La tecnología del diseño asistido por computadora ( tecnología CAD o TCAD ) es una rama de la automatización del diseño electrónico que modela la fabricación de semiconductores y la operación de dispositivos semiconductores. El modelado de la fabricación se denomina Proceso TCAD, mientras que el modelado del funcionamiento del dispositivo se denomina Dispositivo TCAD. Se incluyen el modelado de los pasos del proceso (como la difusión y la implantación de iones ) y el modelado del comportamiento de los dispositivos eléctricos basados en la física fundamental, como los perfiles de dopaje de los dispositivos. TCAD también puede incluir la creación de modelos compactos (como el conocido Modelos de transistores SPICE ), que intentan capturar el comportamiento eléctrico de tales dispositivos, pero generalmente no los derivan de la física subyacente. (Sin embargo, el simulador SPICE en sí mismo generalmente se considera parte de ECAD en lugar de TCAD).
Del diagrama de la derecha:
- Consulte SPICE para ver un ejemplo de un simulador de circuito.
- Consulte el modelado de dispositivos semiconductores para obtener una descripción de los dispositivos de modelado a partir de perfiles dopantes .
- Consulte la simulación del proceso de semiconductores para la generación de estos perfiles.
- Consulte BACPAC para obtener una herramienta de análisis que intenta tener en cuenta todo esto para estimar el rendimiento del sistema.
Introducción
Los archivos de tecnología y las reglas de diseño son bloques de construcción esenciales del proceso de diseño de circuitos integrados . Su precisión y robustez sobre la tecnología de procesos, su variabilidad y las condiciones operativas del CI - ambientales, interacciones parasitarias y pruebas, incluidas condiciones adversas como descargas electrostáticas - son críticas para determinar el rendimiento, el rendimiento y la confiabilidad. El desarrollo de estos archivos de reglas de tecnología y diseño implica un proceso iterativo que cruza los límites del desarrollo de dispositivos y tecnología, el diseño de productos y la garantía de calidad. El modelado y la simulación juegan un papel fundamental en el apoyo de muchos aspectos de este proceso de evolución.
Los objetivos de TCAD comienzan con la descripción física de los dispositivos de circuitos integrados, considerando tanto la configuración física como las propiedades relacionadas del dispositivo, y construyen los vínculos entre la amplia gama de modelos de comportamiento físico y eléctrico que respaldan el diseño de circuitos. El modelado de dispositivos basado en la física, en formas distribuidas y agrupadas, es una parte esencial del desarrollo del proceso de CI. Busca cuantificar la comprensión subyacente de la tecnología y abstraer ese conocimiento al nivel de diseño del dispositivo, incluida la extracción de los parámetros clave que respaldan el diseño de circuitos y la metrología estadística.
Aunque el énfasis aquí está en los transistores de semiconductores de óxido metálico (MOS), el caballo de batalla de la industria de los circuitos integrados, es útil hacer una breve descripción general de la historia de desarrollo de las herramientas y la metodología de modelado que han preparado el escenario para el estado actual de la tecnología. Arte.
Historia
La evolución de la tecnología de diseño asistido por computadora (TCAD), la combinación sinérgica de procesos, dispositivos y herramientas de simulación y modelado de circuitos, tiene sus raíces en la tecnología bipolar , que comienza a fines de la década de 1960, y los desafíos de la unión aislada, doble y triple. -transistores difusos. Estos dispositivos y tecnología fueron la base de los primeros circuitos integrados; No obstante, muchos de los problemas de escala y los efectos físicos subyacentes son parte integral del diseño de IC, incluso después de cuatro décadas de desarrollo de IC. Con estas primeras generaciones de CI, la variabilidad del proceso y el rendimiento paramétrico fueron un problema, un tema que resurgirá como un factor de control en la futura tecnología de CI.
Los problemas de control de procesos, tanto para los dispositivos intrínsecos como para todos los parásitos asociados, presentaban desafíos formidables y exigían el desarrollo de una gama de modelos físicos avanzados para la simulación de procesos y dispositivos. A partir de finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, los enfoques de modelado explotados fueron predominantemente simuladores unidimensionales y bidimensionales. Si bien TCAD en estas primeras generaciones mostró una promesa emocionante para abordar los desafíos orientados a la física de la tecnología bipolar, la escalabilidad superior y el consumo de energía de la tecnología MOS revolucionaron la industria de los circuitos integrados. A mediados de la década de 1980, CMOS se convirtió en el impulsor dominante de la electrónica integrada. No obstante, estos primeros desarrollos de TCAD [1] [2] sentaron las bases para su crecimiento y amplia implementación como un conjunto de herramientas esenciales que ha aprovechado el desarrollo de tecnología a través de las eras VLSI y ULSI que ahora son la corriente principal.
