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原子级仿真EDA软件的新赛道

2019年11月14日 01:03来源:未知手机版

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如果没有电子设计自动化EAD软件,全球所有的芯片设计公司都得停摆,代工厂在进行工艺研发与优化时也将无工具可用。中美贸易战中“中兴事件”、“三大EDA软件商断供事件”,无疑再次验证了EDA在集成电路领域的核心地位。

仿真利器

在整个EDA软件中,半导体工艺和器件仿真软件TCAD(Technology Computer Aided Design)则在设计和工艺开发环节中,发挥着至关重要的作用,是EDA软件系统中的核心底层。

TCAD是建立在半导体物理基础之上的数值仿真工具,它可以对不同工艺条件进行仿真,取代或部分取代昂贵、费时的工艺实验;也可以对不同器件结构进行设计和优化,获得理想的特性;还可以对电路性能及电缺陷等进行模拟。

TCAD可以通过减少实验次数和缩短研发时间,将生产成本降低40%。传统TCAD主要基于DD(Drift-Diffisuion,漂移扩散)模型面向20nm及20nm以上技术节点,按照其功能主要分为:工艺仿真器(process simulator)、器件仿真器(device simulator)以及紧凑模型(compact model)等。

目前全球传统TCAD的仿真工具主要被两家美国公司Synopsys和Silvaco垄断,两者市场份额总和超过90%。

困境深陷

随着集成电路技术的发展,其先进制造技术逐渐逼近3-5nm技术节点,新材料、新工艺、新器件不断涌入到实际的设计、制造等环节。

设计软件也需要紧密跟随。为了解决集成电路面向先进制造领域面临的困难和挑战,业界和学界对于未来集成电路的长期演进有三种方案,即More Moore, More than Moore 以及Beyond CMOS。这三种技术方案,本身都是新材料、新工艺、新器件的技术的协同。

新的技术对集成电路所涉及的工艺、材料、器件结构都形成了巨大的挑战。为了解决这些挑战,需要采用最为先进的TCAD技术从新材料、新器件、新工艺等角度进行材料设计、器件设计、工艺设计为集成电路设计和制造提供支持,降低设计和研发成本,缩短研发和设计时间,加速产品上市节奏。

相比于旧的工艺节点,3-14纳米节点器件具有完全不同的器件结构和物理效应。传统的TCAD软件已经面临着巨大的挑战,将无法承担3-14纳米电子器件的设计问题。其主要困难来自于,当器件到达深纳米尺度甚至原子尺度时,量子效应将起重要作用,而传统的模型没有完备地包含量子效应。集成电路中各类短沟道效应的出现即为最具代表性的表现。同时随着集成电路特征尺寸的减小,由于量子效应的存在,单个器件的漏电也变得难以调控。

另外一个问题是,经验和经典的TCAD设计方法和软件依赖于大量的实验参数,然而当器件达到纳米尺度后,通过实验手段获得可靠的参数变得越来越困难和费时费力。随着器件尺寸的缩小,微观的材料成分、器件结构以及工艺的差异,将会对器件的性质带来显著影响,而传统的模型框架无法准确描述这些细节的影响。

事实上,随着诸多新型电子器件和电子材料的不断问世,完全超出了传统TCAD方法的应用范围。并且,这些新型电子器件已经在FinFET 、MRAM等领域有巨大应用前景。在传统方法面临诸多困难的情况下,必须发展新的计算方法。

原子级登场

目前,随着集成电路先进制造工艺的发展,TCAD软件也与集成电路电路制造工艺一样,伴生发展,同向而行。一种全新的Atomistic TCAD得以发展,它是从原子尺度进行仿真,以量子力学和量子输运为基石,成为面向集成电路先进制造工艺(3-14nm等)的新软件。

Atomistic TCAD软件具备材料建模、材料设计、材料模拟、器件建模、器件模拟等多种功能,同时要完备地考虑量子输运等多种量子效应和其他的物理机制。这是人类最先进和最准确的从原子尺度进行仿真,用来设计原子尺度电子器件的TCAD工具。

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