अर्धचालक प्रक्रिया अनुकरण

अर्धचालक प्रोसेस सिम्युलेशन उपकरणों जैसे ट्रांजिस्टर का प्रतिरूपण है। यह विद्युतकीय प्रारूप स्वचालन की एक शाखा है, और एक उप-क्षेत्र का भाग है जिसे प्रौद्योगिकी सीएडी या टीसीएडी के रूप में जाना जाता है।

प्रक्रिया सिम्युलेशन का अंतिम लक्ष्य सक्रिय डोपेंट वितरण, दाब वितरण और उपकरण ज्यामिति की सटीक पूर्वानुमान करना होता है। प्रक्रिया सिम्युलेशन  सामान्यतः डिवाइस सिम्युलेशन के लिए एक इनपुट के रूप में उपयोग किया जाता है, जो डिवाइस की विद्युतीय विशेषताओं के प्रारूपण   को कहते हैं।सामूहिक रूप से प्रक्रिया और डिवाइस सिम्युलेशन प्रारूप चरण के लिए मुख्य उपकरण बनाते हैं जिन्हें टेक्नोलॉजी सीएडी या टेक्नोलॉजी कंप्यूटर एडेड प्रारूप के रूप में जाना जाता है। ।एक समेकित परिपथ प्रारूप प्रक्रिया को अवसरवाद के स्तर को कम करते हुए एक क्रमशः चरणों के रूप में विचार किया जा सकता है, तो तार्किक संश्लेषण सबसे ऊचे स्तर पर होगा और टीसैडी सबसे कम अवसरवाद वाला चरण होगा, क्योंकि वह निर्माण के सबसे समीप होता है। क्योंकि विस्तृत भौतिक प्रारूपण के कारण, प्रक्रिया सिम्युलेशन का उपयोग मुख्य रूप से एकल या समेकित परिपथ के उपकरण के विकास में सहायता करने के लिए किया जाता है। प्रक्रिया सिम्युलेशन में डोपेंट और दाब प्रोफाइल प्राप्त करने के लिए प्रक्रिया प्रवाह में सभी आवश्यक कदमों को प्रारूपण करना सम्मिलित है, और कुछ हद तक, डिवाइस ज्यामिति प्रक्रिया सिम्युलेशन के लिए इनपुट प्रक्रिया प्रवाह और एक विन्यास है। विन्यास को 2डी सिम्युलेशन के लिए पूर्ण विन्यास में रैखिक कट के रूप में या 3डी सिम्युलेशन के लिए विन्यास से आयताकार कट के रूप में चुना गया है।

टीसीएडी पारंपरिक रूप से प्रक्रिया धारा के ट्रांजिस्टर निर्माण भाग पर मुख्य ध्यान केंद्रित करता रहा है, जिसका परिणामस्वरूप स्रोत और ड्रेन संपर्कों के निर्माण के साथ समाप्त होता है - जिसे "फ्रंट एंड ऑफ लाइन निर्माण" भी कहा जाता है। बैक एंड ऑफ लाइन निर्माण, जैसे कि परस्‍पर संबद्ध और परावैद्युत परतें, को ध्यान में नहीं लिया जाता है। इसका एक कारण है कि इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी तकनीकों, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (एसईएम) और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (टीईएम) जैसे शक्तिशाली विश्लेषण उपकरणों की उपलब्धता होती है, जो उपकरण की ज्यामिति के सटीक मापन करने की संभावना प्रदान करते हैं। डोपेंट या दबाव, प्रोफ़ाइल के सटीक उच्च-संकल्प मापन के लिए ऐसे समान उपकरण उपलब्ध नहीं हैं।

तथापि, फ्रंट एंड और बैक एंड निर्माण चरणों के बीच के संबंध का अन्वेषण करने के लिए बढ़ती हुई रुचि है। उदाहरण के लिए, बैक एंड निर्माण ट्रांजिस्टर क्षेत्र में दबाव का कारण बन सकता है, जिससे उपकरण के प्रदर्शन में परिवर्तन हो सकता है। ये संघर्ष बैक एंड सिम्युलेशन उपकरणों के लिए बेहतर इंटरफ़ेस की आवश्यकता को प्रेरित करेंगे या इन क्षमताओं को टीसीएडी उपकरणों में एकीकरण करने की ओर ले जाएंगे।

