Stanford. Sobre la base de este comienzo, se desarrollaron los modelos mejorados SUPREM II y SUPREM III. Technology Modeling Associates, Inc. (TMA), que se formó en 1979, fue la primera empresa en comercializar SUPREM III. Posteriormente Silvaco también comercializó SUPREM y denominó el producto ATHENA. TMA comercializó SUPREM-IV (versión 2D) y lo llamó TSUPREM4. En 1992, Integrated Systems Engineering (ISE) presentó el simulador de procesos 1D TESIM y el simulador de procesos 2D DIOS. Aproximadamente al mismo tiempo, el desarrollo de un nuevo proceso 3D y un simulador de dispositivos comenzó en TMA y después de que Avanti adquiriera TMA , el producto se lanzó en 1998 como Taurus. Alrededor de 1994 se completó una primera versión del Florida Object Oriented Process Simulator (FLOOPS). Posteriormente, FLOOPS fue comercializado por ISE en 2002. Otro simulador de procesos, PROPHET, se creó alrededor de 1994 en los laboratorios Bell que luego se convirtió en Agere, pero no se ha vendido comercialmente. En 2002, Synopsys adquirió Avant !, corp. y en 2004 Synopsys adquirió ISE. Synopsys combinó las características de Taurus y TSUPREM4, en la plataforma FLOOPS y lo llamó Proceso Sentaurus. Los productos actuales de Silvaco son Victory Process y Victory Device para simulación 2D / 3D, y los productos heredados Athena para simulación de procesos 2D y Atlas para simulación de dispositivos 2D. [1] En 2013, Coventor lanzó SEMulator3D , un simulador de proceso avanzado basado en el modelado de voxel y la evolución de la superficie [2] . Además de estos simuladores, existen otros numerosos simuladores universitarios y comerciales como PROMIS, PREDICT, PROSIM, ICECREM, DADOS, TITAN, MicroTec, DOPDEES, ALAMODE.
Métodos de simulación de procesos
Los pasos del proceso asociados con mayor frecuencia con la simulación del proceso son la implantación de iones , el recocido ( activación por difusión y dopante ), el grabado , la deposición, la oxidación y la epitaxia . Otros pasos comunes incluyen planarización químico-mecánica (CMP), silicidación y reflujo.
Todos los simuladores de procesos comerciales utilizan una combinación de métodos de análisis de elementos finitos (FE) y / o métodos de volumen finito (FV). Una descripción completa del método FE / FV está fuera del alcance de este artículo, pero hay muchos libros excelentes que describen el tema a fondo. Sin embargo, es importante discutir los requisitos para la simulación de procesos para lograr resultados precisos. Estos requisitos se basan en los mismos requisitos que los genéricos para las técnicas FE / FV con una dificultad adicional que proviene de los cambios en la geometría durante la fabricación simulada del dispositivo. La simulación de procesos utiliza una malla FE / FV para calcular y almacenar los perfiles de dopantes y tensiones. Cada cambio geométrico en el dominio de la simulación requiere una nueva malla que se ajuste a los nuevos límites. Como se describirá a continuación, la gran cantidad de pasos de modificación de geometría involucrados y la naturaleza de la simulación del proceso, donde cada paso depende de los resultados acumulativos de todos los pasos anteriores, hacen que la simulación de procesos sea una aplicación especialmente desafiante de la técnica FE / FV.
