محاكاة عملية أشباه الموصلات

محاكاة عمليات أشباه الموصلات هي نمذجة تصنيع أجهزة أشباه الموصلات مثل الترانزستورات . وهي فرع من فروع أتمتة التصميم الإلكتروني ، وجزء من مجال فرعي يُعرف باسم التصميم بمساعدة الحاسوب التكنولوجي (TCAD) . ^{[ 1 ] [ 2 ] : الفصل 24}

الهدف النهائي لمحاكاة العمليات هو التنبؤ الدقيق بتوزيع الشوائب النشطة ، وتوزيع الإجهاد، وهندسة الجهاز. تُستخدم محاكاة العمليات عادةً كمدخل لمحاكاة الجهاز، أي نمذجة خصائصه الكهربائية. تُشكل محاكاة العمليات والأجهزة معًا الأدوات الأساسية لمرحلة التصميم المعروفة باسم التصميم بمساعدة الحاسوب التكنولوجي (TCAD) . وبالنظر إلى عملية تصميم الدوائر المتكاملة كسلسلة من الخطوات ذات مستويات تجريد متناقصة، فإن توليف المنطق يُمثل أعلى مستوى، بينما يُعد التصميم بمساعدة الحاسوب التكنولوجي (TCAD)، لكونه الأقرب إلى التصنيع، المرحلة الأقل تجريدًا. ونظرًا للنمذجة الفيزيائية التفصيلية المطلوبة، تُستخدم محاكاة العمليات بشكل حصري تقريبًا للمساعدة في تطوير الأجهزة الفردية، سواء كانت منفصلة أو كجزء من دائرة متكاملة . ^{[ 1 ] : 692}

يتطلب تصنيع أجهزة الدوائر المتكاملة سلسلة من خطوات المعالجة تُعرف باسم تدفق العملية. تتضمن محاكاة العملية نمذجة جميع الخطوات الأساسية في تدفق العملية للحصول على توزيعات الشوائب والإجهاد، وإلى حد أقل، هندسة الجهاز. المدخلات لمحاكاة العملية هي تدفق العملية وتصميم تخطيطي. يُختار التصميم التخطيطي إما كمقطع خطي في تصميم كامل لمحاكاة ثنائية الأبعاد، أو كمقطع مستطيل من التصميم لمحاكاة ثلاثية الأبعاد.

لطالما ركزت برامج تصميم الدوائر المتكاملة (TCAD) بشكل أساسي على تصنيع الترانزستور، وهو الجزء الأخير من عملية التصنيع وينتهي بتكوين نقاط التلامس بين المصدر والمصب، والمعروف أيضًا باسم المرحلة الأمامية من خط الإنتاج. أما المرحلة الخلفية، مثل طبقات التوصيلات البينية والعوازل، فلا تُؤخذ في الاعتبار. أحد أسباب هذا التمييز هو توفر أدوات تحليل قوية، مثل تقنيات المجهر الإلكتروني، كالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، والتي تتيح قياسًا دقيقًا لهندسة الجهاز. لا توجد أدوات مماثلة متاحة لقياس دقيق وعالي الدقة لملامح التطعيم أو الإجهاد. ومع ذلك، يتزايد الاهتمام بدراسة التفاعل بين مراحل التصنيع الأمامية والخلفية. على سبيل المثال، قد تُسبب المرحلة الخلفية إجهادًا في منطقة الترانزستور، مما يؤثر على أداء الجهاز. ستُحفز هذه التفاعلات الحاجة إلى واجهات أفضل لأدوات محاكاة المرحلة الخلفية، أو ستؤدي إلى دمج بعض هذه الإمكانيات في أدوات TCAD.

إلى جانب التوسع الأخير في نطاق محاكاة العمليات، لطالما كانت هناك رغبة في الحصول على محاكاة أكثر دقة. ومع ذلك، فقد شاع استخدام النماذج الفيزيائية المبسطة لتقليل وقت الحساب. لكن مع تصغير أبعاد الأجهزة، تزداد متطلبات دقة توزيع الشوائب والإجهاد، لذا تُضاف نماذج عمليات جديدة لكل جيل من الأجهزة لتلبية متطلبات الدقة الجديدة. وقد صُممت العديد من هذه النماذج من قِبل الباحثين قبل وقت طويل من الحاجة إليها، ولكن في بعض الأحيان لا تُكتشف التأثيرات الجديدة ولا تُفهم إلا بعد أن يكتشف مهندسو العمليات مشكلة ما ويجرون التجارب. على أي حال، سيستمر اتجاه إضافة المزيد من النماذج الفيزيائية والنظر في التأثيرات الفيزيائية الأكثر تفصيلًا، بل وقد يتسارع.