El desarrollo de IC durante más de un cuarto de siglo ha estado dominado por la tecnología MOS. En las décadas de 1970 y 1980, se favoreció el NMOS debido a las ventajas de velocidad y área, junto con las limitaciones tecnológicas y preocupaciones relacionadas con el aislamiento, los efectos parasitarios y la complejidad del proceso. Durante esa era de LSI dominada por NMOS y el surgimiento de VLSI, las leyes fundamentales de escalamiento de la tecnología MOS fueron codificadas y aplicadas ampliamente. [3] También fue durante este período que TCAD alcanzó la madurez en términos de realizar un modelado de procesos robusto (principalmente unidimensional) que luego se convirtió en una herramienta de diseño de tecnología integral, utilizada universalmente en toda la industria. [4] Al mismo tiempo, la simulación de dispositivos, predominantemente bidimensional debido a la naturaleza de los dispositivos MOS, se convirtió en el caballo de batalla de los tecnólogos en el diseño y escalado de dispositivos. [5] La transición de la tecnología NMOS a la CMOS dio como resultado la necesidad de simuladores totalmente acoplados y en 2D para las simulaciones de procesos y dispositivos. Esta tercera generación de herramientas TCAD se volvió fundamental para abordar toda la complejidad de la tecnología CMOS de pozos gemelos (consulte la Figura 3a), incluidos los problemas de las reglas de diseño y los efectos parásitos como el latchup . [6] [7] Se da una visión abreviada pero prospectiva de este período, hasta mediados de la década de 1980; [8] y desde el punto de vista de cómo se utilizaron las herramientas TCAD en el proceso de diseño. [9]
TCAD moderno
En la actualidad, los requisitos y el uso de TCAD abarcan un panorama muy amplio de problemas de automatización del diseño, incluidos muchos límites físicos fundamentales. En el núcleo todavía hay una serie de desafíos de modelado de procesos y dispositivos que admiten el escalado intrínseco del dispositivo y la extracción de parásitos. Estas aplicaciones incluyen tecnología y desarrollo de reglas de diseño, extracción de modelos compactos y, de manera más general, diseño para fabricabilidad (DFM). [10] El predominio de las interconexiones para la integración a escala giga (recuentos de transistores en O (mil millones)) y las frecuencias de reloj en O (10 gigahercios)) han exigido el desarrollo de herramientas y metodologías que adopten patrones mediante simulaciones electromagnéticas, tanto para modelos ópticos y modelos de rendimiento de interconexiones electrónicas y ópticas, así como modelos a nivel de circuito. Esta amplia gama de problemas a nivel de dispositivos e interconexiones, incluidos los enlaces a las tecnologías de procesamiento y patrones subyacentes, se resume en la Figura 1 y proporciona un marco conceptual para la discusión que sigue.
La Figura 1 muestra una jerarquía de niveles de proceso, dispositivo y circuito de herramientas de simulación. A cada lado de los recuadros que indican el nivel de modelado hay iconos que representan esquemáticamente aplicaciones representativas de TCAD. El lado izquierdo enfatiza cuestiones de diseño para fabricación (DFM) tales como: aislamiento de zanja poco profunda (STI), características adicionales requeridas para el enmascaramiento de cambio de fase (PSM) y desafíos para interconexiones multinivel que incluyen problemas de procesamiento de procesos químico-mecánicos. planarización (CMP), y la necesidad de considerar los efectos electromagnéticos utilizando solucionadores de campos electromagnéticos . Los íconos del lado derecho muestran la jerarquía más tradicional de los resultados y aplicaciones esperados de TCAD: simulaciones de proceso completas de los dispositivos intrínsecos, predicciones del escalado de la corriente de impulsión y extracción de archivos de tecnología para el conjunto completo de dispositivos y parásitos.
