TCAD：集成电路EDA核心卡脖子技术
2019-10-28
18:30:09
来源: 互联网
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TCAD与EDA的关系：核心底层
集成电路TCAD整体工作流程（传统TCAD）
EDA（Electronics Design Automation）是电子设计自动化的缩写，EDA是集成电路领域内至关重要的存在。
如果没有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软件供应商断供事件”，无疑再次验证了EDA在集成电路领域的核心地位。
在整个EDA软件中，TCAD在器件设计和工艺开发环节中发挥着至关重要的作用极为重要，是集成电路设计和制造中不可缺少的重要组成部分，是EDA软件系统中的核心底层。
TCAD（Technology Computer Aided Design）全称是半导体工艺和器件仿真软件。
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%。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伴生发展，逐渐演变为传统TCAD和Atomistic TCAD。其中传统TCAD即为目前在20nm上基于DD（Drift-Diffusion，漂移扩散）模型的TCAD软件及其相关技术，Atomistic TCAD为从原子尺度进行仿真，以量子力学和量子输运为基石的新型面向集成电路先进制造工艺（3-14nm等）的全新TCAD软件。
集成电路TCAD整体工作流程（传统TCAD）传统TCAD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TCAD（传统TCAD）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%。
半导体行业发展的痛点与传统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。
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。实质上这三种技术方案就是新材料、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：
1. 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。
先进集成电路制造中量子效应不断增强，需要完备的考虑量子效应
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，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。
3. 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。
新材料和新器件结构的涌现已经超越了传统硅基TCAD的能力范畴
半集成电路行业正在寻求解决方案：Atomistic TCAD
Atomistic TCAD软件应该具备材料建模、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。
Atomistic TCAD是目前全球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。
与传统的工艺建模技术相比，Atomistic TCAD是原子级的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，可以准确地获得过程技术参数，而无需进行大量实验测量。它可以有效地缓解纳米级半导体行业设计与制造中常见的难题，并有助于半导体制造商加快半导体工艺的开发，提高良率。
此外，Atomistic TCAD可以扩展到对任何新型材料进行仿真，并具有广泛的行业应用。
传统TCAD与Atomistic TCAD模型的对比
（图片来源：鸿之微科技 王音博士）
Atomistic TCAD行业内解决方案和参与者与商业化布局
全球范围内，Atomistic TCAD软件商业化公司主要有三家，分别是国外的Synopsys、Silvaco和中国的鸿之微科技（上海）股份有限公司（HZWTECH）。
目前其主流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技术简介
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（鸿之微科技首席科学家）首先提出（详情请查阅：Taylor J, Guo H, Wang J. Ab initio modeling of quantum transport properties of molecular electronic devices[J]. Physical Review B, 2001, 63(24): 245407.）。相关技术被成功应用到集成电路材料设计、器件设计与工艺仿真领域。
NEGF-TB是（非平衡格林函数-紧束缚近似）方法，这类方法是将非平衡格林函数方法与紧束缚近似模型相结合。从技术层面讲NEGF-TB的技术还未能够直接面对新材料对集成电路先进工艺带来的挑战。