بدأ تاريخ برامج محاكاة العمليات التجارية بتطوير برنامج نماذج هندسة العمليات بجامعة ستانفورد (SUPREM). كان SUPREM نتاجًا لأبحاث البروفيسور روبرت داتون (مهندس) من جامعة ستانفورد . وانطلاقًا من هذا الأساس، تم تطوير برنامجي SUPREM II وSUPREM III بنماذج محسّنة. وفي عام 1979، شارك روبرت داتون (مهندس) في تأسيس شركة Technology Modeling Associates, Inc. (TMA). وكانت TMA أول شركة تُسوّق برنامج SUPREM III. وفي وقت لاحق، قامت شركة Silvaco أيضًا بتسويق SUPREM وأطلقت عليه اسم ATHENA. كما سوّقت TMA برنامج SUPREM-IV (النسخة ثنائية الأبعاد) وأطلقت عليه اسم TSUPREM4. وفي عام 1992، أصدرت شركة Integrated Systems Engineering (ISE) برنامج محاكاة العمليات أحادي البعد TESIM وبرنامج محاكاة العمليات ثنائي البعد DIOS. في نفس الفترة تقريبًا، بدأ تطوير برنامج محاكاة ثلاثي الأبعاد جديد للعمليات والأجهزة في شركة TMA، وبعد استحواذ Avanti على TMA ، تم إطلاق المنتج عام 1998 تحت اسم Taurus. وفي عام 1994 تقريبًا، تم إنجاز النسخة الأولى من برنامج محاكاة العمليات الكائنية فلوريدا (FLOOPS). ثم قامت ISE بتسويق FLOOPS تجاريًا عام 2002. كما تم تطوير برنامج محاكاة عمليات آخر، PROPHET، في مختبرات Bell عام 1994 تقريبًا، والذي أصبح لاحقًا Agere، ولكنه لم يُطرح تجاريًا. وفي عام 2002، استحوذت Synopsys على Avant!، وفي عام 2004 استحوذت Synopsys على ISE. وقامت Synopsys بدمج ميزات Taurus وTSUPREM4 في منصة FLOOPS وأطلقت عليها اسم Sentaurus Process. وتشمل منتجات Silvaco الحالية Victory Process وVictory Device لمحاكاة ثنائية وثلاثية الأبعاد، بالإضافة إلى منتجات قديمة مثل Athena لمحاكاة العمليات ثنائية الأبعاد، وAtlas لمحاكاة الأجهزة ثنائية الأبعاد. ^{[ 3 ]} في عام 2013، أصدرت شركة كوفينتور برنامج SEMulator3D، وهو برنامج محاكاة عمليات متطور يعتمد على نمذجة الفوكسل وتطور السطح. ^{[ 4 ]} بالإضافة إلى هذه المحاكيات، توجد العديد من المحاكيات الجامعية والتجارية الأخرى مثل PROMIS وPREDICT وPROSIM وICECREM وDADOS وTITAN وMicroTec وDOPDEES وALAMODE.

تتضمن خطوات المعالجة الأكثر شيوعًا في محاكاة العمليات: زرع الأيونات ، والتلدين (الانتشار وتنشيط الشوائب )، والحفر ، والترسيب، والأكسدة، والنمو الطبقي . وتشمل الخطوات الشائعة الأخرى: التسوية الكيميائية الميكانيكية ، والسيليكون، وإعادة التدفق. ^{[ 1 ] : 692}

تستخدم جميع برامج محاكاة العمليات التجارية مزيجًا من تحليل العناصر المحدودة (FE) و/أو طرق الحجم المحدود (FV). ^{[ 1 ] : 692} لا يتسع نطاق هذه المقالة لوصف كامل لطريقة FE/FV، ولكن توجد العديد من الكتب القيّمة التي تشرح الموضوع بتفصيل. مع ذلك، من المهم مناقشة متطلبات محاكاة العمليات لتحقيق نتائج دقيقة. تستند هذه المتطلبات إلى نفس المتطلبات العامة لتقنيات FE/FV، مع صعوبة إضافية ناتجة عن التغيرات في الهندسة أثناء محاكاة تصنيع الجهاز. تستخدم محاكاة العمليات شبكة FE/FV لحساب وتخزين توزيعات الشوائب والإجهاد. يتطلب كل تغيير هندسي في نطاق المحاكاة شبكة جديدة تتناسب مع الحدود الجديدة. وكما سيتم توضيحه لاحقًا، فإن العدد الكبير من خطوات تعديل الهندسة وطبيعة محاكاة العمليات، حيث تعتمد كل خطوة على النتائج التراكمية لجميع الخطوات السابقة، تجعل محاكاة العمليات تطبيقًا بالغ الصعوبة لتقنية FE/FV. ^{[ 1 ] : 693}

