반도체 프로세스 시뮬레이션

Semiconductor process simulation

반도체 공정 시뮬레이션은 트랜지스터와 같은 반도체 소자의 제조를 모델링하는 것입니다.이는 전자 설계 자동화의 한 분야이며 기술 CAD(TCAD)[1]로 알려진 하위 분야의 일부입니다.[2]: Ch.24

이 그림은 반도체 공정의 결과를 보여준다.입력은 반도체 제조 과정을 기술한 것이며, 여기에 표시된 결과는 최종 지오메트리와 모든 도판트의 농도입니다.그런 다음 다른 프로그램에서 생성된 장치의 전기적 특성을 예측하는 데 사용됩니다(IC 핸드북을 위한 CRC 전자 설계 자동화, 24장).

프로세스 시뮬레이션의 궁극적인 목표는 활성 도판트 분포, 응력 분포 및 디바이스 [copyright violation?]지오메트리의 정확한 예측입니다.프로세스 시뮬레이션은 일반적으로 장치 시뮬레이션의 입력, 즉 장치의 전기적 특성 모델링으로 사용됩니다.프로세스와 디바이스의 일괄 시뮬레이션은 TCAD 또는 Technology Computer Aided Design으로 알려진 설계 단계의 핵심 도구를 형성합니다.집적회로 설계 프로세스를 추상화 수준이 감소하는 일련의 단계로 간주하면, 논리 합성이 가장 높은 수준이며, 가장 제조에 가까운 TCAD가 추상화의 양이 가장 적은 단계일 것이다.상세한 물리적 모델링이 수반되기 때문에 프로세스 시뮬레이션은 거의 전적으로 개별적이든 집적회로의 [1]: 692 일부이든 단일 디바이스 개발을 지원하기 위해 사용됩니다.

집적회로 디바이스의 제작에는 프로세스 플로우라고 불리는 일련의 처리 단계가 필요합니다.프로세스 시뮬레이션은 도판트 및 응력 프로파일을 얻기 위해 프로세스 흐름의 모든 필수 단계를 모델링하고, 더 적은 범위로 디바이스 지오메트리를 얻습니다.프로세스 시뮬레이션의 입력은 프로세스 흐름과 레이아웃입니다.레이아웃은 2D 시뮬레이션의 경우 전체 레이아웃의 선형 컷으로, 3D 시뮬레이션의 경우 레이아웃에서 직사각형 컷으로 선택됩니다.

TCAD는 전통적으로 소스 및 드레인 접점의 형성으로 끝나는 프로세스 흐름의 트랜지스터 제작 부분에 주로 초점을 맞춰 왔습니다(일명 프론트 엔드 오브 라인 제조라고도 함).라인 백엔드 제조(예: 상호접속층 및 유전체층)는 고려되지 않습니다.기술화의 한 가지 이유는 전자현미경 기술, 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM)과 같은 강력한 분석 도구를 사용할 수 있기 때문입니다.이러한 분석 도구는 소자의 형상을 정확하게 측정할 수 있습니다.도판트 또는 스트레스 프로파일의 정확한 고해상도 측정에 사용할 수 있는 유사한 도구는 없습니다.그럼에도 불구하고, 프론트 엔드 제조 단계와 백 엔드 제조 단계 간의 상호 작용에 대한 관심이 높아지고 있습니다.예를 들어 백엔드 제조는 트랜지스터 영역 변경 소자 성능에 스트레스를 줄 수 있다.이러한 상호작용은 백엔드 시뮬레이션 도구에 대한 더 나은 인터페이스의 필요성을 자극하거나 TCAD 도구에 일부 기능을 통합합니다.

프로세스 시뮬레이션의 범위가 최근 확대되고 있는 것 외에, 보다 정확한 시뮬레이션을 원하는 욕구가 항상 있어 왔습니다.그러나 계산 시간을 최소화하기 위해 가장 일반적으로 단순화된 물리적 모델이 사용되었습니다.그러나 디바이스 치수가 축소됨에 따라 도판트 및 스트레스 프로파일의 정확도가 높아지기 때문에 새로운 정밀도 요구에 맞춰 각 세대의 디바이스에 새로운 프로세스 모델이 추가됩니다.모델의 대부분은 필요하기 훨씬 전에 연구자에 의해 고안되었지만, 때로는 프로세스 엔지니어가 문제를 발견하고 실험을 수행한 후에야 새로운 효과를 인식하고 이해할 수 있습니다.어떤 경우에도 물리적 모델을 추가하고 보다 상세한 물리적 효과를 고려하는 추세는 계속될 것이며 가속화될 수 있습니다.