La Figura 2 nuevamente analiza las capacidades de TCAD, pero esta vez más en el contexto de la información de flujo de diseño y cómo esto se relaciona con las capas físicas y el modelado del mundo de la automatización del diseño electrónico (EDA). Aquí, los niveles de simulación de modelado de procesos y dispositivos se consideran capacidades integrales (dentro de TCAD) que juntas proporcionan el "mapeo" de la información a nivel de máscara a las capacidades funcionales necesarias a nivel de EDA, como modelos compactos ("archivos de tecnología") y incluso modelos de comportamiento de alto nivel. También se muestra la extracción y verificación de reglas eléctricas (ERC); Esto indica que muchos de los detalles que hasta la fecha se han incorporado en las formulaciones analíticas, de hecho, también pueden estar vinculados al nivel más profundo de TCAD para respaldar la creciente complejidad del escalado tecnológico.
Proveedores
Los principales proveedores actuales de herramientas TCAD incluyen Synopsys , Silvaco , Crosslight , Cogenda Software , Global TCAD Solutions y Tiberlab. [11] El GSS de código abierto, [12] Archimedes, [13] Aeneas, [14] NanoTCAD ViDES, DEVSIM, [15] y GENIUS tienen algunas de las capacidades de los productos comerciales.
Referencias
- Manual de automatización de diseño electrónico para circuitos integrados , por Lavagno, Martin y Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3 Una encuesta sobre el campo de la automatización del diseño electrónico . Este resumen se derivó (con autorización) del Vol II, Capítulo 25, Modelado de dispositivos, desde la física hasta la extracción de parámetros eléctricos , por Robert W. Dutton, Chang-Hoon Choi y Edwin C. Kan.
- S. Selberherr , W. Fichtner y HW Potzl, "Minimos - Un paquete de programas para facilitar el diseño y análisis de dispositivos MOS", Proceedings NASECODE I (Análisis numérico de dispositivos semiconductores), págs. 275–79, Boole Press, 1979.
- ^ HJ DeMan y R. Mertens, SITCAP - Un simulador de transistores bipolares para programas de análisis de circuitos asistidos por computadora , Conferencia internacional de circuitos de estado sólido (ISSCC), Technical Digest, págs. 104-5, febrero de 1973
- ^ RW Dutton y DA Antoniadis, Simulación de procesos para el diseño y control de dispositivos , Conferencia internacional de circuitos de estado sólido (ISSCC), Technical Digest, págs. 244-245, febrero de 1979
- ^ RH Dennard, FH Gaensslen, HN Yu, VL Rodeout, E. Bassous y AR LeBlanc, Diseño de MOSFET implantados con iones con dimensiones físicas muy pequeñas , IEEE Jour. Circuitos de estado sólido, vol. SC-9, páginas 256-268, octubre de 1974.
- ^ RW Dutton y SE Hansen, Modelado de procesos de tecnología de dispositivos de circuito integrado , Proceeding IEEE, vol. 69, no. 10, págs. 1305-1320, octubre de 1981.
- ^ PE Cottrell y EM Buturla, "Simulación estática y transitoria bidimensional del transporte de portadora móvil en un semiconductor", Actas NASECODE I (Análisis numérico de dispositivos semiconductores), págs. 31-64, Boole Press, 1979.
- ^ CS Rafferty, MR Pinto y RW Dutton, Métodos iterativos en la simulación de dispositivos semiconductores , IEEE Trans. Elec. Dev., Vol. ED-32, n. ° 10, págs. 2018-2027, octubre de 1985.
- ^ MR Pinto y RW Dutton, Análisis exacto de la condición de disparo para el latchup CMOS , IEEE Electron Device Letters, vol. EDL-6, no. 2, febrero de 1985.
- ^ RW Dutton, Modelado y simulación para VLSI , Reunión internacional de dispositivos electrónicos (IEDM), Technical Digest, págs. 2-7, diciembre de 1986.
- ^ KM Cham, S.-Y. Oh, D. Chin y JL Moll, Diseño asistido por computadora y desarrollo de dispositivos VLSI, Kluwer Academic Publishers (KAP), 1986. ISBN 978-0-89838-204-4
- ^ RW Dutton y AJ Strojwas, Perspectivas sobre tecnología y CAD impulsado por tecnología , IEEE Trans. CAD-ICAS, vol. 19, no. 12, págs. 1544-1560, diciembre de 2000.
- ^ herramienta de simulación multiescala tiberCAD
- ^ GSS: Simulador de semiconductores de uso general
- ^ Arquímedes
- ^ Eneas
- ^ Software DEVSIM TCAD
enlaces externos
- TCAD Central : un directorio de software TCAD comercial y de código abierto