テクノロジー CAD

テクノロジーCADまたはTCAD は、半導体の製造と半導体デバイスの動作をモデル化する電子設計自動化(EDA)の一分野です。製造のモデル化はプロセス TCADと呼ばれ、デバイスの動作のモデル化はデバイス TCADと呼ばれます。これには、プロセス ステップのモデル化(拡散やイオン注入など) や、デバイスのドーピング プロファイルなどの基礎物理学に基づいた^電気デバイスの動作のモデル化が含まれます。TCAD には、「コンパクト モデル」 (よく知られているSPICEトランジスタ モデルなど) の作成も含まれる場合があります。コンパクト モデルは、このようなデバイスの電気的動作を^捉えようとしますが、通常は基礎となる物理学からそれらを導き出すことはありません。SPICE シミュレータ自体は、通常、TCAD ではなく EDA の一部と見なされます。

テクノロジ ファイルと設計ルールは、集積回路設計プロセスの重要な構成要素です。プロセス テクノロジ、その変動性、および IC の動作条件 (環境、寄生相互作用、テスト、静電放電などの悪条件を含む) に対するそれらの正確性と堅牢性は、パフォーマンス、歩留まり、信頼性を決定する上で重要です。これらのテクノロジ ファイルと設計ルール ファイルの開発には、テクノロジとデバイス開発、製品設計、品質保証の境界を越えた反復プロセスが含まれます。モデリングとシミュレーションは、この進化プロセスの多くの側面をサポートする上で重要な役割を果たします。

TCAD の目標は、集積回路デバイスの物理的記述から始まり、物理的構成と関連するデバイス特性の両方を考慮し、回路設計をサポートする広範囲の物理モデルと電気的動作モデル間のリンクを構築します。分散形式と集中形式の物理ベースのデバイスモデリングは、IC プロセス開発の重要な部分です。これは、技術の根底にある理解を定量化し、その知識をデバイス設計レベルに抽象化することを目指しており、回路設計と統計計測をサポートする 主要なパラメータ^{[4]の抽出も含みます。}

ここでは、 IC 業界の主力である金属酸化膜半導体(MOS) トランジスタに重点を置いていますが、現在の最先端技術の基礎となったモデリング ツールと方法論の開発の歴史を簡単に概観しておくことも役立ちます。

プロセス、デバイス、回路のシミュレーションとモデリング ツールの相乗効果であるコンピュータ支援設計 (TCAD) テクノロジの進化は、1960 年代後半に始まったバイポーラテクノロジと、接合分離型、二重拡散型、三重拡散型トランジスタの課題に端を発しています。これらのデバイスとテクノロジは最初の集積回路の基礎となりましたが、40 年にわたる IC 開発を経た今でも、スケーリングの問題やその根底にある物理的影響の多くは IC 設計に不可欠なものです。これらの初期世代の IC では、プロセスの変動性とパラメトリック イールドが問題でした。このテーマは、将来の IC テクノロジでも制御要因として再び浮上するでしょう。

プロセス制御の問題（本質的なデバイスと関連するすべての寄生の両方）は困難な課題を提示し、プロセスおよびデバイスのシミュレーションのためのさまざまな高度な物理モデルの開発を義務付けました。1960 年代後半から 1970 年代にかけて、利用されたモデリング アプローチは主に 1 次元および 2 次元シミュレータでした。これらの初期世代の TCAD は、バイポーラ技術の物理指向の課題に対処する上で刺激的な可能性を示しましたが、MOS 技術の優れたスケーラビリティと消費電力は IC 業界に革命をもたらしました。1980 年代半ばまでに、CMOS は統合エレクトロニクスの主な推進力になりました。それでも、これらの初期の TCAD 開発^{[5] [6]}は、現在主流となっている VLSI および ULSI 時代を通じて技術開発を活用した重要なツールセットとして成長し、広く導入される基盤を築きました。

四半世紀以上にわたり、IC 開発は MOS 技術によって支配されてきました。1970 年代から 1980 年代にかけては、速度と面積の利点に加え、技術上の制限や、分離、寄生効果、プロセスの複雑さに関する懸念から、NMOS が好まれました。NMOS が主流だった LSI と VLSI の出現の時代に、MOS 技術の基本的なスケーリング法則が成文化され、広く適用されました。[ ^7]また、この時期に TCAD は堅牢なプロセス モデリング (主に 1 次元) を実現するという点で成熟し、これが業界全体で広く使用される不可欠な技術設計ツールになりました。^[8]同時に、MOS デバイスの性質上主に 2 次元であるデバイス シミュレーションは、デバイスの設計とスケーリングにおいて技術者の主力となりました。^{[9] NMOS から}CMOS技術 への移行により、プロセスとデバイスのシミュレーション用に密に結合された完全な 2D シミュレータが必要になりました。この第3世代のTCADツールは、設計ルールやラッチアップなどの寄生効果の問題を含む、ツインウェルCMOSテクノロジーの完全な複雑さに対処するために不可欠になりました（図3aを参照）。^{[10] [11]} 1980年代半ばまでのこの期間の簡潔かつ将来的な見解は、^[12]に示されています。また、TCADツールが設計プロセスでどのように使用されたかという観点からも示されています。^[13]

