El modelado de dispositivos semiconductores crea modelos del comportamiento de los dispositivos eléctricos basados en la física fundamental, como los perfiles de dopaje de los dispositivos. 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. Normalmente, comienza con el resultado de una simulación de procesos de semiconductores .
La figura de la derecha ofrece una visión conceptual simplificada del "panorama general". Esta figura muestra dos etapas inversoras y el gráfico resultante de voltaje de entrada-salida-tiempo del circuito. Desde el punto de vista de los sistemas digitales, los parámetros clave de interés son: retardos de tiempo, potencia de conmutación, corriente de fuga y acoplamiento cruzado ( diafonía ) con otros bloques. Los niveles de voltaje y la velocidad de transición también son de interés.
La figura también muestra esquemáticamente la importancia de I on versus I off , que a su vez está relacionada con la corriente de excitación (y la movilidad) para el dispositivo "on" y varias rutas de fuga para los dispositivos "off". No se muestran explícitamente en la figura las capacitancias, tanto intrínsecas como parásitas, que afectan el rendimiento dinámico.
La escala de potencia, que ahora es una fuerza impulsora importante en la industria, se refleja en la ecuación simplificada que se muestra en la figura: los parámetros críticos son la capacitancia, la fuente de alimentación y la frecuencia de reloj. Los parámetros clave que relacionan el comportamiento del dispositivo con el rendimiento del sistema incluyen el voltaje de umbral , la corriente de excitación y las características de subumbral.
Es la confluencia de los problemas de rendimiento del sistema con la tecnología subyacente y las variables de diseño del dispositivo lo que da como resultado las leyes de escalamiento actuales que ahora codificamos como la ley de Moore .
La física y el modelado de dispositivos en circuitos integrados está dominada por el modelado de transistores bipolares y MOS. Sin embargo, otros dispositivos son importantes, como los dispositivos de memoria, que tienen requisitos de modelado bastante diferentes. Por supuesto, también existen cuestiones de ingeniería de confiabilidad (por ejemplo, circuitos y dispositivos de protección contra descargas electrostáticas, ESD) en los que los dispositivos parásitos y de sustrato son de importancia fundamental. La mayoría de los programas de modelado de dispositivos no tienen en cuenta estos efectos y el modelado; el lector interesado puede consultar varias monografías excelentes en el área de ESD y modelado de E/S. [1] [2] [3]
El modelado de dispositivos impulsado por la física pretende ser preciso, pero no es lo suficientemente rápido para herramientas de nivel superior, incluidos simuladores de circuitos como SPICE . Por lo tanto, los simuladores de circuitos normalmente utilizan modelos más empíricos (a menudo llamados modelos compactos) que no modelan directamente la física subyacente. Por ejemplo, el modelado de movilidad de capa de inversión , o el modelado de la movilidad y su dependencia de parámetros físicos, condiciones ambientales y de operación es un tema importante tanto para los modelos físicos TCAD (diseño asistido por computadora de tecnología) como para los modelos compactos a nivel de circuito. Sin embargo, no se modela con precisión a partir de los primeros principios, por lo que se recurre al ajuste de datos experimentales. Para el modelado de movilidad a nivel físico, las variables eléctricas son los diversos mecanismos de dispersión, densidades de portadores y potenciales y campos locales, incluidas sus dependencias tecnológicas y ambientales.
En cambio, a nivel de circuito, los modelos parametrizan los efectos en términos de voltajes terminales y parámetros de dispersión empíricos. Las dos representaciones se pueden comparar, pero en muchos casos no está claro cómo se deben interpretar los datos experimentales en términos de un comportamiento más microscópico.
La evolución de la tecnología de diseño asistido por ordenador (TCAD), la combinación sinérgica de herramientas de simulación y modelado de procesos, dispositivos y circuitos, tiene sus raíces en la tecnología bipolar , que comenzó a fines de la década de 1960, y en los desafíos de los transistores de unión aislada y de doble y triple difusión . Estos dispositivos y tecnologías 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 CI , incluso después de cuatro décadas de desarrollo de CI. Con estas primeras generaciones de CI, la variabilidad del proceso y el rendimiento paramétrico fueron un problema, un tema que resurgirá como un factor de control también en la tecnología de CI futura.
Los problemas de control de procesos (tanto para los dispositivos intrínsecos como para todos los parásitos asociados) plantearon desafíos formidables y exigieron el desarrollo de una gama de modelos físicos avanzados para la simulación de procesos y dispositivos. A partir de finales de la década de 1960 y a principios de la década de 1970, los enfoques de modelado explotados fueron predominantemente simuladores unidimensionales y bidimensionales. Si bien el TCAD en estas primeras generaciones mostró una gran promesa 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 impulsor dominante de la electrónica integrada. No obstante, estos primeros desarrollos de TCAD [4] [5] sentaron las bases para su crecimiento y amplia implementación como un conjunto de herramientas esencial que ha aprovechado el desarrollo de la tecnología a través de las eras VLSI y ULSI, que ahora son la corriente principal.
El desarrollo de los circuitos integrados durante más de un cuarto de siglo ha estado dominado por la tecnología MOS. En los años 1970 y 1980, NMOS fue favorecido 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 dominado por NMOS y la aparición de VLSI, las leyes de escalamiento fundamentales de la tecnología MOS se codificaron y aplicaron ampliamente. [6] También fue durante este período que TCAD alcanzó la madurez en términos de realización de modelado de procesos robustos (principalmente unidimensionales) que luego se convirtió en una herramienta de diseño de tecnología integral, utilizada universalmente en toda la industria. [7] 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 escalamiento de dispositivos. [8] [9] La transición de la tecnología NMOS a CMOS resultó en la necesidad de simuladores estrechamente acoplados y completamente 2D para simulaciones de procesos y dispositivos. Esta tercera generación de herramientas TCAD se volvió fundamental para abordar la complejidad total de la tecnología CMOS de pozo doble (ver Figura 3a), incluyendo cuestiones de reglas de diseño y efectos parásitos como el latchup . [10] [11] Una perspectiva abreviada de este período, hasta mediados de la década de 1980, se da en; [12] y desde el punto de vista de cómo se utilizaron las herramientas TCAD en el proceso de diseño, ver. [13]