Моделирование полупроводниковых процессов - Semiconductor process simulation

Моделирование полупроводниковых процессов моделирование изготовление полупроводника такие устройства, как транзисторы. Это филиал автоматизация проектирования электроники, и часть подполя, известного как технологии САПР, или TCAD.

На этом рисунке показан результат полупроводникового процесса. Входные данные - это описание процесса изготовления полупроводников; результат, показанный здесь, представляет собой окончательную геометрию и концентрации всех примесей. Затем это будет использоваться другими программами для прогнозирования электрических свойств сформированных устройств. (CRC Electronic Design Automation for IC Handbook, Глава 24)

Конечная цель моделирования процесса - точное прогнозирование активных присадка распределение, распределение напряжений и геометрия устройства. Моделирование процесса обычно используется в качестве входных данных для моделирования устройства, моделирования электрических характеристик устройства. Совместное моделирование процессов и устройств образуют основные инструменты на этапе проектирования, известные как TCAD или технология автоматизированного проектирования. Принимая во внимание конструкция интегральной схемы процесс как последовательность шагов с уменьшающимся уровнем абстракции, логический синтез будет на самом высоком уровне, а TCAD, ближайший к производству, будет фазой с наименьшим количеством абстракций. Из-за задействованного подробного физического моделирования, имитация процесса почти исключительно используется для помощи в разработке отдельных устройств, будь то дискретных или как часть Интегральная схема.

Изготовление устройств на интегральных схемах требует ряда этапов обработки, называемых технологическим потоком. Моделирование процесса включает моделирование всех основных этапов технологического процесса для получения профилей легирующей добавки и напряжений и, в меньшей степени, геометрии устройства. Входными данными для моделирования процесса являются последовательность операций и схема. Макет выбирается как линейный разрез в полном макете для 2D-моделирования или прямоугольный разрез из макета для 3D-моделирования.

TCAD традиционно фокусировался в основном на производстве транзисторов в технологическом процессе, заканчивающемся формированием контактов истока и стока, также известного как начальный этап производства линии. Бэк-энд производственной линии, например межкомпонентные и диэлектрические слои не рассматриваются. Одна из причин разграничения - наличие мощных инструментов анализа, таких как методы электронной микроскопии, сканирующая электронная микроскопия (SEM) и просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ), которые позволяют точно измерять геометрию устройства. Нет доступных аналогичных инструментов для точного измерения профилей легирующей примеси или напряжения с высоким разрешением. Тем не менее, растет интерес к исследованию взаимодействия между этапами производства передней и задней части. Например, внутреннее производство может вызвать напряжение в области транзистора, изменяя характеристики устройства. Эти взаимодействия будут стимулировать потребность в улучшенных интерфейсах для внутренних инструментов моделирования или привести к интеграции некоторых из этих возможностей в инструменты TCAD.

В дополнение к недавнему расширению возможностей моделирования процессов всегда было желание иметь более точные модели. Однако наиболее часто используются упрощенные физические модели, чтобы минимизировать время вычислений. Но уменьшение размеров устройства предъявляет повышенные требования к точности профилей легирующих добавок и напряжений, поэтому для каждого поколения устройств добавляются новые модели процессов, чтобы соответствовать новым требованиям к точности. Многие модели были придуманы исследователями задолго до того, как они стали необходимыми, но иногда новые эффекты распознаются и понимаются только после того, как технологи обнаруживают проблему и проводят эксперименты. В любом случае тенденция добавления большего количества физических моделей и рассмотрения более подробных физических эффектов будет продолжаться и может ускориться.

История

История симуляторов коммерческих процессов началась с разработки программы моделирования процессов Стэнфордского университета. На основе этого были разработаны улучшенные модели SUPREM II и SUPREM III. Компания Technology Modeling Associates, Inc. (TMA), основанная в 1979 году, стала первой компанией, коммерциализировавшей SUPREM III. Потом Сильвако также коммерциализировал SUPREM и назвал продукт ATHENA. TMA коммерциализировала SUPREM-IV (2D-версию) и назвала его TSUPREM4. В 1992 году компания Integrated Systems Engineering (ISE) выпустила одномерный симулятор процесса TESIM и двухмерный симулятор процесса DIOS. Примерно в то же время в ТМА началась разработка нового 3D-симулятора процессов и устройств, а после того, как ТМА была приобретена Avanti, продукт был выпущен в 1998 году как Taurus. Примерно в 1994 году была завершена первая версия симулятора объектно-ориентированного процесса Флориды (FLOOPS). FLOOPS был позже коммерциализирован ISE в 2002 году. Еще один симулятор процесса. ПРОРОК был создан примерно в 1994 году в Bell labs, позже переименованном в Agere, но не продавался в коммерческих целях. В 2002 Synopsys приобрела Avant !, corp. а в 2004 году Synopsys приобрела ISE. Synopsys объединила функции Taurus и TSUPREM4 в платформу FLOOPS и назвала ее Sentaurus Process. Текущий Сильвако продуктами являются Victory Process и Victory Device для 2D / 3D-моделирования, а также устаревшие продукты Athena для 2D-моделирования процессов и Atlas для 2D-моделирования устройств.^[1] Помимо этих симуляторов, существует множество других университетских и коммерческих симуляторов, таких как PROMIS, PREDICT, PROSIM, ICECREM, DADOS, TITAN, MicroTec, DOPDEES, ALAMODE.

