Silvaco TCAD 2019

Introduction

Silvaco TCAD 2019 est une suite logicielle de pointe conçue pour la simulation des dispositifs à semi-conducteurs et de leurs processus de fabrication. Développée par Silvaco, Inc., une entreprise basée à Santa Clara, Californie, cette plateforme est largement utilisée dans l’industrie des semi-conducteurs pour optimiser la conception et la fabrication de dispositifs électroniques. Cet article explore les principales fonctionnalités de Silvaco TCAD 2019, ses applications, et son impact sur la recherche et le développement (R&D) dans le domaine des semi-conducteurs.

Qu’est-ce que Silvaco TCAD ?

Silvaco TCAD (Technology Computer-Aided Design) est une suite d’outils logiciels permettant de modéliser et de simuler les processus de fabrication et le comportement des dispositifs à semi-conducteurs. Ces outils sont essentiels pour comprendre les phénomènes physiques complexes à l’intérieur des dispositifs, réduisant ainsi les coûts et le temps de développement en évitant des cycles de fabrication expérimentaux coûteux. Selon Silvaco, l’utilisation de TCAD peut réduire les coûts de développement d’environ 30 % en offrant des insights précis sur les performances des dispositifs avant leur fabrication.

La version 2019 de Silvaco TCAD comprend plusieurs modules clés, notamment Victory Process, Victory Device, ATLAS, ATHENA, et TonyPlot, chacun dédié à des aspects spécifiques de la simulation des semi-conducteurs.

Principales Fonctionnalités de Silvaco TCAD 2019

1. Simulation des Processus (Victory Process et ATHENA)

• Victory Process permet de simuler les étapes de fabrication des semi-conducteurs, telles que l’oxydation, l’implantation ionique, la gravure, la lithographie et le dépôt. Il prend en charge la simulation 2D et 3D, offrant une représentation précise des structures physiques des dispositifs.
• ATHENA propose des capacités avancées pour la simulation numérique des processus, permettant de modéliser la diffusion, l’oxydation et d’autres étapes critiques de la fabrication. Cela aide à prédire la morphologie et les propriétés des structures, comme la concentration des porteurs ou les contraintes matérielles.

2. Simulation des Dispositifs (Victory Device et ATLAS)

• Victory Device permet de simuler le comportement électrique, optique, chimique et thermique des dispositifs à semi-conducteurs. Il utilise des maillages tétraédriques pour une représentation précise des géométries 3D complexes et prend en charge des solveurs numériques multi-threadés pour des calculs rapides et précis.
• ATLAS est un simulateur basé sur les principes physiques, capable de prédire le comportement électrique des dispositifs en 2D et 3D. Il applique des équations différentielles basées sur les lois de Maxwell pour modéliser le transport des porteurs de charge à travers la structure du dispositif.

3. Visualisation et Analyse (TonyPlot)

• TonyPlot est un outil graphique permettant de visualiser et d’analyser les résultats des simulations en 1D et 2D. Il offre des fonctionnalités pour tracer des données, comparer plusieurs simulations sur un même graphique et superposer des résultats pour une analyse approfondie.

4. Intégration dans un Flux DTCO

Silvaco TCAD 2019 s’intègre dans un flux de conception technologique co-optimisée (DTCO, Design-Technology Co-Optimization), couvrant de multiples domaines tels que l’agencement, les procédés, les composants, la modélisation SPICE et l’extraction parasitaire. Cette intégration fournit des résultats exploitables pour l’optimisation de la conception des circuits, permettant aux ingénieurs d’expérimenter la conception des composants, les étapes de procédé ou les conditions de fonctionnement afin d’améliorer les performances.

5. Applications Avancées

• Simulation de Dispositifs de Puissance : Silvaco TCAD 2019 permet d’analyser des phénomènes comme la rupture inverse (breakdown) en identifiant les régions du dispositif sujettes à une forte génération d’ionisation par impact.
• Effets de Radiation : Le module dédié aux effets de radiation (REM) simule les impacts des radiations, comme les effets de dose totale ou les événements uniques (SEU).
• Simulation Atomistique : Avec Victory Atomistic, Silvaco TCAD 2019 prend en charge la simulation à l’échelle atomique pour les dispositifs nanoscale.

Avantages de Silvaco TCAD 2019

1. Réduction des Coûts et du Temps de Développement : En permettant de « voir à l’intérieur » des dispositifs, Silvaco TCAD aide à identifier les causes des problèmes de performance sans avoir besoin de prototypes physiques coûteux.
2. Précision des Simulations : Les modèles physiques et les algorithmes numériques avancés garantissent des résultats proches de la réalité, validés par des comparaisons avec des données expérimentales.
3. Flexibilité : La suite prend en charge une large gamme d’applications, des dispositifs de puissance aux cellules solaires, en passant par les MEMS et les dispositifs optoélectroniques.
4. Intégration avec l’IA et le Machine Learning : La solution FTCO™ de Silvaco combine l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique avec la simulation physique pour créer des jumeaux numériques (Digital Twins) des dispositifs, améliorant la précision des prédictions.

Exemple d’Application : Simulation d’un Photodiode 4H-SiC

Un exemple concret de l’utilisation de Silvaco TCAD 2019 est la modélisation d’un photodiode en carbure de silicium (4H-SiC). Une étude publiée en 2017 a utilisé Silvaco TCAD pour simuler un processus d’implantation d’aluminium en plusieurs étapes, suivi d’un recuit, pour obtenir une profondeur de jonction de 0,78 µm. Les profils de dopage simulés ont été validés expérimentalement, démontrant la précision du logiciel pour les applications de photodiodes à large bande interdite.

Formation et Support

Silvaco propose des ressources pédagogiques pour les utilisateurs, notamment une série de webinaires en trois parties lancée en 2019. Ces sessions couvrent les bases de la simulation de processus et de dispositifs, ainsi que des tutoriels pratiques sur l’utilisation de DeckBuild pour créer des simulations et de TonyPlot pour analyser les résultats. Ces ressources sont particulièrement utiles pour les ingénieurs et les chercheurs débutants dans le domaine du TCAD.

Limitations et Considérations

Bien que Silvaco TCAD 2019 soit extrêmement puissant, son utilisation nécessite une expertise en physique des semi-conducteurs et en ingénierie électrique. La complexité des simulations demande une compréhension approfondie des modèles physiques et des paramètres de simulation. De plus, certaines versions du logiciel, comme celle disponible sur nanoHUB, sont limitées à des fins éducatives et ne permettent pas une utilisation pour la recherche avancée ou l’analyse concurrentielle.

Conclusion

Silvaco TCAD 2019 est une suite logicielle essentielle pour les ingénieurs et les chercheurs travaillant sur le développement de semi-conducteurs. Grâce à ses capacités de simulation avancées, elle permet de réduire les coûts, d’accélérer le développement et d’améliorer les performances des dispositifs. Que ce soit pour la conception de dispositifs de puissance, de cellules solaires ou de technologies nanoscale, Silvaco TCAD 2019 offre des outils puissants et flexibles pour relever les défis de l’industrie des semi-conducteurs. Avec une intégration croissante de l’IA et des flux DTCO, cette version marque une étape importante dans l’évolution des outils de simulation TCAD.

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