Технология САПР
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 допинга устройств. TCAD может также включать создание «компактных моделей» (таких как хорошо известные SPICE модели транзисторов ), 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.
Введение [ править ]
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 устройства, а также создают связи 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 базового понимания технологии и абстрагирование этих знаний на уровень проектирования устройства, 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.
История [ править ]
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 параметрический выход 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] заложили основу для их роста и широкого внедрения в качестве важнейшего набора инструментов, который способствовал развитию технологий в эпоху СБИС и ULSI, которые сейчас стали основным направлением.
В разработке ИС на протяжении более четверти века доминировала технология МОП. В 1970-х и 1980-х годах NMOS предпочтение отдавалось 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 в 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 двухъянной технологии КМОП (см. рисунок 3а), включая проблемы правил проектирования и паразитных эффектов, таких как защелка . [10] [11] Приведен 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]
Современный TCAD [ править ]
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] Доминирование межсоединений для гигамасштабной интеграции (количество транзисторов в О (миллиардах)) и тактовая частота в О (10 гигагерц)) потребовало разработки инструментов и методологий, которые охватывают формирование структур с помощью электромагнитного моделирования — как для оптических структур, так и для 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, которые схематически изображают 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 вопросы 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 возбуждения и извлечение технологических файлов для полного набора устройств и паразитных элементов.
На рисунке 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.
Рабочий процесс [ править ]
TCAD обычно интегрируется с процессом проектирования интегральных схем и включает в себя следующие инструменты:
- SPICE для симулятора аналоговых цепей (не путать с HDL )
- Моделирование полупроводниковых устройств для описания моделирования устройств из профилей легирующих примесей .
- Моделирование полупроводникового процесса для создания этих профилей
- BACPAC для инструмента анализа, который пытается принять все это во внимание для оценки производительности системы.
Провайдеры [ править ]
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] Архимед, [16] Эней, [17] NanoTCAD ViDES, DEVSIM, [18] GMPT и GENIUS обладают некоторыми возможностями коммерческих продуктов.
Ссылки [ править ]
- Справочник по автоматизации проектирования электронных систем для интегральных схем , автор: Лаваньо, Мартин и Шеффер, ISBN 0-8493-3096-3 Обзор области автоматизации электронного проектирования . Это краткое изложение было взято (с разрешения) из тома II, главы 25 « Моделирование устройств — от физики к извлечению электрических параметров» , авторами Робертом В. Даттоном, Чанг-Хуном Чой и Эдвином К. Каном.
- С. Сельберхерр , В. Фихтнер и Х. В. Потцль, «Minimos - пакет программ для облегчения проектирования и анализа МОП-устройств», Proceedings NASECODE I (Численный анализ полупроводниковых устройств), стр. 275–79, Boole Press, 1979.
- ^ Автоматизация электронного проектирования для реализации микросхем, проектирования схем и технологических процессов . Лучано Лаваньо, Игорь Л. Марков, Грант Мартин, Лу Шеффер (2-е изд.). Бока Ратон. 2016. ISBN 978-1-4822-5461-7 . OCLC 948286295 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ Луи, Бэзил; Мильорато, П. (1 апреля 1997 г.). «Модель рекомбинации нового поколения для моделирования устройств, включая эффект Пула-Френкеля и туннелирование с помощью фононов» . Твердотельная электроника . 41 (4): 575–583. Бибкод : 1997SSEle..41..575L . дои : 10.1016/S0038-1101(96)00148-7 . ISSN 0038-1101 .
- ^ WO2000077533A3 , Луи, Бэзил, «Метод и симулятор моделирования полупроводниковых устройств», выпущено 26 апреля 2001 г.
- ^ Луи, Бэзил; Тэм, SWB; Мильорато, П. (1998). «Экстрактор параметров Tft из поликремния» . Онлайн-библиотека материалов MRS . 507 : 365. дои : 10.1557/PROC-507-365 . ISSN 0272-9172 .
- ^ Х. Дж. Деман и Р. Мертенс, SITCAP — Симулятор биполярных транзисторов для программ компьютерного анализа схем , Международная конференция по твердотельным схемам (ISSCC), Технический дайджест, стр. 104-5, февраль 1973 г.
- ^ Р.В. Даттон и Д.А. Антониадис, Моделирование процессов для проектирования и управления устройствами , Международная конференция по твердотельным схемам (ISSCC), Технический дайджест, стр. 244-245, февраль 1979 г.
- ^ Р. Х. Деннард, Ф. Х. Генсслен, Х. Н. Ю, В. Л. Родеут, Э. Бассус и А. Р. Леблан, Проектирование ионно-имплантированных МОП-транзисторов с очень малыми физическими размерами , IEEE Jour. Твердотельные схемы, вып. SC-9, стр. 256-268, октябрь 1974 г.
- ^ Р.В. Даттон и С.Э. Хансен, Моделирование процессов технологии устройств на интегральных схемах , Proceeding IEEE, vol. 69, нет. 10, стр. 1305–1320, октябрь 1981 г.
- ^ П.Е. Коттрелл и Э.М. Бутурла, «Двумерные статические и переходные процессы».моделирование транспорта мобильных носителей в полупроводнике», Proceedings NASECODE I.(Численный анализ полупроводниковых устройств), стр. 31–64, Boole Press, 1979.
- ^ К.С. Рафферти, М.Р. Пинто и Р.В. Даттон, Итеративные методы моделирования полупроводниковых устройств , IEEE Trans. Электр. Дев., вып. ЭД-32, №10, стр.2018-2027, октябрь 1985 г.
- ^ М.Р. Пинто и Р.В. Даттон, Точный анализ условий триггера для защелки КМОП , Письма об электронных устройствах IEEE, том. ЭДЛ-6, нет. 2 февраля 1985 г.
- ^ Р.В. Даттон, Моделирование и симуляция для СБИС , Международное собрание электронных устройств (IEDM), Технический дайджест, стр. 2–7, декабрь 1986 г.
- ^ К.М. Чам, С.-Ю. О, Д. Чин и Дж. Л. Молл, «Компьютерное проектирование и СБИС».Разработка устройств, Kluwer Academic Publishers (KAP), 1986. ISBN 978-0-89838-204-4
- ^ Р. В. Даттон и А. Дж. Стройвас, Перспективы технологий и САПР, основанных на технологиях , IEEE Trans. CAD-ICAS, вып. 19, нет. 12, стр. 1544–1560, декабрь 2000 г.
- ^ http://gss-tcad.sourceforge.net/
- ^ https://www.gnu.org/software/archimedes/
- ^ https://www.gnu.org/software/aeneas/
- ^ https://devsim.org
Внешние ссылки [ править ]
- TCAD Central : каталог коммерческого программного обеспечения TCAD и программного обеспечения TCAD с открытым исходным кодом.