今日、TCAD の要件と使用は、多くの基本的な物理的制限を含む、設計自動化の問題の非常に広範な領域にまたがっています。その中心には、本質的なデバイスのスケーリングと寄生抽出をサポートするプロセスおよびデバイス モデリングの課題が依然として多数あります。これらのアプリケーションには、テクノロジと設計ルールの開発、コンパクト モデルの抽出、より一般的には製造性を考慮した設計(DFM) が含まれます。^[14] ギガ スケールの統合 (トランジスタ数は O(10 億) 単位、クロック周波数は O (10 ギガヘルツ) 単位) における相互接続の優位性により、光学パターンと電子および光相互接続パフォーマンス モデリングの両方について、電磁シミュレーションによるパターン形成と回路レベルのモデリングを取り入れたツールと方法論の開発が必須となっています。デバイスおよび相互接続レベルでのこの広範な問題 (基礎となるパターン形成および処理テクノロジへのリンクを含む) は、図 1 にまとめられており、以降の説明の概念的枠組みを示しています。

図 1 は、シミュレーション ツールのプロセス、デバイス、回路レベルの階層を示しています。モデリング レベルを示すボックスの両側には、TCAD の代表的なアプリケーションを図式的に示すアイコンがあります。左側では、シャロー トレンチ アイソレーション (STI)、位相シフト マスキング (PSM) に必要な追加機能、化学機械平坦化 (CMP) の処理問題を含むマルチレベル相互接続の課題、電磁場ソルバーを使用した電磁効果の考慮の必要性など、製造のための設計(DFM) の問題に重点を置いています。右側のアイコンは、予想される TCAD 結果とアプリケーションのより従来の階層を示しています。つまり、固有デバイスの完全なプロセス シミュレーション、駆動電流スケーリングの予測、デバイスと寄生要素の完全なセットのテクノロジ ファイルの抽出です。

図 2 では、TCAD の機能について再度説明しますが、今回は設計フロー情報という観点から、これが電子設計自動化 (EDA) の世界の物理層およびモデリングとどのように関係するかについて説明しています。ここでは、プロセスおよびデバイス モデリングのシミュレーション レベルは、(TCAD 内の) 不可欠な機能として考えられており、これらが一緒になって、マスク レベルの情報から、コンパクト モデル (「テクノロジ ファイル」) やさらに高レベルの動作モデルなどの EDA レベルで必要な機能への「マッピング」を提供します。また、抽出および電気ルール チェック (ERC) も示されています。これは、これまで分析定式化に埋め込まれていた詳細の多くが、テクノロジ スケーリングの複雑さの増大に対応するために、実際にはより深い TCAD レベルにもリンクされている可能性があることを示しています。

TCAD は通常、集積回路設計プロセスと統合され、次のツールが含まれます。

• アナログ回路シミュレータ用のSPICE ( HDLと混同しないでください)
• ドーパントプロファイルからデバイスをモデリングする方法を説明する半導体デバイス モデリング。
• これらのプロファイルを生成するための半導体プロセスシミュレーション
• BACPACは、これらすべてを考慮してシステムパフォーマンスを推定する分析ツールです。

TCADツールの現在の主要サプライヤには、Delphea、Synopsys、Silvaco、Crosslight Software、Cogenda Software、Global TCAD Solutionsなどがあります。オープンソースのGSS、^[15] Archimedes、^[16] Aeneas、^[17] NanoTCAD ViDES、DEVSIM、^[18] GMPT、GENIUSには商用製品の機能の一部が備わっています。

• 『Electronic Design Automation For Integrated Circuits Handbook』、Lavagno、Martin、Scheffer 著、ISBN  0-8493-3096-3電子設計自動化分野の調査。この概要は、Robert W. Dutton、Chang-Hoon Choi、Edwin C. Kan 著『Vol II、Chapter 25、 Device Modeling—from physics to electrical param extract 』から許可を得て引用したものです。
• S. Selberherr、W. Fichtner、および HW Potzl、「Minimos - MOS デバイスの設計と解析を容易にするプログラム パッケージ」、Proceedings NASECODE I (半導体デバイスの数値解析)、pp. 275–79、Boole Press、1979 年。

• TCAD Central: 商用およびオープンソースの TCAD ソフトウェアのディレクトリ