La tecnología de diseño asistido por computadora ( tecnología CAD o TCAD ) es una rama de la automatización del diseño electrónico (EDA) que modela la fabricación de semiconductores y el funcionamiento 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, [2] [3] como los perfiles de dopaje de los dispositivos. TCAD también puede incluir la creación de "modelos compactos" (como los conocidos modelos de transistores SPICE ), que intentan capturar el comportamiento eléctrico de dichos dispositivos pero generalmente no los derivan de la física subyacente. El simulador SPICE en sí generalmente se considera parte de EDA en lugar de TCAD.
Los archivos de tecnología y las reglas de diseño son componentes esenciales del proceso de diseño de circuitos integrados . Su precisión y solidez sobre la tecnología de proceso, su variabilidad y las condiciones operativas del CI (interacciones y pruebas ambientales, parásitas, incluidas condiciones adversas como descargas electrostáticas) son fundamentales para determinar el rendimiento, el rendimiento y la confiabilidad. El desarrollo de estos archivos de reglas de diseño y tecnología implica un proceso iterativo que cruza los límites del desarrollo de tecnología y dispositivos, el diseño de productos y el control de calidad. El modelado y la simulación desempeñan 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 vínculos entre la amplia gama de modelos físicos y de comportamiento 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 [4] que respaldan el diseño de circuitos y la metrología estadística.
Aunque el énfasis aquí está en los transistores semiconductores de óxido metálico (MOS), el caballo de batalla de la industria de circuitos integrados, es útil repasar brevemente la historia del desarrollo de las herramientas y la metodología de modelado que han sentado las bases para el estado actual de la tecnología. arte.
La evolución de la tecnología de diseño asistido por computadora (TCAD), la combinación sinérgica de herramientas de modelado y simulación de procesos, dispositivos y circuitos, tiene sus raíces en la tecnología bipolar , que comenzó a fines de la década de 1960, y los desafíos de las uniones aisladas, dobles y triples. -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 circuitos integrados, incluso después de cuatro décadas de desarrollo de circuitos integrados. Con estas primeras generaciones de circuitos integrados, la variabilidad del proceso y el rendimiento paramétrico eran un problema, un tema que resurgirá también como un factor de control en la futura tecnología de circuitos integrados.
Los problemas de control de procesos, tanto para los dispositivos intrínsecos como para todos los parásitos asociados, presentaron desafíos formidables y exigieron el desarrollo de una variedad de modelos físicos avanzados para la simulación de procesos y dispositivos. Desde finales de los años 1960 y hasta los años 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 motor dominante de la electrónica integrada. No obstante, estos primeros desarrollos de TCAD [5] [6] sentaron las bases para su crecimiento y amplio despliegue como un conjunto de herramientas esencial que ha aprovechado el desarrollo tecnológico a través de las eras VLSI y ULSI, que ahora son la corriente principal.
El desarrollo de circuitos integrados durante más de un cuarto de siglo ha estado dominado por la tecnología MOS. En las décadas de 1970 y 1980, se favoreció a NMOS debido a las ventajas de velocidad y área, junto con las limitaciones tecnológicas y las preocupaciones relacionadas con el aislamiento, los efectos parásitos y la complejidad del proceso. Durante esa era de LSI dominada por NMOS y el surgimiento de VLSI, las leyes de escala fundamentales de la tecnología MOS fueron codificadas y aplicadas ampliamente. [7] 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. [8] 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. [9] La transición de la tecnología NMOS a CMOS resultó en la necesidad de simuladores totalmente 2D y estrechamente acoplados para simulaciones de procesos y dispositivos. Esta tercera generación de herramientas TCAD se volvió fundamental para abordar toda la complejidad de la tecnología CMOS de dos pozos (consulte la Figura 3a), incluidas cuestiones de reglas de diseño y efectos parásitos como el enganche . [10] [11] En; [12] y desde el punto de vista de cómo se utilizaron las herramientas TCAD en el proceso de diseño. [13]
Hoy en día, 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 centro todavía hay una serie de desafíos de modelado de procesos y dispositivos que respaldan el escalado intrínseco de dispositivos y la extracción parásita. Estas aplicaciones incluyen el desarrollo de tecnología y reglas de diseño, la extracción de modelos compactos y, en general, el diseño para la capacidad de fabricación (DFM). [14] El predominio de las interconexiones para la integración a escala giga (recuentos de transistores en O (mil millones)) y frecuencias de sincronización en O (10 gigahercios)) han requerido el desarrollo de herramientas y metodologías que abarcan el modelado mediante simulaciones electromagnéticas, tanto para patrones ópticos y modelado de rendimiento de interconexión electrónica y óptica, así como modelado a nivel de circuito. Esta amplia gama de cuestiones a nivel de dispositivo e interconexión, incluidos los vínculos con las tecnologías de procesamiento y patrones subyacentes, se resume en la Figura 1 y proporciona un marco conceptual para la discusión que sigue a continuación.
La Figura 1 muestra una jerarquía de niveles de proceso, dispositivo y circuito de herramientas de simulación. A cada lado de los cuadros que indican el nivel de modelado hay íconos que representan esquemáticamente aplicaciones representativas de TCAD. El lado izquierdo pone énfasis en cuestiones de Diseño para Manufactura (DFM), tales como: aislamiento de zanjas poco profundas (STI), características adicionales requeridas para el enmascaramiento por cambio de fase (PSM) y desafíos para interconexiones multinivel que incluyen problemas de procesamiento de componentes 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 resultados y aplicaciones de TCAD esperados: simulaciones completas de procesos de los dispositivos intrínsecos, predicciones del escalamiento de corriente del variador y extracción de archivos de tecnología para el conjunto completo de dispositivos y parásitos.
La Figura 2 analiza nuevamente las capacidades de TCAD, pero esta vez más en el contexto de la información del 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 en conjunto proporcionan el "mapeo" desde la información a nivel de máscara hasta las capacidades funcionales necesarias en el nivel EDA, tales como modelos compactos ("archivos de tecnología") y incluso modelos de comportamiento de nivel superior. 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 escalamiento de la tecnología.
Los TCAD normalmente se integran con el proceso de diseño de circuitos integrados e incluyen las siguientes herramientas:
Los principales proveedores actuales de herramientas TCAD incluyen Delphea, Synopsys , Silvaco , Crosslight Software , Cogenda Software y Global TCAD Solutions. El código abierto GSS, [15] Archimedes, [16] Aeneas, [17] NanoTCAD ViDES, DEVSIM, [18] GMPT y GENIUS tienen algunas de las capacidades de los productos comerciales.
{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace ) Mantenimiento de CS1: otros ( enlace )