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TCAD与EDA的关系：核心底层
EDA（Electronics Design Automation）是电子设计自动化的缩写，EDA是集成电路范畴内至关重要的存在。
如果没有EAD软件，全球所有的芯片设计公司都得停摆，代工厂在举行工艺研发与优化时也将无工具可用。中美商业战中“中兴事件”、“三大EDA软件供应商断供事件”，无疑再次验证了EDA在集成电路范畴的核心职位。
在整个EDA软件中，TCAD在器件设计和工艺开辟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门，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是创建在半导体物理底子之上的数值仿真工具，它可以对差别工艺条件举行仿真，取代或部门取代昂贵、费时的工艺实验；也可以对差别器件布局举行设计和优化，得到抱负的特性；还可以对电路性能及电缺陷等举行模仿。
TCAD可以通过淘汰实验次数和缩短研发时间，将生产本钱低沉40%。现在，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即为现在在20nm上基于DD（Drift-Diffusion，漂移扩散）模子的TCAD软件及其相关技能，Atomistic TCAD为从原子标准举行仿真，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）以及紧凑模子（compact model）等。
现在全球TCAD（传统TCAD）仿真工具主要被两家美国公司Synopsys和Silvaco把持，两者市场份额总和凌驾90%。
半导体行业发展的痛点与传统TCAD面临的窘境
随着集成电路技能的发展，其先进制造技能逐渐迫近3-5nm技能节点，新质料、新工艺、新器件不绝涌入到实际的设计、制造等环节。
为相识决集成电路面向先进制造范畴面临的困难和挑战，业界和学界对于未来集成电路的恒久演进有三种方案，即More Moore,More than Moore以及Beyond CMOS。实质上这三种技能方案就是新质料、新工艺、新器件的技能的协同。
新的技能对集成电路所涉及的工艺、质料、器件布局都形成了巨大的挑战。为相识决这些挑战，需要采取最为先进的TCAD技能重新质料、新器件、新工艺等角度举行质料设计、器件设计、工艺设计为集成电路设计和制造提供支持，低沉设计和研发本钱，缩短研发和设计时间，加快产物上市节奏。
相比于旧的工艺节点，3-14纳米节点器件具有完全差别的器件布局和物理效应。传统的TCAD软件已经面临着巨大的挑战，将无法负担3-14纳米电子器件的设计问题。其主要困难来自于：
1. 当器件到达深纳米标准甚至原子标准时，量子效应将起重要作用，而传统的模子没有完备地包罗量子效应。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，单个器件的泄电也变得难以调控。
先进集成电路制造中量子效应不绝增强，需要完备的思量量子效应
2. 履历和经典的TCAD设计方法和软件依赖于大量的实验参数，然而当器件到达纳米标准后，通过实验手段得到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，微观的质料成分、器件布局以及工艺的差别，将会对器件的性质带来显著影响，而传统的模子框架无法准确形貌这些细节的影响。
3. 诸多新型电子器件和电子质料的不绝问世，完全超出了传统TCAD方法的应用范围。而且，这些新型电子器件已经在FinFET 、MRAM等范畴有巨大应用前景。在传统方法面临诸多困难的情况下，必须发展新的盘算方法。
新质料和新器件布局的涌现已经超越了传统硅基TCAD的本事范畴
半集成电路行业正在寻求办理方案：Atomistic TCAD
Atomistic TCAD软件应该具备质料建模、质料设计、质料模仿、器件建模、器件模仿等多种功能，同时要完备地思量量子输运等多种量子效应和其他的物理机制。
Atomistic TCAD是现在全球最先进和最准确的从原子标准举行仿真，用来设计原子标准电子器件的TCAD工具。
与传统的工艺建模技能相比，Atomistic TCAD是原子级的盘算机辅助设计软件，Atomistic TCAD通过对纳米级半导体电子器件举行建模和仿真，可以准确地得到过程技能参数，而无需举行大量实验丈量。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困难，并有助于半导体制造商加快半导体工艺的开辟，提高良率。
别的，Atomistic TCAD可以扩展到对任何新型质料举行仿真，并具有广泛的行业应用。
传统TCAD与Atomistic TCAD模子的对比
（图片泉源：鸿之微科技 王音博士）
Atomistic TCAD行业内办理方案和加入者与商业化布局
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）。
现在其主流技能蹊径主要分为两类：
（1）NEGF-DFT技能蹊径；（2）NEGF-TB技能蹊径。
1) NEGF-DFT和NEGF-TB技能简介
NEGF-DFT技能由加拿大皇家科学院院士、麦吉尔大学James讲座传授郭鸿传授（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.）。相关技能被乐成应用到集成电路质料设计、器件设计与工艺仿真范畴。
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子相团结。从技能层面讲NEGF-TB的技能还未可以大概直接面临新质料对集成电路先进工艺带来的挑战。
2) Synopsys收购Quantumwise A/S公司构建技能闭环
Synopsys为了构建其在3nm技能节点的技能蹊径，收购了丹麦的Quantumwise A/S公司。通过团结NEGF-DFT（非平衡格林函数-密度泛函）技能和传统TCAD基于的漂移扩散模子（Drift-Diffusion，DD模子）来实现技能的闭环。
