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尽在芯片揭秘●科研前线

应用材料公司近日发表了其基于TCAD技术与DTCO协同优化技术的MSCO平台应用成果，该平台将DTCO以晶体管结构为主要优化对象的范围拓宽到MOL/BEOL环节的材料、工艺方法和设计端的design rules等影响因素的更广大范围，通过TCAD模拟测试技术形成了一个综合的协同优化解决方案，将为提升先进器件PPAC注入新的动力。

研究背景

根据摩尔定律，每一次全新技术节点都将带来一倍的晶体管密度增益，而这一增速是提升芯片性能和降低制造成本之间妥协的结果；随着晶体管趋向量子尺寸，仅依靠尺寸缩小带来的能效增益越被短沟道效应等副作用所抵消，因此除尺寸微缩之外的其他技术优化手段也被开发应用到芯片制造工艺中，一种技术路线是对晶体管结构进行创新，如应变调控、HKMG和新型器件结构；另一种路线是通过设计与工艺协同优化（即DTCO技术*）来实现芯片面积的缩小。DTCO现在已经成为实现先进节点性能目标的基本实现路径之一。台积电也在技术资料中多次提到，DTCO对5nm新节点性能增益的贡献超过了40%。

在新工艺的开发中,TCAD*工具大大降低了开发的成本和周期。传统基于TCAD的DTCO技术流程中，FEOL前道工艺的调参与器件仿真都是通过TCAD完成的；更先进的modeling-based TCAD不仅包含传统DTCO中电气特性建模功能，还整合了MOL中道工艺和BEOL后道工艺中寄生电容和电阻参数提取的功能，这种涉及芯片内互连线路的优化被称为系统工艺协同优化，缩写为STCO。

随着DTCO的涵义随着制造工艺的进步而不断丰富，其建模对象已经从晶体管扩展到数量更多、面积更大、层次更广的范围，并且还会随着技术节点的发展进一步扩大，协同优化机制将面临涉及更多的问题。

DTCO覆盖范围逐渐扩大

为此，应用材料公司研发团队开发了 “材料到系统的协同优化平台”（以下简称MSCO），拓展了协同优化的内涵，其成果以“Materials to Systems Co-Optimization Platform for Rapid Technology Development Targeting Future Generation CMOS Nodes”发表于IEEE Transactions on Electron Devices，El Mehdi Bazizi为第一作者，Ashish Pal为通讯作者。

*TCAD，Technology Computer Aided Design，计算机辅助设计技术，此处特指半导体工艺模拟以及器件模拟工具。

*本文中提到的三种协同优化路线：DTCO,设计工艺协同优化，全称为Design Technology Co-optimization；STCO，系统工艺协同优化，全称为System Technology Co-optimization；MSCO，暂译为“从材料到系统的协同优化”。

研究内容

应用材料研究团队提出的MSCO平台，在传统DTCO基础上综合考虑了器件级影响因子（器件架构、工艺步骤、材料等）和设计级影响因子（design rules、标准单元内track数量、功率分配），将协同优化的覆盖面从原子级的模拟拓展到系统级，并且能够快速评估主要的技术参数级其对整个电路系统的影响。

为了演示MSCO平台的应用价值，团队针对各种FEOL前道工艺和MOL中道工艺/BEOL后道工艺进行了实验测试，并展示了各种工艺参数调整对器件和电路性能的影响。

MSCO平台功能框架图

FinFET器件电介质填充与应力和环型振荡关系模拟

两种3D结构晶体管：FinFET与CFET的性能模拟

MOL/BEOL环节中，不同材料via通孔的特性模拟

MOL/BEOL环节中空隙对电特性影响的模拟

传统CVD钨沉积与bottom-up选择性钨沉积对比

不同工艺制造的通孔，其电气特性的仿真测试

利用开发的标准单元库和PDK进行处理器的设计

前景展望

应用材料作为半导体设备巨头，在基于TCAD技术的DTCO领域也有相当的技术储备，并结合自身设备服务商在工艺领域的积累整合丰富了DTCO的优化对象与范围，形成了MSCO这一综合性的电路优化整体解决方案平台。想必MSCO平台也会为宽度不断缩小、难度节节攀升的先进工艺提供前进的动力，成为延续摩尔定律的又一大助力。

团队介绍

Ashish Pal，应用材料公司资深工程师，斯坦福大学电子工程学博士，印度裔。专长于TCAD模拟和半导体器件领域，精通逻辑器件和存储器的物理和电气特性的表征与测量。

应用材料公司，全球最大的半导体设备和服务供应商，创建于1967年，公司总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。应用材料公司1984年进入中国，目前在上海，北京，天津，苏州，无锡等地有办事处或仓库，在西安设有太阳能开发中心，其产品线大而全，覆盖原子层沉积、物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、侵蚀、离子注入、快速热处理、化学机械抛光、测量学和硅片检测等各工艺环节。

论文原文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9427549/