技术详细介绍
技术原理 随着半导体技术进入10纳米以下节点，单个半导体器件的物理尺寸已经达到原子级。例如7纳米节点下的FinFET沟道宽度只有20~30个原子。在这样的尺度下，器件的具体原子结构（如晶格位移，掺杂子位置及原子缺陷等）以及量子物理效应（如栅极氧化层隧穿，源-漏隧穿和能量量子化等），对器件的性能和特性有决定性的影响。由于极端尺度微缩导致的电流泄漏，缺陷和结构波动成为器件性能，材料加工，封装和制造的严重问题。此外，许多新兴半导体器件甚至直接利用量子效应作为工作原理，如电子自旋器件和量子隧穿三极管等。对这些新兴器件的模拟必须考虑量子效应和原子细节。 TCAD工具是电子设计自动化EDA工具链的重要一环，包括器件和制程仿真。所有领先的半导体公司在整个技术开发周期均使用了TCAD工具。但现有TCAD软件主要基于经典半导体模型。这类经典模型将材料作为连续体处理，并且在基础方程中不考虑量子物理效应，因此难以模拟10纳米以下节点的器件。因此，先进半导体技术的发展迫切需要新一代具备量子物理及原子细节模拟能力的TCAD工具。此外TCAD工具是目前中国EDA领域的一个空白。中国芯片制造商等都是采用美国的TCAD工具。随着中国芯片技术将加快向先进技术节点（如7纳米）迈进，对先进TCAD工具有迫切需求。 我们开发的量子物理模型TCAD仿真软件QuantumSim，通过数值求解薛定谔方程，可以准确模拟纳米器件的材料及电气特性。同时也填补了中国先进TCAD工具领域的空白。我们的软件具有以下技术特点： 采用DFTB+NEGF量子物理模型，能够在取得相当高的模拟精度的同时维持合理的计算复杂度。 在量子模型中考虑电子-声子作用，可对纳米器件进行第一性原理的量子力学模拟；同时也考虑电子-光子作用，可仿真纳米光电器件。 自主研发多种快速矩阵算法和大规模并行计算技术，大大缩短器件模拟的耗时，目前已可处理10万原子的结构。 创新的量子/经典多尺度混合仿真，使真实纳米电子器件的量子力学模拟成为可能。 技术先进性 随着半导体器件尺寸的不断缩小，通过量子输运理论模拟深度纳米电子器件电学和光学特性的是过去十年EDA和计算物理的热门领域。通常，量子输运需要解决的是，与两个或多个不同化学势的电极接触的纳米电子器件中载流子输运描述。这本质上是一个量子开放体系的非平衡问题。这个问题的精确描述需要一个包含量子力学与非平衡统计物理的理论框架。非平衡格林函数方法（non-equilibrium Green function, NEGF ）为量子输运问题提供一个有力工具。NEGF方法通过构造一个特殊的Keldysh时间路径，使得非平衡态的物理问题可以用类似于平衡格林函数的方法处理。从1990年代起，NEGF方法逐渐成为量子输运领域的主流方法。 目前可供学术界和工业界使用的可包含原子特征的纳米器件TCAD工具仍然比较稀少，但世界主流的TCAD软件供应商已经认识到基于量子物理的原子级TCAD工具对未来半导体技术发展的重要性，正纷纷进入该领域。世界最大的EDA公司美国的Synopsys 2017底收购OuantumWise，将其变为OuantumATK并集成于自身的TCAD平台。另一家主流TCAD公司，美国的Silvaco于2018年与普渡大学合作，利用其 NEOM5量子物理仿真器开发新一代的原子级TCAD工具。 在我们多年量子物理仿真研究的基础上，我们开发了一套基于第一性原理的，能够有效处理开放体系下电子输运问题的量子力学模拟方法，并基于此方法开发了具有并行计算能力的量子物理TCAD软件QuantumSim，在行业内获得了广泛的认可。我们技术的先进性在于：i）能够对复杂体系的电子输运问题进行稳态和时间域模拟；ii）采用DFTB模型，能够取得与DFT模型可比较精度的结果，但大大减少计算时间。iii） 采用创新的多尺度QM/EM框架，对于整个器件计算分为核心和非核心区域，对于核心区域，采用精确但耗时的量子力学模型，对于非核心区域，采用半经典电磁模型，计算速度可大大加快。iv）自主研发多种稀疏矩阵快速算法和模型降阶技术，计算效率处于世界领先位置。 应用市场 在开发新型半导体工艺和器件时，TCAD仿真方法用于减少高成本且耗时的晶圆测试，并且可以提供完整的物理信息帮助。具体来说，在工艺开发层面TCAD工具有以下好处：可避免复杂的系统和高投入；每一步工艺的可视性强；开发周期短。在测试层面，可避免复杂的系统和高投入；可在工艺工程中进行分步测试；方便快捷。 所有领先的半导体公司在整个技术开发周期均使用了TCAD工具。在技术开发的早期阶段，TCAD工具允许工程师探索产品设计的替代方案，如设计衬底以增强沟道迁移率，并在试验数据获取困难的情况下仍满足性能目标。在工艺集成阶段，工程师可使用TCAD工具允许工程师仿真分组实验，如试验设计（DOE）以全面了解工艺特征并优化工艺，从而减少在实际晶圆上的试验运行以节省时间和成本。在大批量生产阶段，TCAD工具提供高级工艺控制机制，因此可提高参数成品率。