3) Silvaco与NEMO5相助推进原子标准TCAD（Atomistic TCAD）
NEMO5为普渡大学的团队开辟的原子标准TCAD软件。NEMO5的原子模仿功能会演变为Silvaco TCAD的工具套件。NEMO5聚焦在在原子和亚原子标准，预测半导体和金属纳米线中的电子布局、声子布局和量子输运性质。
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) 鸿之微科技原子标准TCAD——Device TCAD，双重技能蹊径原子标准全覆盖
Device TCAD是鸿之微基于NEGF-DFT等技能开辟的Atomistic TCAD软件，可以用于差别质料范例、差别器件布局的纳米器件的模仿，现在已经被国表里多家高校、研究所以及企业所采取。
作为国内唯一一家从事Atomistic TCAD软件开辟与服务的高新科技公司，鸿之微的技能蹊径不但包罗了基于NEGF-DFT技能的原子标准的Atomistic TCAD产物，其技能蹊径也实现了原子标准的全覆盖。
对于基于NEGF-TB的原子标准TCAD，鸿之微科技也举行了相应的Atomistic TCAD软件产物开辟，对应的产物有Nanoskif和Nanoskim等软件模块。
鸿之微Device TCAD软件框架图
（图片泉源：鸿之微科技技能团队龚奎博士）
Device TCAD技能方法基于NEGF-DFT技能，为相识决传统NEGF-DFT中面临随机掺杂等方面的问题，Device TCAD中开辟了NEGF-CPA技能，可以大概更好的处置惩罚掺杂工艺对器件和质料性能的影响。
5) Synopsys Sentaurus TCAD与Device TCAD对比
为了研究纳米硅中的应力和应变，以及对应的差别掺杂元素对新型器件的影响，采取Device TCAD中NEGF-DFT技能模块与Synopsys Sentaurus TCAD举行对比，发现两者吻合的很好。
Device TCAD中NEGF-DFT模块与Synopsys Sentaurus TCAD的对比（图片泉源：Zhang L, Zahid F, Zhu Y, et al. First principles simulations of nanoscale silicon devices with uniaxial strain[J]. IEEE transactions >）
鸿之微除了开辟Device TCAD外，还在积极探索从原子标准逐渐向传统工艺标准（DD模子）延伸，推动原子标准与传统标准TCAD的融合。
鸿之微科技与中科院微电子所共同创建了集成电路团结盘算实验室，开辟集成电路制造范畴的先进TCAD技能。
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以上技能节点的EDA技能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时机等窘境。在TCAD范畴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底子数学的研究已经走在世界前列。Atomistic TCAD的开辟需要协同质料科学与工程、微电子、IT、物理、化学等多范畴的协同，也是中国借此提升人才造就、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，需要集成电路范畴的用户来共同打造。如今，全球集成电路企业在Atomistic TCAD范畴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，均是一个难逢的时机。
3) 国内集成电路制造厂商：Atomistic TCAD发展的沃土，也是相关技能的受益者
Atomistic TCAD软件不是单纯靠开辟出来的，而是用户与软件开辟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）举行EDA设计时提供相关的参数。
4) 国产新质料厂商：Atomistic TCAD新质料的开辟和优化
现在质料的研发已经进入到从原子标准，寻找构效关系设计和研发的阶段，而传统的质料相关软件已经无法满足广大质料企业的研发和技能创新需求。通过借助于Atomistic TCAD可以举行各类新质料的研发、设计与优化以及失效分析。
期待中国集成电路企业在3-5nm先进制造范畴抢占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。
作者先容
谢志峰
艾新教诲首创人、芯盟科技总司理
芯片科普第一人
英特尔最高技能成绩奖得主
中芯国际首创团队核心成员
复旦大学微电子学院兼职传授
科学中国人（2018）年度人物得到者
谢志峰于美国伦斯勒理工学院半导体物理专业博士毕业，后就职于美国英特尔，并得到英特尔最高成绩奖。于2001年返国追随张汝京先生开办中芯国际，历任投资中心副总裁，系统芯片研发中心副总裁、欧亚业务中心总司理。曾任上海先进半导体制造有限公司总裁兼执行董事，先后开办了上海矽睿科技有限公司和专注造就科技产业人才的艾新教诲学院。
谢志峰博士是上海市科学技能协会第九届委员会委员，上海市工程师学会总工程师工作委员会副主任，美国IEEE高级会员，美国物理学会终身会员，2014年度EE times IC设计公司良好管理者，并拥有十二项美国发明专利。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了转达一种差别的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎接洽半导体行业观察。
本日是《半导体行业观察》为您分享的第2110期内容，欢迎关注。
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发表于 2019-11-6 21:56:25
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