अर्धचालक प्रक्रिया अनुकरण

सेमीकंडक्टर प्रोसेस सिमुलेशन सेमीकंडक्टर निर्माण उपकरणों जैसे ट्रांजिस्टर का मॉडलिंग है। यह इलेक्ट्रॉनिक डिजाइन स्वचालन  की एक शाखा है, और एक उप-क्षेत्र का हिस्सा है जिसे प्रौद्योगिकी सीएडी या टीसीएडी के रूप में जाना जाता है।

प्रक्रिया सिमुलेशन का अंतिम लक्ष्य सक्रिय डोपेंट वितरण, तनाव वितरण और डिवाइस ज्यामिति की सटीक भविष्यवाणी है। प्रक्रिया अनुकरण आमतौर पर उपकरण अनुकरण के लिए एक इनपुट के रूप में उपयोग किया जाता है, उपकरण विद्युत विशेषताओं का मॉडलिंग। सामूहिक रूप से प्रक्रिया और डिवाइस सिमुलेशन डिज़ाइन चरण के लिए मुख्य उपकरण बनाते हैं जिन्हें टेक्नोलॉजी सीएडी या टेक्नोलॉजी कंप्यूटर एडेड डिज़ाइन के रूप में जाना जाता है। अमूर्तता के घटते स्तर के साथ एकीकृत सर्किट डिजाइन प्रक्रिया को चरणों की एक श्रृंखला के रूप में देखते हुए, तर्क संश्लेषण उच्चतम स्तर पर होगा और TCAD, निर्माण के सबसे करीब होने के कारण, कम से कम अमूर्तता वाला चरण होगा। विस्तृत भौतिक मॉडलिंग शामिल होने के कारण, प्रक्रिया सिमुलेशन लगभग विशेष रूप से एकल उपकरणों के विकास में सहायता के लिए उपयोग किया जाता है चाहे असतत या एक एकीकृत सर्किट के एक भाग के रूप में।

एकीकृत सर्किट उपकरणों के निर्माण के लिए प्रक्रिया प्रवाह नामक प्रसंस्करण चरणों की एक श्रृंखला की आवश्यकता होती है। प्रक्रिया सिमुलेशन में डोपेंट और तनाव प्रोफाइल प्राप्त करने के लिए प्रक्रिया प्रवाह में सभी आवश्यक कदमों को मॉडलिंग करना शामिल है, और कुछ हद तक, डिवाइस ज्यामिति। प्रक्रिया सिमुलेशन के लिए इनपुट प्रक्रिया प्रवाह और एक लेआउट है। लेआउट को 2डी सिमुलेशन के लिए पूर्ण लेआउट में रैखिक कट के रूप में या 3डी सिमुलेशन के लिए लेआउट से आयताकार कट के रूप में चुना गया है।

टीसीएडी ने परंपरागत रूप से मुख्य रूप से स्रोत और नाली संपर्कों के गठन के साथ समाप्त होने वाली प्रक्रिया प्रवाह के ट्रांजिस्टर निर्माण भाग पर ध्यान केंद्रित किया है - जिसे लाइन मैन्युफैक्चरिंग के फ्रंट एंड के रूप में भी जाना जाता है। लाइन निर्माण का पिछला सिरा, उदा. इंटरकनेक्ट और डाइइलेक्ट्रिक परतों पर विचार नहीं किया जाता है। चित्रण का एक कारण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी तकनीक, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) जैसे शक्तिशाली विश्लेषण उपकरणों की उपलब्धता है, जो डिवाइस ज्यामिति के सटीक माप की अनुमति देते हैं। डोपेंट या तनाव प्रोफाइल के सटीक उच्च रिज़ॉल्यूशन माप के लिए समान उपकरण उपलब्ध नहीं हैं। फिर भी, फ्रंट एंड और बैक एंड मैन्युफैक्चरिंग स्टेप्स के बीच की बातचीत की जांच करने में रुचि बढ़ रही है। उदाहरण के लिए, बैक एंड मैन्युफैक्चरिंग ट्रांजिस्टर क्षेत्र में डिवाइस के प्रदर्शन को बदलने में तनाव पैदा कर सकता है। ये इंटरैक्शन बैकएंड सिमुलेशन टूल के लिए बेहतर इंटरफेस की आवश्यकता को प्रोत्साहित करेंगे या उनमें से कुछ क्षमताओं को TCAD टूल्स में एकीकृत करने की ओर ले जाएंगे।

