集成电路_ TCAD：集成电路EDA核心卡脖子技术

TCAD与EDA的关系:以核心为基础

电子设计自动化( EDA )是电子设计自动化的缩写，EDA是集成电路领域的重要组成部分。

没有EAD软件，世界上所有的芯片设计公司都必须停止工作，替代工厂在进行流程开发和优化时没有工具。 中美贸易战争中的“中兴事件”、“三大EDA软件供应商供应中断事件”无疑再次验证了EDA在集成电路领域的核心地位。

在整个EDA软件中，TCAD在设备设计和过程开发过程中起着非常重要的作用，是集成电路设计和制造中不可或缺的重要组成部分，也是EDA软件系统的核心基础。

tcad ( technologycomputeraideddesign )的全名是半导体过程和设备模拟软件。

TCAD是一种基于半导体物理的数值模拟工具，模拟不同的过程条件，设计和优化能够被昂贵耗时的过程实验取代或部分取代的不同设备结构，获得理想特性的电路性能、电气缺陷等

TCAD通过减少实验次数、缩短研究开发时间，可以降低40%的生产成本。 目前，随着集成电路先进制造技术的发展，TCAD软件也随着集成电路制造技术的发展而发展，并发展为传统的TCAD和Atomistic TCAD。 其中传统的TCAD是目前20nm基于DD(Drift-Diffusion，漂移扩散)模型的TCAD软件及其相关技术，Atomistic TCAD从原子尺度进行仿真，以量子力学和量子传输为基础的新型集成电路的先进制造工艺

集成电路TCAD整体的工作流程(以往TCAD )

传统的TCAD根据其功能大致可分为过程模拟器、设备模拟器、紧凑型模型等等。

目前，世界TCAD (传统TCAD )模拟工具主要被两家美国公司Synopsys和Silvaco垄断，两者的市场份额合计超过90%。

半导体行业发展的难点与传统TCAD面临的困境

随着集成电路技术的发展，其先进制造技术逐渐接近3-5nm技术节点，新材料、新技术、新器件陆续流入实际设计、制造等环节。

为了解决集成电路在先进制造领域面临的困难和挑战，行业和学术界对未来集成电路的长期发展，有More Moore、More than Moore和Beyond CMOS三种方案。 实质上这3个技术方案是新材料、新技术、新器件的技术合作。

新技术对集成电路的工艺、材料、器件结构形成了巨大的挑战。 为了解决这些问题，必须采用最先进的TCAD技术，从新材料、新器件、新工艺等角度支持材料设计、器件设计、工艺设计进行集成电路设计和制造，降低设计和研发成本，缩短研发和设计时间，加快产品发布节奏。

与较旧的工艺节点相比，3-14纳米节点的器件具有完全不同的器件结构和物理效应。 传统的TCAD软件已经面临巨大挑战，无法承担3-14纳米电子器件的设计问题。 主要挑战包括:

1 .当装置到达深纳米尺度时，量化效应起到重要的作用，且传统模型不完全包括量化效应。 集成电路中各种短通道效应的出现是最具代表性的表现。 同时，随着集成电路的特征尺寸变小，由于量化效应的存在，变得难以控制各个装置的漏电。

先进集成电路制造中的量子效应不断增强，必须充分考虑量子效应

2 .经验和经典的TCAD设计方法和软件依赖于大量的实验参数，但在设备达到纳米尺度后，用实验手段获得可靠的参数越来越困难和耗时。 随着器件大小的缩小，微观材料成分、器件结构和工艺的差异对器件的性质有显着的影响，但传统的模型框架无法正确说明这些细节的影响。

3 .许多新型电子元件和电子材料陆续上市，完全超出了传统TCAD方法的应用范围。 而且，这些新的电子器件在FinFET、MRAM等领域有很大的应用前景。 在传统方法面临诸多困难的情况下，要发展新的计算方法。

新材料和新器件结构的出现超出了传统硅基TCAD的能力范围

半集成电路行业寻求解决办法: Atomistic TCAD

自动化tcad软件具有材料建模、材料设计、材料仿真、设备建模、设备仿真等多种功能，同时还应充分考虑量子传输等多种量子效应和其他物理机制。

Atomistic TCAD是目前世界上最先进、最准确的原子尺度进行模拟，设计原子尺度电子器件的TCAD工具。

与传统的过程建模技术相比，Atomistic TCAD是一种原子级计算机辅助设计软件，Atomistic TCAD通过对纳米级半导体电子器件进行建模和仿真，无需进行大量实验测量即可准确获得过程技术参数 有效缓解纳米级半导体行业设计和制造常见问题，有助于半导体厂商加快半导体工艺的开发，提高成品率。

此外，Atomistic TCAD可以扩展到模拟任何新材料，具有广泛的行业应用。

传统TCAD与Atomistic TCAD模型的比较

鸿渐微技术王音博士)

Atomistic TCAD行业内的解决方案和参与者及商业化布局

全球Atomistic TCAD软件商业化公司主要有三家，分别为国外Synopsys、Silvaco和中国鸿渐微技术(上海)股份有限公司( HZWTECH )。

目前主要技术路线主要分为两类

(1)NEGF-DFT技术路线(2)NEGF-TB技术路线。

1) NEGF-DFT和NEGF-TB技术概要NEGF-DFT技术由加拿大皇家科学院院士、麦吉尔大学James讲座教授郭鸿教授(鸿的微科技主任科学家)首次提出(详情请参阅Taylor J、 Guo h wangj.abinitiomodelingofquantumtransportpropertiesofmolecularelectronicdevices鸿渐的微设备tcad软件框架图

Device TCAD技术方法基于negfdft技术，为了解决传统negfdft中的随机掺杂等问题，在Device TCAD中开发了NEGF-CPA技术，能够更好地处理掺杂工艺对设备和材料性能的影响。

5) Synopsys Sentaurus TCAD与设备tcad的比较

为了研究纳米硅中的应力和应变以及相应的不同掺杂元素对新设备的影响，将Device TCAD中的NEGF-DFT技术模块与Synopsys Sentaurus TCAD进行了比较，发现两者很吻合。

张l，张id f，张l，et al.firstprinciplessimulationsofnanoscalesilicondeviceswithuniaxialstrain谢志峰

艾新教育创始人，芯盟科学技术总经理

芯片科学普及第一人

英特尔最高技术奖获得者

中心国际创立团队核心成员

复旦大学微电子学院兼职教授

科学中国人( 2018 )年度人物获奖者

谢志峰毕业于美国伦塞尔理工大学半导体物理专业博士，后来在美国的英特尔工作，获得英特尔最高奖。 2001年回国，追随张汝京建立了中心国际，历任投资中心副社长、系统芯片开发中心副社长、欧亚业务中心副社长。 曾任上海先进半导体制造有限公司总裁兼执行董事，与上海硅科技有限公司成立了专注于科技产业人才培养的艾新教育学院。

谢志峰博士是上海市科学技术协会第九届委员会委员，上海市技术人员学会总技术人员工作委员会副主任，美国IEEE高级会员，美国物理学会终身会员，2014年EE times IC设计公司的优秀管理者，拥有12项美国发明专利。

今天“半导体行业的观察”展示的第2110号的内容，欢迎。

半导体行业的观察

《半导体第一垂直介质》