प्रक्रिया सिम्युलेशन के हाल के विस्तार के अतिरिक्त, हमेशा से अधिक सटीक सिम्युलेशन की इच्छा रही है। यद्यपि, गणना समय कम करने के लिए सरलीकृत भौतिक प्रारूपों का सबसे सरल उपयोग किया गया है। परंतु, उपकरणों के आयाम को कम करने से डोपेंट और तनाव प्रोफाइल की सटीकता पर बढ़ती मांग होती है, इसलिए नई प्रक्रिया प्रारूपो को उत्पादों की प्रति पीढ़ी में नई सटीकता की मांगों के साथ मेल खाने के लिए जोड़ा जाता है। बहुत सारे प्रारूपो का उद्भव आवश्यकता से पहले ही शोधकर्ताओं द्वारा किया गया था, परंतु  कभी-कभी नए प्रभाव को केवल तब पहचाना और समझा जाता है जब प्रक्रिया अभियंताओं द्वारा किसी समस्या की पहचान होती है और प्रयोग किए जाते हैं। किसी भी स्थिति में, अधिक भौतिक प्रारूप   जोड़ने और अधिक विस्तृत भौतिक प्रभावों को ध्यान में रखने की प्रवृत्ति जारी रहेगी और यह गति बढ़ सकती है।

इतिहास
वाणिज्यिक प्रक्रिया सिम्युलेशनो का इतिहास, स्टैंफोर्ड विश्वविद्यालय प्रक्रिया प्रारूपण कार्यक्रम के विकास के साथ प्रारंभ हुआ। इस आरंभ के आधार पर बेहतर प्रारूपों के साथ सुप्रेम II और सुप्रेम III विकसित किए गए। यह कार्यक्रम प्रौद्योगिकी मॉडलिंग एसोसिएट्स, द्वारा संचालित किया गया। 1979 में गठित (टीएमए) ने सुप्रेम III को वाणिज्यिक रूप में उपयोगी बनाने के लिए सबसे पहले कंपनी बनाई, बाद में सिल्वाको ने भी सुप्रेम को वाणिज्यिक रूप में उपयोगी बनाया और उसे एथेना नाम दिया। टीएमए ने सुप्रेम-IV को वाणिज्यिक रूप में उपयोगी बनाया और उसे टीसुप्रेम4 के नाम से जाना जाता है। 1992 में, इंटीग्रेटेड प्रणाली इंजीनियरिंग ने 1D प्रक्रिया सिम्युलेशन टेसिम और 2D प्रक्रिया सिम्युलेशन डियोस को विकसित किया। वाणिज्यीकरण के लगभग उसी समय, टीएमए में एक नया 3D प्रक्रिया और उपकरण सिम्युलेशन  का विकास प्रारंभ हुआ, और जब टीएमए को अवंति ने अधिग्रहण किया, तो उत्पाद 1998 में तौरस के रूप में प्रस्तुत किया गया। लगभग 1994 के आसपास, फ्लोरिडा ऑब्जेक्ट ओरिएंटेड प्रक्रिया सिम्युलेशन  (फ्लूप्स) का पहला संस्करण पूरा हुआ।

फ्लूप्स को बाद में 2002 में आईएसई द्वारा वाणिज्यिक उपयोग के लिए उपयोगी बनाया गया। और एक प्रक्रिया सिम्युलेशन प्रोफेट भी बेल लैब में 1994 के आसपास बनाया गया था, जिसके बाद में यह एजेरे बन गया, परंतु  यह वाणिज्यिक रूप से नहीं बेचा गया। 2002 में सिनोप्सीस ने अवंति, कॉर्प. का अधिग्रहण किया और 2004 में सिनोप्सीस ने आईएसई का अधिग्रहण किया। सिनोप्सीस ने तौरस और टीसुप्रेम 4 की विशेषताओं को फ्लूप्स प्लेटफ़ॉर्म में सम्मिलित किया और इसे सेंटौरस प्रक्रिया के नाम से पुनःनिर्माण किया। वर्तमान में सिल्वाको के उत्पादों में विजय प्रक्रिया और विजय यंत्र सम्मिलित हैं जो 2D/3D सिम्युलेशन के लिए हैं, एथेना और एटलस विश्वसनीय उत्पाद हैं जो 2D प्रक्रिया सिम्युलेशन और 2D उपकरण सिम्युलेशन के लिए हैं। 2013 में,

