La simulación de procesos semiconductores es el modelado de la fabricación de dispositivos semiconductores como los transistores . Es una rama de la automatización del diseño electrónico y forma parte de un subcampo conocido como tecnología CAD o TCAD. [1] [2] : Capítulo 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 del dispositivo. En conjunto, la simulación de procesos y dispositivos forman las herramientas centrales para la fase de diseño conocida como TCAD o Tecnología de Diseño Asistido por Computadora. Considerando 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 menor cantidad de abstracción. Debido al detallado modelado físico 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 llamados flujo de proceso. La simulación de procesos implica modelar todos los pasos esenciales en el flujo del proceso para obtener perfiles de dopaje y tensión y, en menor medida, la geometría del dispositivo. La entrada para la simulación del proceso es el flujo del 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, TCAD se ha centrado principalmente en la parte de fabricación de transistores del flujo del proceso que finaliza con la formación de los contactos de fuente y drenaje, también conocida como fabricación de extremo frontal de línea. No se consideran las fases finales de fabricación de la línea, por ejemplo, capas de interconexión y dieléctricas. Una razón para la delimitación es la disponibilidad de potentes herramientas de análisis, como técnicas de microscopía electrónica, microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM), que permiten una medición precisa de la geometría del dispositivo. No existen herramientas similares disponibles para una medición precisa de alta resolución de perfiles de estrés o dopantes. Sin embargo, existe un interés creciente en investigar la interacción entre los pasos de fabricación iniciales y finales. Por ejemplo, la fabricación final puede causar tensión en la región del transistor que cambia el rendimiento del dispositivo. Estas interacciones estimularán la necesidad de mejores interfaces para las herramientas de simulación de back-end 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 tener simulaciones más precisas. Sin embargo, los modelos físicos simplificados se han utilizado con mayor frecuencia para minimizar el tiempo de cálculo. Sin embargo, las dimensiones cada vez más reducidas de los dispositivos exigen cada vez más la precisión de los perfiles de dopaje y estrés, por lo que se agregan nuevos modelos de proceso para cada generación de dispositivos para 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 sólo se reconocen y comprenden una vez que los ingenieros de procesos descubren un problema y se realizan experimentos. En cualquier caso, la tendencia de agregar 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 de Modelos de Ingeniería de Procesos de la Universidad de Stanford (SUPREM). SUPREM fue el software resultante de la investigación del profesor de Stanford Robert Dutton (ingeniero) . Sobre la base de este comienzo se desarrollaron los modelos mejorados 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. Posteriormente Silvaco también comercializó SUPREM y denominó el producto ATHENA. TMA comercializó SUPREM-IV (versión 2D) y lo llamó TSUPREM4. En 1992, Ingeniería de Sistemas Integrados (ISE) lanzó el simulador de procesos 1D TESIM y el simulador de procesos 2D DIOS. Casi al mismo tiempo, comenzó en TMA el desarrollo de un nuevo simulador de dispositivo y proceso 3D y, después de que Avanti adquiriera TMA , el producto se lanzó en 1998 como Taurus. Alrededor de 1994 se completó una primera versión del Simulador de procesos orientado a objetos de Florida (FLOOPS). Posteriormente, ISE comercializó FLOOPS en 2002. Otro simulador de procesos, PROPHET, se creó alrededor de 1994 en los laboratorios Bell, que luego se convirtió en Agere, pero no se vendió 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 el modelado de vóxeles y la evolución de superficies. [4] Además de estos simuladores, existen muchos otros simuladores universitarios y comerciales como PROMIS, PREDICT, PROSIM, ICECREM, DADOS, TITAN, MicroTec, DOPDEES, ALAMODE.
Los pasos del proceso más frecuentemente asociados con 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), silicición y reflujo. [1] : 692
Todos los simuladores de procesos comerciales utilizan una combinación de los métodos de análisis de elementos finitos (FE) y/o métodos de volúmenes finitos (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 de simulación de procesos para lograr resultados precisos. Estos requisitos se basan en los mismos requisitos genéricos para las técnicas FE/FV con una dificultad adicional proveniente de los cambios en la geometría durante la fabricación simulada del dispositivo. La simulación del proceso utiliza una malla FE/FV para calcular y almacenar los perfiles de estrés y dopantes. 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 la geometría involucrados y la naturaleza de la simulación del proceso donde cada paso depende de los resultados acumulativos de todos los pasos anteriores, hacen de la simulación del proceso 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 de mantener una densidad adecuada de puntos de malla en cualquier momento durante la simulación. La densidad de puntos debería ser suficiente para resolver todos los perfiles de dopantes y defectos, pero no más porque el gasto de cálculo para resolver las ecuaciones de difusión aumenta con el número de puntos de malla. Una simulación típica de un proceso CMOS de flujo completo 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 sencilla 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, lo que puede resultar costoso desde el punto de vista computacional. Mantener un equilibrio entre el error de interpolación, el gasto computacional y la minimización de la entrada requerida del usuario 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 manera 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 la carga que supone para el usuario realizar un seguimiento de los cambios de 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 brindarle 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 intermedio. Para que sean útiles, muchos ciclos de simulación deben ejecutarse 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. Para realizar estas simulaciones en 3D (desde la formación de la puerta en adelante) se necesitaría un mínimo de 24 horas para 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 pueda tratarse uniformemente 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 las sombras 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 obtuvo (con permiso) del Volumen I, Capítulo 24, Simulación de procesos, por Mark Johnson.