引言

在2022年3月,清华大学科研团队报道了栅极长度低于1nm的MoS2晶体管,预示着晶圆级CVD制备的单层半导体材料有望应用于未来集成电路。这项振奋人心的工作发表在了国际顶刊Nature上。

随着摩尔定律的发展,近些年半导体技术逐渐趋于物理极限,但却涌现出越来越多的创新性成果。除了不断攻克先进加工手段,从新材料、新器件结构、和新的封装方式等方面也在努力寻求革新。与此同时,一些关键性的问题也摆在了研发人员面前:

对于半导体行业来讲,时间成本是决定产品生存和发展的关键。如何缩短开发周期,以低成本将产品推向市场?

半导体制造过程中涉及非常复杂的物理化学机理,如何深刻认识这些机理,从而改善特定工艺过程?

半导体行业领域涉及到的材料众多(包括半导体、金属、聚合物、液体和气体等)。如何准确获取不同材料属性及其相互作用,以及精确预测新材料性质。甚至为器件仿真提供可靠的输入数据?

下面我们将围绕以上几个问题进行探讨,并汇总相关经典案例,详细案例可继续回顾往期推文。

#2

物理建模开启半导体器件仿真新范式

探索基于当代和未来更先进技术节点的器件,发展超越传统 TCAD的模拟框架:将Vienna SchrÖdinger- Poisson (VSP)模拟器附加到 Minimos-NT 并为其提供输入,以取代经验密度和迁移率模型。

此方法具有预测性和可移植性,模型参数比经验模型少得多,从而使测量拟合值和基于ab-initio工具的输入值都易于管理。

图1. p型高锗含量 (HGC) 环栅晶体管沟道

图2. 逻辑应用的InGaAs基n型MISFETS

*来源于全球 TCAD 解决方案有限公司与Materials Design公司

#3

半导体工艺的原子级探索

半导体制造过程中,如制备薄膜、掺杂、氧化、光刻、刻蚀等阶段,都会涉及到非常复杂的物理与化学机理。利用原子级模拟来深刻认识这些机理,有利于研发人员和工程师对工艺过程进行改善。

例如,在研究金属硅化物(Silicide)工艺技术方面,可基于第一性原理来定量分析硅衬底上形成的NiPt硅化物结构、相稳定性和扩散。对 Ni-Pt-Si 系统的关键结构和热力学特性进行更清晰和更详细的定量描述。此外,从头分子动力学模拟也可阐明扩散机制和Pt在硅化过程中的作用。

图3. Si(001) 与Ni-Pt覆盖层形成 Si/硅化物界面;

退火前后的模型

图4. Ni(Pt) 硅化物形成关键步骤的示意图

*来源于德州仪器公司先进CMOS外部开发和制造部门与Materials Design公司

#4

材料虚拟仿真设计

材料虚拟仿真设计正在成为一种半导体行业的新兴工业实践。由此推动了诸如MedeA材料计算模拟平台等集成计算软件系统的发展,并作为工业科学家和工程师的有利研发工具。

虚拟仿真设计涉及众多的理论和计算方法:包括分析理论、启发式相关性(如定量结构-性质关系 (QSPR))、粗粒方法(如耗散粒子动力学、分子动力学)和采用原子间经验势的蒙特卡罗方法、半经验量子力学方法,以及ab initio 量子力学方法。如表1,不同计算方法可用于定量预测半导体行业感兴趣的材料特性。

表1. 半导体行业感兴趣的材料属性

(来自于MedeA材料模拟计算平台)

利用虚拟仿真模拟材料特性为扩展电子器件的功能、新系统的构建、以及提高产品可靠性方面提供了前所未有的机会。

由Materials design公司开发的MedeA材料模拟平台,已成为全球众多半导体企业广受好评的研发工具,具备如下亮点:

1

MedeA搭建了一个独特、全面和创新的软件环境,将实验结构和相图与最先进的计算程序相结合,用于合金、半导体、陶瓷、玻璃、聚合物和流体材料。

2

MedeA平台以量子力学为基础,有助于模拟电子结构和机械性能,以及复杂结构(如界面、异质结构、晶界、缺陷结构和随机合金)的热力学性质。

3

MedeA平台以高性能分子动力学计算输运特性,例如非晶氧化物的扩散系数和热导率。

4

MedeA平台的功能还涉及封装、设备组装和组件安装相关领域。其中包括预测半导体、金属和氧化金属散热器和环氧树脂热固性封装材料的热导率,以及研究与设备性能和可靠性相关的机械、粘合和扩散特性的工具。

图5. 全球半导体行业MedeA平台用户一览

(PS. 部分名单、排名不分先后)

图6. MedeA材料模拟平台建模环境

图7. MedeA材料模拟平台预测不同材料性质

*来源于Materials Design公司