कोवेंटर ने सिम्युलेशन 3D को प्रस्तुत किया, एक उन्नत प्रक्रिया सिम्युलेशन जो वॉक्सेल प्रारूपण और सतह विकास पर आधारित है। इन सिम्युलेशनो के अतिरिक्त प्रॉमिस, प्रेडिक्ट, प्रोसिम, आइसक्रेम, डैडोस, टाइटन, माइक्रोटेक, डोपेडिस, अलामोड जैसे कई अन्य यूनिवर्सिटी और वाणिज्यिक सिम्युलेशन भी हैं।

प्रक्रिया सिम्युलेशन की विधियाँ
प्रक्रिया अनुकरण के साथ सबसे अधिक जुड़े हुए प्रक्रिया चरण आयन घातावरण, एनिलिंग एच, उद्भवन, ऑक्सीकरण और एपिटैक्सी हैं। अन्य सामान्य चरणों में रासायनिक-यांत्रिक समतलीकरण (सीएमपी), सिलिसाइडेशन और रीफ्लो सम्मिलित होते हैं।

सभी वाणिज्यिक प्रक्रिया सिम्युलेटर अंतिम तत्व विश्लेषण (एफई) और/या अंतिम मात्रा विधि (एफवी) विधियों के संयोजन का उपयोग करते हैं। एफई/एफवी पद्धति का पूरा विवरण इस लेख के दायरे से बाहर है, परंतु कई बेहतरीन किताबें हैं जो विषय का पूरी तरह से वर्णन करती हैं। हालांकि, सटीक परिणाम प्राप्त करने के लिए प्रक्रिया अनुकरण के लिए आवश्यकताओं पर चर्चा करना महत्वपूर्ण है। ये आवश्यकताएं डिवाइस के अनुरूपित निर्माण के समय ज्यामिति में परिवर्तन से आने वाली अतिरिक्त कठिनाई के साथ एफई / एफवी तकनीकों के लिए सामान्य आवश्यकताओं पर आधारित हैं। प्रक्रिया सिम्युलेशन डोपेंट और दबाव प्रोफाइल की गणना और स्टोर करने के लिए एफई/एफवी जाल का उपयोग करता है। सिम्युलेशन डोमेन में प्रत्येक ज्यामितीय परिवर्तन के लिए एक नई जाली की आवश्यकता होती है जो नई सीमाओं के अनुकूल हो। जैसा कि नीचे वर्णित किया जाएगा, बड़ी संख्या में सम्मिलित ज्यामिति संशोधित कदम और प्रक्रिया सिम्युलेशन की प्रकृति जहां प्रत्येक चरण पिछले सभी चरणों के संचयी परिणामों पर निर्भर करता है, प्रक्रिया सिम्युलेशन को एफई / एफवी तकनीक का विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण अनुप्रयोग बनाते हैं।

प्रक्रिया सिम्युलेशन के सबसे महत्वपूर्ण परिणामों में से एक प्रसंस्करण के बाद डोपेंट प्रोफाइल है। सिम्युलेशन के समय किसी भी समय प्रोफ़ाइल की सटीकता जाल बिंदुओं के उचित घनत्व को बनाए रखने पर दृढ़ता से निर्भर करती है। सभी डोपेंट और दोष प्रोफाइल को हल करने के लिए बिंदुओं का घनत्व पर्याप्त होना चाहिए, परंतु अधिक नहीं क्योंकि प्रसार समीकरणों को हल करने की गणना व्यय जाल बिंदुओं की संख्या के साथ बढ़ जाती है। एक विशिष्ट पूर्ण प्रवाह सीएमओएस प्रक्रिया सिम्युलेशन में 50 से अधिक मेश परिवर्तन हो सकते हैं और यदि अनुकूली मेशिंग की जाती है तो मेश परिवर्तनों की संख्या नाटकीय रूप से बढ़ सकती है। प्रत्येक मेष परिवर्तन के लिए, नए जाल पर डेटा मान प्राप्त करने के लिए प्रक्षेप का उपयोग किया जाता है।

