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东芝等发布40nm CMOS、高频双极晶体管使用TCAD的应用事例
发布时间:2024-08-08 | 版权所有:必一体育

  3家企业的TCAD(主要为工艺模拟器与元器件模拟器)应用领域各不相同。东芝将其用于40nm CMOS的初期量产,瑞萨将其用于使用高频双极晶体管的IC开发,富士电机则将其用于高耐压晶体管的开发。第一位登台发表演讲的是东芝的吉村尚郎(系统 LSI事业部系统LSI元器件技术开发部系统LSI元器件技术第一参事)。演讲题目为“CMOS逻辑LSI量产初期阶段的TCAD应用事例”。

  吉村表示,在微细化不断发展、小批量试制成本急剧上涨等背景下,通过使用TCAD来减少试制次数比以往变得更为重要。TCAD“已被用于各个阶段” (吉村),包括性能指标的制定、工艺开发以及初期量产(启动)等。作为用于初期量产的具体事例,吉村此次介绍了该公司大分工厂的300mm生产线nm CMOS工艺时的多个TCAD应用事例。

  使用TCAD的好处首先是工艺偏差减小。最初,pMOS晶体管的阈值电压偏差(3σ)较大,但使用TCAD对源漏极剖面和Halo剖面的重叠区域进行 优化之后,3σ减小了36%。第二个好处是能够了解MOS FET硅底板凹槽的影响。据介绍,东芝通过TCAD发现即使是数nm的微小凹槽也会对产品造成很大影响,因此重新研发了工艺。

  第三是确认在栅极旁边的扩展区域嵌入碳的效果。据称,使用TCAD进行验证的结果表明,嵌入碳的效果大于预期。第四是使用TCAD解决了因晶圆上的位 置不同导致pMOS的导通电流发生变化的问题。最初,导通电流会在晶圆中心部发生劣化,不过后来通过优化源漏极及嵌入式SiGe的形状,实现了导通电流的 均匀化。

  第五个好处是解决了量子阱之间分离的问题。最初产品中存在耐压较低的部分,但后来使用TCAD研究出了多种修改方案,并在短时间内解决了这一问题。第 六个事例与SPICE模型制作有关。利用TCAD使MOSFET具备I-V特性,可在试制前开始设计电路。第七是分析MOSFET布局依存性。因周边布局 不同,会导致应力发生变化,从而对MOSFET的特性造成影响,但使用TCAD能以高精度分析MOSFET布局依存性。

  接下来由来自瑞萨的高阶礼儿(模拟&功率事业本部化合物元器件事业部光元件专家)登台演讲。演讲题目为“利用3D TCAD提取VBIC参数”。高阶介绍了采用TCAD提取截止频率高达6GHz的双极晶体管VBIC(Vertical Bipolar Intercompany)模型参数的事例。

  高阶表示,提取双极晶体管模型参数时,以往很少使用TCAD。原因是TCAD基本上是二维模拟,无法准确反映双极晶体管中十分重要的三维效果。比如, 对高频特性影响较大的集电极基极间接合容量,因进行二维处理时不包含侧壁容量,因此会比实际容量小20%左右。

  此次,通过使用美国新思科技的三维TCAD,得以将侧壁容量放入集电极基极间接合容量中考虑,因此获得了二维TCAD难以实现的、接近实测值的模型参 数。另外,高阶还介绍了使用基于所得参数的VBIC模型,利用SPICE进行运算放大器电路模拟的例子。得到的模拟值与实测值完全一致。

  尽管三维TCAD具备很多优点,但缺点是处理时间较长。高阶称,如果不将网格数量减少至二维TCAD时的1/3左右,就无法在现实的时间内完成处理。 该公司已在IC产品设计中采用了基于此次三维TCAD的技术。

  最后登台演讲的是富士电机的山路将晴(技术开发本部元器件技术开发中心元器件开发部功率IC组小组长)。演讲题目为“A Novel 600V-LDMOS with HV-Interconnection for HVIC on Thick SOI”,除了这种SOI高耐压IC之外,他还介绍了一项TCAD应用事例。

  山路首先介绍了演讲题目中提及的SOI高耐压IC。他表示,关于使用SOI底板的高耐压IC,目前市场上存在的产品均为550V耐压型(保证值)。山 路等人目前正在开发耐压值超过该数值达到600V(保证值)、基于SOI底板的IC,此次他就开发过程中使用TCAD的事例进行了介绍。山路表示,使用 TCAD的是该IC的高压端与电压位准移位器(Level Shifter)之间要求耐压值最高的部分(高耐压连接件)。

  山路等人利用TCAD对该高耐压连接件可确保多大的耐压值进行了确认。该公司采用了在位于高耐压连接件下方的LDMOS设置两个移动p层来提高耐压值 的方法。优化该p层的Doze量,可提高耐压值。山路在演讲时称,目前已通过TCAD模拟确认,能够获得680V的耐压值。另外,他还展示了为反映模拟结 果而试制的LDMOS的照片并介绍了实测结果。

  此次介绍的TCAD应用事例为自我分离型高耐压IC。该公司确认了TCAD对IC布局优化的有效性。在自我分离型高耐压IC中,确保负电压浪涌 (Serge)耐性是设计的重点。具体而言,就是使高压端的n层拾取器(Pickup)与高压端的p层拾取器之间保持的距离适中。一般情况下,距离较远时 可提高耐性,不过会导致芯片面积增大。

  此次还利用TCAD进行了流入高压端pMOS晶体管的霍尔电流的瞬态模拟等。据介绍,通过这种方法,弄清了上述距离与霍尔电流量的关系,并确认了IC 具有布局依存性这一点。该公司最终会将其反映在布局设计中。(记者:小岛 郁太郎)

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