2) Synopsys收购Quantumwise A/S公司构建技术闭环
Synopsys为了构建其在3nm技术节点的技术路线，收购了丹麦的Quantumwise A/S公司。通过结合NEGF-DFT（非平衡格林函数-密度泛函）技术和传统TCAD基于的漂移扩散模型（Drift-Diffusion，DD模型）来实现技术的闭环。
3) Silvaco与NEMO5合作推进原子尺度TCAD（Atomistic TCAD）
NEMO5为普渡大学的团队开发的原子尺度TCAD软件。NEMO5的原子模拟功能会演变为Silvaco TCAD的工具套件。NEMO5聚焦在在原子和亚原子尺度，预测半导体和金属纳米线中的电子结构、声子结构和量子输运性质。
NEMO5的核心是与密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）输入的兼容性以及对诸如有限温度和制造限制等现实世界效应的全面覆盖。
4) 鸿之微科技原子尺度TCAD——Device TCAD，双重技术路线原子尺度全覆盖
Device TCAD是鸿之微基于NEGF-DFT等技术开发的Atomistic TCAD软件，可以用于不同材料类型、不同器件结构的纳米器件的模拟，目前已经被国内外多家高校、研究所以及企业所采用。
作为国内唯一一家从事Atomistic TCAD软件开发与服务的高新科技公司，鸿之微的技术路线不仅包含了基于NEGF-DFT技术的原子尺度的Atomistic TCAD产品，其技术路线也实现了原子尺度的全覆盖。
对于基于NEGF-TB的原子尺度TCAD，鸿之微科技也进行了相应的Atomistic TCAD软件产品开发，对应的产品有Nanoskif和Nanoskim等软件模块。
鸿之微Device TCAD软件框架图
（图片来源：鸿之微科技技术团队龚奎博士）
Device TCAD技术方法基于NEGF-DFT技术，为了解决传统NEGF-DFT中面对随机掺杂等方面的问题，Device TCAD中开发了NEGF-CPA技术，能够更好的处理掺杂工艺对器件和材料性能的影响。
5) Synopsys Sentaurus TCAD与Device TCAD对比
为了研究纳米硅中的应力和应变，以及对应的不同掺杂元素对新型器件的影响，采用Device TCAD中NEGF-DFT技术模块与Synopsys Sentaurus TCAD进行对比，发现两者吻合的很好。
Device TCAD中NEGF-DFT模块与Synopsys Sentaurus TCAD的对比（图片来源：Zhang L, Zahid F, Zhu Y, et al. First principles simulations of nanoscale silicon devices with uniaxial strain[J]. IEEE transactions >）
鸿之微除了开发Device TCAD外，还在积极探索从原子尺度逐渐向传统工艺尺度（DD模型）延伸，推动原子尺度与传统尺度TCAD的融合。
鸿之微科技与中科院微电子所共同建立了集成电路联合计算实验室，开发集成电路制造领域的先进TCAD技术。
Atomistic TCAD：国家竞争必争之地，需要国家及全产业链协同
1) 国家竞争必争之地
中国在20nm以上技术节点的EDA技术赛道上面临着重重挑战，诸如无法与先进制造工艺融合发展的机会等窘境。在TCAD领域随着集成电路制造工艺水平到达3纳米，集成电路制造工艺控制问题，新的物理效应和器件架构等成为一个全球集成电路行业所面临的新问题，在这一问题上，我国企业和国外集成电路企业是在同一起点水平。
中国科学家以及相关的企业和研究所在若干器件物理和基础数学的研究已经走在世界前列。Atomistic TCAD的开发需要协同材料科学与工程、微电子、IT、物理、化学等多领域的协同，也是中国借此提升人才培养、多学科协同发展的绝佳契机。
2) Atomistic TCAD需要全产业链的协同
Atomistic TCAD是集成电路研发、设计、制造等工业知识的融合与沉淀，需要集成电路领域的用户来共同打造。如今，全球集成电路企业在Atomistic TCAD领域均处于同一起跑线上，对于中国国内的设计公司、制造厂、设备厂商而言，均是一个难逢的机会。
3) 国内集成电路制造厂商：Atomistic TCAD发展的沃土，也是相关技术的受益者
Atomistic TCAD软件不是单纯靠开发出来的，而是用户与软件开发商共同协作发展出来的，需要国内顶尖的集成电路制造厂商来使用和反馈，最终形成使用和反馈的闭环，促进Atomistic TCAD的发展，Atomistic TCAD产生的器件等参数亦可以为Design house（设计公司）进行EDA设计时提供相关的参数。
4) 国产新材料厂商：Atomistic TCAD新材料的开发和优化
目前材料的研发已经进入到从原子尺度，寻找构效关系设计和研发的阶段，而传统的材料相关软件已经无法满足广大材料企业的研发和技术创新需求。通过借助于Atomistic TCAD可以进行各类新材料的研发、设计与优化以及失效分析。
期待中国集成电路企业在3-5nm先进制造领域抢占Atomistic TCAD软件的制高点，推动中国集成电路屹立于世界集成电路强林。
责任编辑：sophie
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