克服三维逻辑设计挑战的实用方法

如果你的地板上没有足够的空间来存放所有的旧盒子，你该怎么办?幸运的是，我们生活在一个3D世界，你可以开始把它们堆叠在一起。

挑战:我们如何缩小逻辑设备?
逻辑设计人员目前面临着比您在整理存储区域时可能面临的更大的挑战。不仅逻辑单元已经高度密集，而且它们的尺寸还需要不断缩小。逻辑设计人员可以通过重新设计逻辑来在逻辑单元上生成新的空白区域，从而增加设备的密度。这种空白可以随后被移除，从而有效地增加器件的密度。当元件(晶体管)级缩放不能进一步缩小尺寸时，设计者需要寻找其他缩放助推器。幸运的是，逻辑设计师有另一种方法来增加他们的设计密度。我们生活在一个3D世界，我们可以考虑在三维空间中设计，以提高设备的性能，而不是目前的2D设计。

3D逻辑设计的承诺
在电池设计中使用z轴确实可以克服当前的X-Y密度限制。就占地面积而言，最有效的方法是将晶体管级组件叠加在一起，而不是使用经典的并排设计方法。这可以通过将一个n场效应晶体管(FET)放在一个n场效应晶体管(n-FET)上，或者p-对p-，甚至是n-对p-或p-对n-的互补FET (cet)来实现。在z轴上设计时，所使用的FET晶体管可以是任何类型的FET(平面、翅片、纳米片、纳米线)。

3D逻辑设计为提高逻辑比例和密度提供了许多新的机会，但也并非没有挑战。为了取得成功，设计电路必须完全重新设计，并需要先进的工艺开发。例如，两级晶体管可以在两个不同的晶圆上分别加工，然后使用tsv(透硅通道)将两级器件连接起来，从而面对面地结合。顺序技术(由CEA-LETI的CoolCube提出)是一种替代方法，即在晶圆键合后加工顶级晶体管。在今年的超大规模集成电路会议上，imec展示了第三个非常创新的集成选项，它是单片的，不需要晶圆键合步骤。

三维逻辑设计的实际问题
在传统的二维半导体设计中，逻辑设计和制造中的CD和变化问题仅限于X-Y平面。对光刻和蚀刻覆盖/偏置控制施加限制是重要的，因为这些可能是变化的很大来源。在三维逻辑设计中，还需要对Z轴进行CD和变差控制。在将逻辑移动到3D结构时，沉积厚度和蚀刻深度的控制和均匀性将至关重要。在花费时间和金钱进行3D逻辑晶圆加工之前，工艺集成商应该意识到并解决这些新的工艺问题。

Coventor的SEMulator3D软件提供了两个关键功能来帮助完成这项任务。3D可视化和虚拟DOE(实验设计)可以帮助制程集成商在新的3D逻辑开发过程中避免不必要的基于晶圆的测试周期。

三维可视化
3D思维具有挑战性，但在白板上与同事分享3D想法、概念和图纸则更难。这对许多工艺集成商来说是一个真正的挑战，他们需要在制造之前和制造过程中旋转、放大/缩小、切片和横截面他们的器件结构。SEMulator3D最常用的特性之一是3D可视化。使用工艺流文件和布局文件的组合，可以使用先进的几何模型在3D中虚拟制造设备。在3D虚拟建筑中，许多可视化和计量方法都是可能的。

SEMulator3D可视化还使设计师能够突出显示在2D绘图中不一定能检测到的3D流程/设计交互风险。图1 (a-c)说明了这一点，其中有一个在SEMulator3D中虚拟构建的3D设备示例。所示的cet结构有两级晶体管，两个M0金属级(每个晶体管级一个)，以及一个埋在地下的电源轨道作为额外的缩放助推器。图1所示。a是结构的2D横截面，显示了一个连续的氮化层，该层隔离了两个M0层(正如设计中预期的那样)。图1所示。b(动画)说明了SEMulator3D在3D结构中提供的典型旋转和横截面运动。这允许用户(在SEMulator3D的结构搜索功能的帮助下)在特定位置(靠近连接顶部M0级和埋轨的Via)检测两个M0级之间的短路(如图1.c所示)。如果不使用3D可视化技术，就无法检测到特定的短段。