Uno de los resultados más importantes de la simulación de procesos es el perfil dopante después del procesamiento. La precisión del perfil depende en gran medida de mantener una densidad adecuada de puntos de malla en cualquier momento durante la simulación. La densidad de puntos debería ser suficiente para resolver todos los perfiles de dopantes y defectos, pero no más porque el gasto de cálculo de resolver las ecuaciones de difusión aumenta con el número de puntos de malla. Una simulación típica de proceso CMOS de flujo completo puede tener más de 50 cambios de malla y el número de cambios de malla puede aumentar drásticamente si se realiza una malla adaptativa. Para cada cambio de malla, se utiliza la interpolación para obtener valores de datos en la nueva malla. Es importante administrar los cambios de malla de tal manera que se evite la degradación de la precisión debido a un error de interpolación. La forma más sencilla de hacer esto es mantener siempre los puntos una vez que se introducen en la malla, pero esto tiene el inconveniente de producir muchos puntos de malla que pueden ser computacionalmente costosos. Mantener un equilibrio entre el error de interpolación, el gasto computacional y la minimización de la entrada requerida del usuario es importante para obtener resultados precisos con un gasto computacional mínimo. Esto es especialmente cierto cuando se simulan dispositivos en 3D. Sin una colocación cuidadosa de la malla, la precisión se verá afectada de manera inaceptable o el gasto de cálculo será demasiado grande para ser útil. Hasta ahora, las herramientas de simulación de procesos han tenido un éxito limitado en la automatización completa de la adaptación de la malla, de modo que no se requiere la intervención del usuario. Esto impone al usuario el requisito de comprender el mallado y cómo afecta la precisión de la simulación y el tiempo de ejecución, y la carga para el usuario de realizar un seguimiento de los cambios de malla durante la simulación para garantizar que se mantenga la malla adecuada.
Uno de los usos más importantes de las herramientas TCAD es explorar nueva tecnología de dispositivos donde se realizan muchas simulaciones exploratorias para brindar al diseñador de dispositivos una mejor comprensión de los posibles beneficios y los inconvenientes de una tecnología determinada. Este caso de uso exige simulaciones secuenciales con algún análisis intermedio. Para que sean útiles, muchos ciclos de simulación deben ejecutarse dentro del tiempo asignado para la exploración, dando alta prioridad a la minimización del tiempo de ejecución de la simulación. Actualmente, las simulaciones CMOS estándar de flujo completo se logran con mayor frecuencia con una combinación de simulación 1D y 2D y toman menos de unas pocas horas en un Pentium 4 de 2.6 GHz. Para realizar estas simulaciones en 3D (desde la formación de la compuerta) se necesitaría un mínimo de 24 horas para una simulación de precisión mínima. La mayor parte de la información deseada de las simulaciones TCAD se puede extraer de la simplificación de que el dispositivo se puede tratar uniformemente en profundidad (es decir, una simulación 2D). Para incluir la forma del dispositivo de efectos a lo largo de la profundidad o para investigar el sombreado del implante, se deben realizar simulaciones 3D.
Referencias
- ^ "Productos TCAD" . Silvaco.com . Consultado el 30 de agosto de 2019 .
- ^ Fangaria, Pawan. "SEMulator3D - Una plataforma virtual fabulosa" . Semiwiki . Consultado el 2 de julio de 2021 .
- Manual de automatización de diseño electrónico para circuitos integrados , por Lavagno, Martin y Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3 Un estudio del campo de la automatización del diseño electrónico . Este resumen se obtuvo (con autorización) del Vol II, Capítulo 24, Simulación de procesos , de Mark Johnson.
- Un laboratorio TCAD : ensamblaje de herramientas TCAD que permite simulaciones de circuitos, dispositivos y procesos
- Laboratorio de procesos: Simulador de procesos basado en Oxidación PROPHET
- Laboratorio de procesos: Difusión dependiente de la concentración Simula tanto la difusión estándar como la difusión dependiente de la concentración (simulador de proceso basado en PROPHET)
- Laboratorio de procesos: Difusión acoplada a defectos Simula la difusión de dopantes junto con defectos puntuales (basado en PROPHET)
- PROPHET PROPHET es un programa de computadora para la solución de conjuntos de ecuaciones diferenciales parciales en una, dos o tres dimensiones espaciales. Todos los coeficientes del modelo y los parámetros del material están contenidos en una biblioteca de base de datos que el usuario puede modificar o agregar. Incluso las ecuaciones a resolver pueden ser especificadas por el usuario final. PROFET fue desarrollado originalmente para la simulación de procesos de semiconductores. Las capacidades de simulación de dispositivos también existen ahora.
- Herramientas TCAD de la Universidad de Stanford Versión no comercial que incluye código fuente Unix para SUPREM 3 y 4.