La simulación de procesos de semiconductores es el modelado de la fabricación de dispositivos semiconductores como los transistores . Es una rama de la automatización del diseño electrónico y parte de un subcampo conocido como tecnología CAD o TCAD. [1] [2] : Cap.24
El objetivo final de la simulación de procesos es una predicción precisa de la distribución de dopantes activos, la distribución de tensiones y la geometría del dispositivo. [ violación de derechos de autor? ] La simulación de procesos se utiliza normalmente como entrada para la simulación de dispositivos, el modelado de las características eléctricas de los mismos. En conjunto, la simulación de procesos y dispositivos forman las herramientas centrales para la fase de diseño conocida como TCAD o Diseño Asistido por Computadora Tecnológica. Si se considera el proceso de diseño de circuitos integrados como una serie de pasos con niveles de abstracción decrecientes, la síntesis lógica estaría en el nivel más alto y TCAD, al estar más cerca de 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 . [1] : 692
La fabricación de dispositivos de circuitos integrados requiere una serie de pasos de procesamiento denominados flujo de proceso. La simulación de proceso implica modelar todos los pasos esenciales del flujo de proceso para obtener perfiles de dopantes y tensiones y, en menor medida, la geometría del dispositivo. La entrada para la simulación de proceso es el flujo de 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, el TCAD se ha centrado principalmente en la parte de fabricación de transistores del flujo de proceso que termina con la formación de contactos de fuente y drenaje, también conocida como fabricación de la parte delantera de la línea. La fabricación de la parte trasera de la línea, por ejemplo, las capas de interconexión y dieléctricas, no se considera. Una razón para la delineación es la disponibilidad de potentes herramientas de análisis, como las técnicas de microscopía electrónica, la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la 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 perfiles de dopantes o de tensión. Sin embargo, existe un creciente interés en investigar la interacción entre los pasos de fabricación de la parte delantera y trasera. Por ejemplo, la fabricación de la parte trasera puede causar tensión en la región del transistor, lo que cambia el rendimiento del dispositivo. Estas interacciones estimularán la necesidad de mejores interfaces con las herramientas de simulación de la parte trasera o conducirán a la integración de algunas de esas capacidades en las herramientas TCAD.
Además de la reciente expansión del alcance de la simulación de procesos, siempre ha existido el deseo de contar con simulaciones más precisas. Sin embargo, los modelos físicos simplificados han sido los más utilizados para minimizar el tiempo de cálculo. Sin embargo, la reducción de las dimensiones de los dispositivos impone exigencias cada vez mayores a la precisión de los perfiles de dopantes y de tensión, por lo que se añaden nuevos modelos de procesos para cada generación de dispositivos con el fin de 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 realizan experimentos. En cualquier caso, la tendencia de añadir más modelos físicos y considerar efectos físicos más detallados continuará y puede acelerarse.
La historia de los simuladores de procesos comerciales comenzó con el desarrollo del programa Stanford University Process Engineering Models (SUPREM). SUPREM fue el software resultante de la investigación del profesor de Stanford Robert Dutton (ingeniero) . Sobre la base de este comienzo con modelos mejorados se desarrollaron SUPREM II y SUPREM III. Technology Modeling Associates, Inc. (TMA) fue cofundada por Robert Dutton (ingeniero) en 1979. TMA fue la primera empresa en comercializar SUPREM III. Más tarde Silvaco también comercializó SUPREM y denominó al producto ATHENA. TMA comercializó SUPREM-IV (versión 2D) y lo llamó TSUPREM4. En 1992, Integrated Systems Engineering (ISE) lanzó el simulador de procesos 1D TESIM y el simulador de procesos 2D DIOS. Aproximadamente al mismo tiempo, comenzó el desarrollo de un nuevo simulador de procesos y dispositivos 3D en TMA y después de que TMA fuera adquirida por Avanti , el producto se lanzó en 1998 como Taurus. Alrededor de 1994 se completó una primera versión del Simulador de Procesos Orientados a Objetos de Florida (FLOOPS). FLOOPS fue comercializado más tarde por ISE en 2002. Otro simulador de procesos, PROPHET, fue creado alrededor de 1994 en los laboratorios Bell que más tarde 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 la llamó Sentaurus Process. 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. [3] En 2013, Coventor lanzó SEMulator3D, un simulador de procesos avanzado basado en modelado de vóxeles y evolución de superficies. [4] Además de estos simuladores, existen numerosos otros simuladores universitarios y comerciales como PROMIS, PREDICT, PROSIM, ICECREM, DADOS, TITAN, MicroTec, DOPDEES, ALAMODE.