प्रक्रिया सिमुलेशन के हाल के विस्तार के दायरे के अलावा, हमेशा अधिक सटीक सिमुलेशन करने की इच्छा रही है। हालांकि, संगणना समय को कम करने के लिए सरलीकृत भौतिक मॉडल का सबसे अधिक उपयोग किया गया है। लेकिन, सिकुड़ते उपकरण आयामों ने डोपेंट और तनाव प्रोफाइल की सटीकता पर बढ़ती मांगों को रखा है, इसलिए नई सटीकता मांगों से मेल खाने के लिए प्रत्येक पीढ़ी के उपकरणों के लिए नए प्रक्रिया मॉडल जोड़े गए हैं। कई मॉडलों की कल्पना शोधकर्ताओं द्वारा उनकी आवश्यकता से बहुत पहले की गई थी, लेकिन कभी-कभी नए प्रभावों को तभी पहचाना और समझा जाता है जब प्रक्रिया इंजीनियरों को एक समस्या का पता चलता है और प्रयोग किए जाते हैं। किसी भी मामले में, अधिक भौतिक मॉडल जोड़ने और अधिक विस्तृत भौतिक प्रभावों पर विचार करने की प्रवृत्ति जारी रहेगी और इसमें तेजी आ सकती है।

इतिहास
स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी प्रोसेस मॉडलिंग प्रोग्राम के विकास के साथ वाणिज्यिक प्रक्रिया सिमुलेटर का इतिहास शुरू हुआ। इस शुरुआत पर बेहतर मॉडल के साथ SUPREM II और SUPREM III विकसित किए गए थे। टेक्नोलॉजी मॉडलिंग एसोसिएट्स, इंक. (टीएमए) जिसका गठन 1979 में हुआ था, वह पहली कंपनी थी जिसने सुप्रीम III का व्यावसायीकरण किया। बाद में सिल्वाको ने भी SUPREM का व्यावसायीकरण किया और उत्पाद का नाम एथेना रखा। TMA ने SUPREM-IV (2D संस्करण) का व्यावसायीकरण किया और इसे TSUPREM4 कहा। 1992 में, इंटीग्रेटेड सिस्टम इंजीनियरिंग (ISE) 1D प्रोसेस सिम्युलेटर TESIM और 2D प्रोसेस सिम्युलेटर DIOS के साथ सामने आया। लगभग उसी समय TMA में एक नई 3D प्रक्रिया और डिवाइस सिम्युलेटर का विकास शुरू हुआ और अवंती निगम  द्वारा TMA के अधिग्रहण के बाद, उत्पाद को 1998 में वृषभ के रूप में जारी किया गया। 1994 के आसपास फ्लोरिडा ऑब्जेक्ट ओरिएंटेड प्रोसेस सिम्युलेटर (FLOOPS) का पहला संस्करण पूरा हुआ। FLOOPS का बाद में 2002 में ISE द्वारा व्यावसायीकरण किया गया। एक अन्य प्रक्रिया सिम्युलेटर PROPHET को 1994 के आसपास बेल लैब्स में बनाया गया था जो बाद में Agere बन गया, लेकिन व्यावसायिक रूप से बेचा नहीं गया। 2002 में Synopsys ने Avant!, कॉर्प का अधिग्रहण किया। और 2004 में Synopsys ने ISE का अधिग्रहण कर लिया। Synopsys ने टॉरस और TSUPREM4 की विशेषताओं को FLOOPS प्लेटफॉर्म में संयोजित किया और इसे सेंटॉरस प्रोसेस कहा। वर्तमान सिल्वाको उत्पाद 2डी/3डी सिमुलेशन के लिए विक्ट्री प्रोसेस और विक्ट्री डिवाइस हैं, और 2डी प्रोसेस सिमुलेशन के लिए लीगेसी उत्पाद एथेना और 2डी डिवाइस सिमुलेशन के लिए एटलस हैं। 2013 में, Coventor ने SEMulator3D जारी किया, जो वॉक्सल मॉडलिंग और सतह के विकास पर आधारित एक उन्नत प्रक्रिया सिम्युलेटर है। इन सिमुलेटरों के अलावा, कई अन्य विश्वविद्यालय और वाणिज्यिक सिमुलेटर हैं जैसे प्रोमिस, प्रिडिक्ट, प्रोसिम, आईसीईसीआरईएम, डैडोस, टाइटन, माइक्रोटेक, डोपेडीस, अलामोड।