प्रक्षेप त्रुटि के कारण सटीकता में गिरावट से बचने के लिए इस तरह से मेश परिवर्तनों का प्रबंधन करना महत्वपूर्ण है। ऐसा करने का सबसे आसान विधि यह है कि एक बार मेष में पेश किए जाने के बाद हमेशा अंक बनाए रखें, परंतु इसमें बहुत अधिक जाल बिंदुओं का उत्पादन करने का दोष है जो कम्प्यूटेशनल रूप से महंगा हो सकता है। कम से कम कम्प्यूटेशनल व्यय के साथ सटीक परिणाम प्राप्त करने के लिए इंटरपोलेशन त्रुटि, कम्प्यूटेशनल व्यय और आवश्यक उपयोगकर्ता इनपुट को कम करने के बीच संतुलन बनाए रखना महत्वपूर्ण है। 3D में उपकरणों का अनुकरण करते समय यह विशेष रूप से सच है। मेश के सावधानीपूर्वक प्लेसमेंट के बिना या तो सटीकता अस्वीकार्य रूप से प्रभावित होगी, या कम्प्यूटेशनल व्यय उपयोगी होने के लिए बहुत अधिक होगा। प्रक्रिया सिम्युलेशन  उपकरण को अब तक जाल अनुकूलन को पूरी तरह से स्वचालित करने में सीमित सफलता मिली है, जैसे कि किसी उपयोगकर्ता के हस्तक्षेप की आवश्यकता नहीं है। इसका अर्थ होता है कि उपयोगकर्ता को मेशिंग को समझने की आवश्यकता होती है कि इसका प्रभाव सिम्युलेशन  की सटिकता और रन टाइम पर कैसा पड़ेगा, और यह उपयोगकर्ता को बोझ बनाता है कि वे सिम्युलेशन के दौरान मेश परिवर्तनों का ट्रैक करें और सुनिश्चित करें कि सही मेश बनाए रखा जाता है।

टीसीएडी उपकरणों का सबसे महत्वपूर्ण उपयोग नई डिवाइस प्रौद्योगिकी का अन्वेषण करना होता है, जहां दिए गए प्रौद्योगिकी के संभावित लाभ और उलझनों की बेहतर समझ प्रदान करने के लिए कई अन्वेषणात्मक सिम्युलेशन किए जाते हैं। इस उपयोग मामले में, कुछ विश्लेषण के साथ अनुक्रमिक सिम्युलेशन की मांग होती है। उपयोग के लिए, अन्वेषण के लिए निर्धारित समय के भीतर कई सिम्युलेशन चक्र चलाए जाने चाहिए, जिससे सिम्युलेशन के रन टाइम को कम करने पर उच्चतम प्राथमिकता दी जाती है। वर्तमान में, पूर्ण फ्लो स्टैंडर्ड सीएमओएस सिम्युलेशन अधिकांशतः 1डी और 2डी सिम्युलेशन के संयोजन से पूरा किया जाता है और 2.6 जीगाहर्ट्ज़ पेंटियम 4 पर कुछ घंटे से कम समय लेता है। इन सिम्युलेशन को 3डी में करने के लिए (गेट निर्माण से शुरू होकर) न्यूनतम 24 घंटे की आवश्यकता होगी न्यूनतम सटिकता वाली सिम्युलेशन के लिए। टीसीएड सिम्युलेशन से चाहिए जानकारी का बहुतायत भाग गहराई में उपकरण को समान रूप से व्यवहारित किया जा सकता है (यानी 2डी सिम्युलेशन के माध्यम से)। उपकरण के आकार के प्रभाव को देखने या घातावरण के अध्ययन के लिए, 3डी सिम्युलेशन किया जाना चाहिए।

बाहरी संबंध

 * A TCAD Lab: assembly of TCAD tools that enables circuit, device and process simulations
 * Process Lab:Oxidation PROPHET based process simulator
 * Process Lab : Concentration-Dependent Diffusion Simulates both the standard diffusion and concentration dependent diffusion (PROPHET based process simulator)
 * Process Lab : Defect-coupled diffusion Simulates dopant diffusion coupled with point defects (based on PROPHET)
 * PROPHET PROPHET is a computer program for solution of sets of partial differential equations in one, two, or three spatial dimensions. All model coefficients and material parameters are contained in a database library which can be modified or added to by the user. Even the equations to be solved can be specified by the end user.PROPHET was originally developed for semiconductor process simulation. Device simulation capabilities also exist now.
 * Stanford University TCAD Tools Non-commercial version including unix source code for SUPREM 3 and 4.