图1.。截面显示连续氮化层隔离两个M0级(顶部和底部)。

图1. b。(动画gif)由SEMulator3D完成的结构旋转和截面变化，以寻找3D结构内的短。

图1.摄氏度。通过3D结构(图1.b)确定的两个M0水平之间的短时间-这种故障在图1.a的2D横截面上没有看到。

虚拟DOE(实验设计)
通过实验学习(晶圆制造)是在半导体设计中提供智能数据驱动反馈的标准方法。然而，每一个这样的实验晶圆运行都有一个固有的(和大的)相关的时间和成本。由于这种高成本，工艺集成商经常需要根据实验设计(实验设计)中有限的数据做出有风险的技术决策。大多数时候，由于基于晶圆的测试的时间和成本，只能在少数晶圆上筛选少量的工艺参数。

如果使用流程建模和虚拟do可以产生大量的统计数据，那么决策可以更容易、更快和更安全。SEMulator3D可用于选择变量(输入工艺参数)并启动虚拟do，快速生成虚拟实验数据的统计量。用户可以在每次模拟或DOE运行中探索一系列工艺参数值，以查看工艺更改对设备性能的影响。虚拟计量可以用于测量每个DOE运行的任何感兴趣的参数(结构或电气)。SEMulator3D有一个分析模块可用于识别和优化流程窗口。

识别重要的设计和过程变量

SEMulator3D中的分析模块可以:

在选择变量及其范围后自动启动DOEs(确定屏幕设计，全阶乘，均匀分布蒙特卡罗或正态分布蒙特卡罗)。

使用回归模型和灵敏度分析进行完整的数据分析，以了解每个变量对计量结果和设备性能的影响。

作为一个例子，我们将回顾在单片cet设备上执行的过程灵敏度评估。在SEMulator3D中使用200次模拟运行，选择并筛选了11个变量(工艺参数，如电介质/EPI/金属/抗蚀剂厚度和腐蚀深度)。变量在其当前过程范围内(由客户提供)进行分析，并在蒙特卡洛虚拟DOE中假设事件的均匀分布。虚拟计量也被配置为测量流中的两个关键参数:两层的高程(识别为层1和层2)。完成200个模拟后，分析模块用于执行回归模型，并对每个变量(及其乘积)对两个高程值的影响进行分类。图2突出显示了该分析的重要变量。

图2:SEMulator3D中的分析平台说明，显示了一个回归模型，并根据变量对指定虚拟计量目标的影响对变量进行排序。

进一步进行灵敏度分析，图3显示了11个变量中每个变量对两个测量层高程的独立影响。这两个标高上的上层控制(ULC)和下层控制(LLC)由设计规则定义，并使用水平红色虚线标识。根据这些限制，我们可以轻松地重新定义11个变量(垂直的黑色虚线)所需的新目标和范围。

如图3所示，某些工艺参数(Metal_Recess_3, Resist_Thickness_1, Resist_Recess_1)将要求相对于当前工艺限制的规范收紧。SEMulator3D的虚拟DOEs可以帮助在基于晶圆片的测试之前识别工艺控制和均匀性的新要求(或限制)。这种技术最重要的好处之一是，虚拟数据可以用来确定整个供应链在设计阶段应该在新的工具和材料规格要求上从事什么工作，而不必等到多年的实验晶圆制造数据完成。

图3:各变量对虚拟计量测得的二层高程的独立影响。水平的红色虚线是由设计规则定义的限制。垂直的黑色虚线是为每个变量确定的新规格。

总结
总之，SEMulator3D提供了两个关键功能(3D可视化和虚拟DOE)，可以突出3D工艺/设计交互风险，定义所需的工艺控制和均匀性，并推荐工艺/设计修正，以确保新半导体设计的成功。SEMulator3D的这些特性在开发高级3D逻辑技术(如本文中讨论的那些技术)时特别有用。