Методы моделирования процессов

Шаги процесса, наиболее часто связанные с моделированием процесса: ионная имплантация, отжиг (диффузионный и активация допанта ), травить, осаждение, окисление и эпитаксия. Другие общие шаги включают: химико-механическое выравнивание (CMP), силицирование и оплавление.

Все симуляторы коммерческих процессов используют комбинацию анализ методом конечных элементов (FE) и / или методы конечных объемов (FV) методы. Полное описание метода FE / FV выходит за рамки этой статьи, но есть много хороших книг, которые подробно описывают эту тему. Однако важно обсудить требования к моделированию процесса для получения точных результатов. Эти требования основаны на тех же требованиях, что и общие для методов FE / FV, с дополнительной сложностью, связанной с изменениями в геометрии во время моделирования изготовления устройства. При моделировании процесса используется сетка FE / FV для вычисления и хранения профилей легирующей добавки и напряжений. Каждое геометрическое изменение в области моделирования требует новой сетки, которая соответствует новым границам. Как будет описано ниже, большое количество задействованных этапов изменения геометрии и характер моделирования процесса, где каждый этап зависит от совокупных результатов всех предыдущих этапов, делают моделирование процесса особенно сложным применением метода FE / FV.

Одним из наиболее важных результатов моделирования процесса является профиль легирующей добавки после обработки. Точность профиля сильно зависит от поддержания надлежащей плотности точек сетки в любой момент во время моделирования. Плотности точек должно быть достаточно, чтобы разрешить все профили примесей и дефектов, но не более того, поскольку вычислительные затраты на решение уравнений диффузии возрастают с увеличением количества точек сетки. Типичное моделирование процесса CMOS с полным потоком может иметь более 50 изменений сетки, и количество изменений сетки может значительно увеличиться, если выполняется адаптивное построение сетки. Для каждого изменения сетки используется интерполяция для получения значений данных на новой сетке. Важно управлять изменениями сетки таким образом, чтобы избежать ухудшения точности из-за ошибки интерполяции. Самый простой способ сделать это - всегда сохранять точки после того, как они вводятся в сетку, но это имеет недостаток, заключающийся в создании очень большого количества точек сетки, что может быть дорогостоящим в вычислительном отношении. Поддержание баланса между ошибкой интерполяции, вычислительными затратами и минимизацией требуемого пользовательского ввода важно для получения точных результатов с минимальными вычислительными затратами. Это особенно актуально при моделировании устройств в 3D. Без тщательного размещения сетки либо точность будет неприемлемо пострадала, либо затраты на вычисления будут слишком велики, чтобы быть полезными. Инструменты моделирования процессов до сих пор имели ограниченный успех в полной автоматизации адаптации сетки, так что вмешательство пользователя не требовалось. Это накладывает требование от пользователя понимать построение сетки и то, как она влияет на точность моделирования и время выполнения, а также обременяет пользователя отслеживать изменения сетки во время моделирования, чтобы гарантировать поддержание правильной сетки.

Одно из наиболее важных применений инструментов TCAD - исследование новой технологии устройств, при которой выполняется множество исследовательских симуляций, чтобы дать разработчику устройства лучшее понимание возможных преимуществ, а также недостатков данной технологии. Этот вариант использования требует последовательного моделирования с некоторым промежуточным анализом. Чтобы быть полезным, многие циклы моделирования должны выполняться в пределах времени, отведенного для исследования, уделяя первоочередное внимание минимизации времени выполнения моделирования. В настоящее время полнопоточное стандартное моделирование CMOS чаще всего выполняется с помощью комбинации 1D и 2D моделирования и занимает менее нескольких часов на Pentium 4 с тактовой частотой 2,6 ГГц. Для выполнения такого моделирования в 3D (начиная с формирования затвора) потребуется минимум 24 часа для симуляции с минимальной точностью. Большая часть информации, требуемой из моделирования TCAD, может быть извлечена из упрощения, заключающегося в том, что устройство может обрабатываться равномерно по глубине (то есть 2D-моделирование). Чтобы включить форму устройства эффектов по глубине или исследовать затенение имплантата, необходимо выполнить 3D-моделирование.

Моделирование полупроводниковых процессов - Semiconductor process simulation

История

Методы моделирования процессов

Рекомендации