Los pasos del proceso que se asocian con mayor frecuencia a la simulación de procesos son la implantación de iones , el recocido (difusión y activación de dopantes ), el grabado , la deposición, la oxidación y la epitaxia . Otros pasos comunes incluyen la planarización químico-mecánica (CMP), la silicidación y el reflujo. [1] : 692
Todos los simuladores de procesos comerciales utilizan una combinación de los métodos de análisis de elementos finitos (FE) y/o de volumen finito (FV). [1] : 692 Una descripción completa del método FE/FV está fuera del alcance de este artículo, pero hay muchos libros excelentes que describen el tema en profundidad. Sin embargo, es importante discutir los requisitos para la simulación de procesos para lograr resultados precisos. Estos requisitos se basan en los mismos requisitos genéricos de 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 dopante y tensión. Cada cambio geométrico en el dominio de 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 de procesos 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. [1] : 693
Uno de los resultados más importantes de la simulación de procesos es el perfil de dopantes después del procesamiento. La precisión del perfil depende en gran medida del mantenimiento de una densidad adecuada de puntos de malla en cualquier momento durante la simulación. La densidad de puntos debe ser suficiente para resolver todos los perfiles de dopantes y defectos, pero no más, ya que el gasto computacional para resolver las ecuaciones de difusión aumenta con el número de puntos de malla. Una simulación de proceso CMOS de flujo completo típica puede tener más de 50 cambios de malla y el número de cambios de malla puede aumentar drásticamente si se realiza un mallado adaptativo. Para cada cambio de malla, se utiliza la interpolación para obtener valores de datos en la nueva malla. Es importante gestionar los cambios de malla de tal manera que se evite la degradación de la precisión debido al error de interpolación. La forma más fácil 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 de usuario requerida es importante para obtener resultados precisos con un mínimo de gasto computacional. Esto es especialmente cierto cuando se simulan dispositivos en 3D. Sin una colocación cuidadosa de la malla, la precisión se verá afectada de forma inaceptable o el gasto computacional 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 exige que el usuario comprenda el mallado y cómo afecta la precisión de la simulación y el tiempo de ejecución, y supone una carga para el usuario realizar un seguimiento de los cambios de la malla durante la simulación para garantizar que se mantenga la malla adecuada.
Uno de los usos más importantes de las herramientas TCAD es explorar nuevas tecnologías de dispositivos, donde se realizan muchas simulaciones exploratorias para brindar al diseñador del dispositivo una mejor comprensión de los posibles beneficios y desventajas de una tecnología determinada. Este caso de uso exige simulaciones secuenciales con algún análisis entre ellas. Para que sean útiles, se deben ejecutar muchos ciclos de simulación 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. Realizar estas simulaciones en 3D (desde la formación de la compuerta en adelante) tomaría 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 de manera uniforme en profundidad (es decir, una simulación 2D). Para incluir los efectos de la forma del dispositivo a lo largo de la profundidad o para investigar el sombreado del implante, se deben realizar simulaciones 3D.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link) CS1 maint: others (link){{cite book}}: CS1 maint: others (link) Este resumen se derivó (con permiso) del Vol. I, Capítulo 24, Simulación de procesos, de Mark Johnson.