Das Prozess-Technology Computer Aided Design (TCAD) ist eine der wichtigsten Grundlagen der Halbleiterindustrie, da es die Herstellung künftiger Bauelemente ermöglicht, ohne teure und zeitaufwändige Experimente dafür zu benötigen. Jahrzehntelang basierten TCAD-Simulationen auf analytischen Modellen, die auf der Grundlage langjähriger Experimente und Messungen von Silizium entwickelt worden sind. Da sich die Industrie jedoch aufgrund der physikalischen Grenzen vom Einsatz von Silizium wegbewegt und in eine Quasi-Explorationsphase für neue Materialien und Geometrien eintritt, ist ein Umdenken bei der Entwicklung von Prozessmodellen erforderlich. Im Wesentlichen muss ein Multi-Scale-Ansatz untersucht werden, bei dem atomistische Materialmodelle verwendet werden, um das aufgrund mangelnder Experimente nicht vorhandene Wissen zu ersetzen. Diese Materialmodelle werden verwendet, um statische sowie dynamische Parameter und Werte für die Kontinuumsmodelle zu liefern, die die Form und das Dotierungsprofil auf einer eher makroskopischen Ebene berechnen. Dieses Projekt zielt darauf ab, den Stand der Technik in der Prozess-TCAD zu erweitern, indem zwei zusätzliche Materialdarstellungen eingeführt werden, eine für Topographiesimulationen wie Abscheidung und Ätzen und eine zweite für Volumenprobleme wie Implantation und Diffusion.
Moderne Prozesssimulatoren basieren auf einem Framework, der Oberflächen implizit definiert, was die Speicherung von Materialinformationen sehr erschwert. In diesem Projekt wird sich die Forschung darauf konzentrieren eine Lösung zu finden, die eine implizite Darstellung der Oberfläche mit lokalen Materialinformationen auf demselben Gitter und derselben Datenstruktur zusammenführt. Dadurch wird die Notwendigkeit für rechenintensive und fehleranfällige Umwandlungen zwischen impliziten und expliziten Darstellungen, die derzeit angewendet werden, entfallen. Anschließend wird die Anwendung dieses Frameworks auf physikalische Modelle für hochrelevante Prozesse wie die Atomschichtabscheidung (ALD) und das Sputter-Ätzen untersucht, die in hohem Maße von dynamischen Prozessen bestimmt werden, die auf atomarer Ebene aufgelöst werden müssen.
Die Entwickler von TCAD-Frameworks für Bauelemente-Simulationen (Device-TCAD) haben bereits erkannt, dass ein Multi-Scale-Ansatz für solche Simulationen unerlässlich ist, weshalb die modernsten kommerziellen Tools eine Schnittstelle von der ab-initio- zur kompakten Modellierung bieten. Diese Art des Denkens ist auch für Prozess-TCAD unerlässlich, was wir in diesem Projekt zusammen mit unserem Industriepartner SILVACO untersuchen werden. Unsere Forschung zielt auf die Entwicklung eines kombinierten Molekulardynamik- (MD) und Level-Set- (LS) Rahmens ab, um eine prädiktive ab-initio-Dotierungsaktivierung und -bewegung zu ermöglichen, insbesondere nach einer Vielzahl von Ionen-Implantationsbedingungen in nicht standardisierten und nicht gut charakterisierten Materialien wie z. B. Siliziumkarbid (SiC). SiC ist ein Material, das wahrscheinlich Silizium in vielen Hochspannungs- und Hochtemperaturanwendungen ersetzen wird, da es eine bessere Effizienz als Silizium aufweist. Anschließend werden wir diesen Multi-Scale-Ansatz anwenden, um die Dotierung durch Diffusion in Materialien jenseits von Silizium zu untersuchen, wie z. B. Germanium, das wahrscheinlich als Kanal in Post-Silizium-Bauelementen jenseits des 3-nm-Technologieknotens verwendet werden wird. Dieses Projekt wird den akademischen und industriellen Partner auf den Weg bringen, an der Spitze der TCAD-Prozessforschung zu stehen, da die Integration neuer Materialien in alltägliche Bauelemente eine unausweichliche Realität wird.