역사

상업적인 프로세스 시뮬레이터의 역사는 스탠포드 대학 프로세스 모델링 프로그램의 개발로 시작되었다. 이를 바탕으로 개선된 모델인 SUPREM II와 SUPREM III가 개발되었다.1979년 설립된 TMA(Technology Modeling Associates, Inc.)는 Suprem III를 최초로 상용화한 기업이다.나중에 실바코는 또한 슈프림을 상품화했고 그 제품에 아테나라는 이름을 붙였다.TMA는 1992년 1D 공정 시뮬레이터 TESIM과 2D 공정 시뮬레이터 DIOS를 탑재한 통합 시스템 엔지니어링(ISE)을 출시했다.TMA에서 새로운 3D 공정과 디바이스 시뮬레이터의 개발이 시작되고 TMA가 아반티에 인수된 후 1998년 Taurus로 출시되었습니다.1994년경 Florida Object Oriented Process Simulator(FLOOPS)의 첫 번째 버전이 완성되었습니다.FLOOPS는 이후 2002년에 ISE에 의해 상용화되었습니다.또 다른 프로세스 시뮬레이터 PROPETE는 1994년경 벨 연구소에서 만들어졌으며, 이후 Ageere가 되었지만 상업적으로 판매되지는 않았다.2002년에 Synopsys는 Avant!, Corp.를 인수했고 2004년에는 ISE를 인수했습니다.Synopsys는 Taurus와 TSUPREM4의 기능을 FLOOPS 플랫폼에 결합하여 Sentaurus Process라고 불렀습니다.현재 Silvaco 제품은 2D/3D 시뮬레이션용 Victory Process and Victory Device, 2D 공정 시뮬레이션용 [3]Athena 및 2D 디바이스 시뮬레이션용 Atlas입니다.2013년 Coventor는 복셀 모델링 및 표면 [4]진화에 기반한 고급 프로세스 시뮬레이터인 SEMulator3D를 출시했습니다.이러한 시뮬레이터 외에도 PRISM, PROSIM, ICEM, DADOS, TITAN, MicroTec, DOPDEES, ALAMODE 등의 대학 및 상업용 시뮬레이터가 다수 존재합니다.

프로세스 시뮬레이션 방법

프로세스 시뮬레이션과 가장 자주 관련된 프로세스 단계는 이온 주입, 아닐(확산 및 도판트 활성화), 식각, 증착, 산화 및 에피택시입니다.기타 일반적인 절차로는 화학기계평탄화(CMP), 규화 및 [1]: 692 리플로우가 있습니다.

모든 상용 프로세스 시뮬레이터는 유한 요소 분석([1]: 692 FE) 및/또는 유한 볼륨 방법(FV)의 조합을 사용합니다.FE/FV 방법에 대한 완전한 설명은 이 문서에서는 다루지 않지만, 주제에 대해 자세히 설명하는 훌륭한 책들이 많이 있습니다.그러나 정확한 결과를 얻기 위해서는 프로세스 시뮬레이션에 대한 요구사항을 논의하는 것이 중요합니다.이러한 요건은 일반적인 FE/FV 기법과 동일한 요건에 기초하고 있으며, 기기의 시뮬레이션 제작 중 지오메트리의 변경으로 인해 추가적인 어려움이 발생한다.공정 시뮬레이션에서는 FE/FV 망사를 사용하여 도판트 및 응력 프로파일을 계산하고 저장합니다.시뮬레이션 영역의 각 기하학적 변경에는 새로운 경계에 맞는 새로운 메쉬가 필요합니다.아래에 기술하는 바와 같이 다수의 기하학적 수정 단계와 각 단계가 이전의 모든 단계의 누적 결과에 따라 달라지는 프로세스 시뮬레이션의 특성으로 인해 프로세스 시뮬레이션은 특히 FE/[1]: 693 FV 기법의 응용이 어렵습니다.