من أهم نتائج محاكاة العمليات تحديد توزيع الشوائب بعد المعالجة. وتعتمد دقة هذا التوزيع بشكل كبير على الحفاظ على كثافة مناسبة لنقاط الشبكة في جميع مراحل المحاكاة. يجب أن تكون كثافة النقاط كافية فقط لتحديد جميع توزيعات الشوائب والعيوب، وليس أكثر من ذلك، لأن تكلفة حساب حل معادلات الانتشار تزداد مع ازدياد عدد نقاط الشبكة. قد تتضمن محاكاة عملية CMOS كاملة التدفق النموذجية أكثر من 50 تغييرًا في الشبكة، وقد يزداد هذا العدد بشكل كبير في حال استخدام التجزئة التكيفية للشبكة. لكل تغيير في الشبكة، يُستخدم الاستيفاء للحصول على قيم البيانات على الشبكة الجديدة. من المهم إدارة تغييرات الشبكة بطريقة تتجنب تدهور الدقة الناتج عن خطأ الاستيفاء. أسهل طريقة لتحقيق ذلك هي الاحتفاظ بالنقاط بمجرد إضافتها إلى الشبكة، ولكن يعيب هذه الطريقة إنتاج عدد كبير جدًا من نقاط الشبكة، مما قد يكون مكلفًا حسابيًا. لذا، يُعد تحقيق التوازن بين خطأ الاستيفاء والتكلفة الحسابية وتقليل مدخلات المستخدم أمرًا بالغ الأهمية للحصول على نتائج دقيقة بأقل تكلفة حسابية. يصدق هذا الأمر بشكل خاص عند محاكاة الأجهزة ثلاثية الأبعاد. فبدون وضع دقيق للشبكة، إما أن تنخفض الدقة بشكل غير مقبول، أو أن التكلفة الحسابية ستكون باهظة للغاية لدرجة تجعلها غير مجدية. وقد حققت أدوات محاكاة العمليات حتى الآن نجاحًا محدودًا في أتمتة عملية تكييف الشبكة بشكل كامل بحيث لا تتطلب أي تدخل من المستخدم. وهذا يُلزم المستخدم بفهم عملية إنشاء الشبكة وكيفية تأثيرها على دقة المحاكاة ووقت التشغيل، كما يُحمّله عبء تتبع تغييرات الشبكة أثناء المحاكاة لضمان الحفاظ على الشبكة المناسبة.

يُعدّ استكشاف تقنيات الأجهزة الجديدة أحد أهم استخدامات أدوات التصميم بمساعدة الحاسوب (TCAD)، حيث تُجرى العديد من عمليات المحاكاة الاستكشافية لتزويد مصمم الجهاز بفهم أفضل للمزايا والعيوب المحتملة لتقنية معينة. يتطلب هذا الاستخدام عمليات محاكاة متسلسلة مع بعض التحليلات بينها. ولتحقيق الفائدة المرجوة، يجب تشغيل العديد من دورات المحاكاة ضمن الوقت المخصص للاستكشاف، مما يُعطي أولوية قصوى لتقليل وقت تشغيل المحاكاة. حاليًا، تُجرى عمليات محاكاة CMOS القياسية كاملة التدفق غالبًا باستخدام مزيج من المحاكاة أحادية وثنائية الأبعاد، وتستغرق أقل من بضع ساعات على معالج  Pentium 4 بسرعة 2.6 جيجاهرتز. أما إجراء هذه المحاكاة ثلاثية الأبعاد (بدءًا من تشكيل البوابة) فيستغرق 24 ساعة على الأقل للحصول على أدنى دقة ممكنة. يمكن استخلاص معظم المعلومات المطلوبة من محاكاة TCAD من خلال تبسيط معالجة الجهاز بشكل موحد في العمق (أي محاكاة ثنائية الأبعاد). ولإدراج تأثيرات شكل الجهاز على طول العمق أو لدراسة تأثير التظليل الناتج عن الزرع، يجب إجراء محاكاة ثلاثية الأبعاد.

• نموذج ديل-غروف – نموذج رياضي لأكسدة أشباه الموصلات 

• مختبر TCAD : مجموعة من أدوات TCAD التي تُمكّن من محاكاة الدوائر والأجهزة والعمليات
• مختبر العمليات: محاكاة عمليات الأكسدة القائمة على برنامج PROPHET
• مختبر العمليات  : الانتشار المعتمد على التركيز يحاكي كلاً من الانتشار القياسي والانتشار المعتمد على التركيز (محاكي العمليات القائم على PROPHET)