प्रक्रिया अनुकरण के तरीके
प्रक्रिया सिमुलेशन के साथ सबसे अधिक बार जुड़े प्रक्रिया चरण आयन आरोपण, एनीलिंग (प्रसार और डोपेंट सक्रियण), शुष्क नक़्क़ाशी, जमाव, ऑक्सीकरण और epitaxy हैं। अन्य सामान्य कदमों में रासायनिक-यांत्रिक समतलीकरण (सीएमपी), सिलिसाइडेशन और रिफ्लो शामिल हैं।

सभी व्यावसायिक प्रक्रिया सिमुलेटर परिमित तत्व विश्लेषण (एफई) और/या परिमित मात्रा विधियों (एफवी) विधियों के संयोजन का उपयोग करते हैं। एफई/एफवी पद्धति का पूरा विवरण इस लेख के दायरे से बाहर है, लेकिन 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 दौरान ज्यामिति में परिवर्तन से आने वाली अतिरिक्त कठिनाई के साथ FE/FV तकनीकों के लिए सामान्य आवश्यकताओं पर आधारित हैं। प्रक्रिया सिमुलेशन डोपेंट और तनाव प्रोफाइल की गणना और स्टोर करने के लिए एफई/एफवी जाल का उपयोग करता है। सिमुलेशन 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 शामिल ज्यामिति संशोधित कदम और प्रक्रिया सिमुलेशन की प्रकृति जहां प्रत्येक चरण पिछले सभी चरणों के संचयी परिणामों पर निर्भर करता है, प्रक्रिया सिमुलेशन को FE/FV तकनीक का विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण अनुप्रयोग बनाते हैं।

प्रक्रिया सिमुलेशन के सबसे महत्वपूर्ण परिणामों में से एक प्रसंस्करण के बाद डोपेंट प्रोफाइल है। सिमुलेशन के दौरान 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, लेकिन अधिक नहीं क्योंकि प्रसार समीकरणों को हल करने की गणना व्यय जाल बिंदुओं की संख्या के साथ बढ़ जाती है। एक विशिष्ट पूर्ण प्रवाह CMOS प्रक्रिया सिमुलेशन 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 तरीका यह है कि एक बार मेष में पेश किए जाने के बाद हमेशा अंक बनाए रखें, लेकिन 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 सिमुलेशन 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। यह उपयोगकर्ता को मेशिंग को समझने की आवश्यकता देता है और यह सिमुलेशन सटीकता और रन टाइम को कैसे प्रभावित करता है और उचित मेश बनाए रखने के लिए सिमुलेशन के दौरान मेश परिवर्तनों को ट्रैक करने के लिए उपयोगकर्ता को बोझ करता है।

TCAD टूल्स के सबसे महत्वपूर्ण उपयोगों में से एक नई डिवाइस तकनीक का पता लगाना है, जहां डिवाइस डिज़ाइनर को संभावित लाभों के साथ-साथ किसी तकनीक की कमियों की बेहतर समझ देने के लिए कई खोजपूर्ण सिमुलेशन किए जाते हैं। यह उपयोग मामला बीच में कुछ विश्लेषण के साथ अनुक्रमिक सिमुलेशन की मांग करता है। उपयोगी होने के लिए, सिमुलेशन चलाने के समय को कम करने पर उच्च प्राथमिकता देते हुए, अन्वेषण के लिए आवंटित समय के भीतर कई सिमुलेशन चक्र चलाना चाहिए। वर्तमान में, पूर्ण प्रवाह मानक CMOS सिमुलेशन अक्सर 1D और 2D सिमुलेशन के संयोजन के साथ पूरा किया जाता है और 2.6 GHz पेंटियम 4 पर कुछ घंटों से भी कम समय लेता है। इन सिमुलेशन को 3D में करने के लिए (गेट के गठन से) कम से कम लगेगा न्यूनतम सटीकता अनुकरण के लिए 24 घंटे। टीसीएडी सिमुलेशन से वांछित अधिकांश जानकारी सरलीकरण से निकाली जा सकती है कि डिवाइस को समान रूप से गहराई से व्यवहार किया जा सकता है (अर्थात 2डी सिमुलेशन)। गहराई के साथ प्रभाव डिवाइस आकार को शामिल करने या इम्प्लांट शैडोइंग की जांच करने के लिए, 3डी सिमुलेशन 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.