프로세스 시뮬레이션의 가장 중요한 결과 중 하나는 처리 후의 도판트 프로파일입니다.프로파일의 정밀도는 시뮬레이션 중 언제든지 메시 포인트의 적절한 밀도를 유지하는 것에 크게 좌우됩니다.점의 밀도는 모든 도판트 및 결함 프로파일을 해결하기에 충분해야 하지만 확산 방정식을 푸는 계산 비용이 망사 점의 수에 따라 증가하기 때문에 그 이상이면 안 된다.일반적인 풀플로우 CMOS 프로세스 시뮬레이션에서는 50개 이상의 메쉬 변경이 발생할 수 있으며 적응형 메쉬가 실행되면 메쉬 변경 수가 대폭 증가할 수 있습니다.각 메쉬 변경에 대해 보간은 새 메쉬의 데이터 값을 얻기 위해 사용됩니다.보간 오류로 인한 정확도 저하를 방지하기 위해 메시 변경을 관리하는 것이 중요합니다.이를 위한 가장 쉬운 방법은 메쉬에 삽입된 포인트를 항상 유지하는 것이지만, 이로 인해 매우 많은 메쉬 포인트가 생성되어 계산 비용이 많이 들 수 있다는 단점이 있습니다.최소한의 계산 비용으로 정확한 결과를 얻으려면 보간 오류, 계산 비용 및 필수 사용자 입력 최소화 간의 균형을 유지하는 것이 중요합니다.3D로 기기를 시뮬레이션할 때 특히 그렇습니다.메쉬를 신중하게 배치하지 않으면 정확도가 심각하게 저하되거나 계산 비용이 너무 커 유용하지 않습니다.지금까지 프로세스 시뮬레이션 툴은 메쉬 적응을 완전히 자동화하여 사용자의 개입이 필요하지 않게 하는 데 한계가 있었습니다.이를 통해 사용자는 메쉬를 이해하고 그것이 시뮬레이션의 정확도와 실행 시간에 미치는 영향과 적절한 메쉬를 유지하기 위해 시뮬레이션 중에 메쉬 변화를 추적해야 하는 부담을 이해할 필요가 있습니다.

TCAD 도구의 가장 중요한 용도 중 하나는 장치 설계자가 특정 기술의 단점뿐만 아니라 가능한 이점을 더 잘 이해할 수 있도록 많은 탐색 시뮬레이션을 수행하는 새로운 장치 기술을 탐색하는 것입니다.이 사용 사례에서는 중간 분석을 포함한 순차적 시뮬레이션이 필요합니다.유용하게 사용하기 위해서는 많은 시뮬레이션 사이클이 탐사에 할당된 시간 내에 실행되어야 하며 시뮬레이션 실행 시간의 최소화에 높은 우선순위를 두어야 합니다.현재 풀플로우 표준 CMOS 시뮬레이션은 1D 시뮬레이션과 2D 시뮬레이션을 조합하여 이루어지는 경우가 대부분이며, 2.6GHz Pentium 4에서는 몇 시간이 걸리지 않습니다.이러한 시뮬레이션을 (게이트 형성부터) 3D로 수행하려면 최소 정확도 시뮬레이션을 위해 최소 24시간이 소요됩니다.TCAD 시뮬레이션에서 원하는 대부분의 정보는 장치를 균일하게 깊이 있게 다룰 수 있다는 단순화(2D 시뮬레이션)에서 추출할 수 있다.깊이를 따라 효과 장치 모양을 포함하거나 임플란트 섀도우링을 조사하려면 3D 시뮬레이션을 수행해야 합니다.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e Electronic design automation for IC implementation, circuit design, and process technology. Luciano Lavagno, Igor L. Markov, Grant Martin, Lou Scheffer (2 ed.). Boca Raton. 2016. ISBN 978-1-4822-5461-7. OCLC 948286295.{{cite book}}: CS1 유지보수: 기타 (링크)
  2. ^ EDA for IC implementation, circuit design, and process technology. Lou Scheffer, Luciano Lavagno, Grant Martin. Boca Raton, FL: CRC Taylor & Francis. 2006. ISBN 0-8493-7924-5. OCLC 61748500.{{cite book}}: CS1 유지보수: 기타 (링크)이 요약은 Mark Johnson이 Vol I, 24, 프로세스 시뮬레이션에서 (허가를 받아) 인용한 것입니다.
  3. ^ "TCAD Products". Silvaco.com. Retrieved 30 August 2019.
  4. ^ Fangaria, Pawan. "SEMulator3D – A Virtual Fab Platform". Semiwiki. Retrieved 2021-07-02.

외부 링크

  • TCAD Lab: 회로, 디바이스 및 프로세스 시뮬레이션을 가능하게 하는 TCAD 도구의 어셈블리
  • 프로세스 랩:산화예언자 기반 프로세스 시뮬레이터
  • 프로세스랩 : 농도 의존 확산 표준 확산과 농도 의존 확산 시뮬레이션 (PROPHET 기반 프로세스 시뮬레이터)
  • Process Lab : 결함결합 확산 포인트 결함과 결합된 도판트 확산 시뮬레이션 (PROPITE 기준)
  • PRIPTER는 편미분 방정식을 1차원, 2차원 또는 3차원으로 푸는 컴퓨터 프로그램입니다.모든 모델 계수 및 재료 매개변수는 사용자가 수정하거나 추가할 수 있는 데이터베이스 라이브러리에 포함됩니다.풀어야 할 방정식도 최종 사용자가 지정할 수 있다.PREPITE는 원래 반도체 공정 시뮬레이션을 위해 개발되었습니다.디바이스 시뮬레이션 기능도 현재 존재합니다.
  • Stanford University TCAD Tools Suprem 3 및 4용 UNIX 소스 코드를 포함한 비상용 버전.