Классификация систем численного моделирования СБИС

Условно выделяются следующие подсистемы САПР СБИС:

• Технологическое проектирование
• Проектирование элементов
• Схемотехническое проектирование
• Функциональное проектирование
• Конструкторско-топологическое проектирование
• Проектирование архитектуры СБИС

Высокая степень сложности современных СБИС, разнообразие решаемых ими задач, разнообразие технологических процессов, многообразие системных подходов, разнообразие моделей элементов в большинстве случаев не позволяет создать единую систему автоматизированного проектирования СБИС. Серьезным ограничением к реализации подобной проектирующей системы является тенденция к уменьшению размеров элементов СБИС, приводящая к тому, что классические (полуклассические) диффузионно – дрейфовые модели, основанные на фундаментальной системе уравнений (ФСУ) физики полупроводниковых приборов не обеспечивает приемлемой точности моделирования.

Рубежной величиной размеров элементов, также в достаточной степени условной, когда эффектами квантовой проводимости пренебрегать уже нельзя, считается 0.1 мкм (100 нм). Отмеченные тенденции приводят к тому, что численное моделирование, как основной инструмент современного программного обеспечения (ПО) классифицируется как ПО элементов и ПО фрагментов.

К первому классу относится программное обеспечение трех видов:

· Специализированные программы

· Комплексы программ с упрощенной моделью

· Программы общего назначения

Специализированные программы – это программы моделирования элементов специализированного типа, например МОП-транзисторов. Примером является программа «SIMOS». Ограничение типов элементов позволяет учесть специфику моделируемых элементов и подобрать численные методы, в наибольшей степени отвечающие классу модели: кинетические, диффузионно-дрейфовые, комбинированные и т.д.

Комплексы программ с упрощенной моделью обычно входят в состав специализированных программ. Эта разновидность ПО характеризуется меньшей точностью, но зато и довольствуется меньшими вычислительными ресурсами. Эти программы ориентированы на задачи автоматизированного проектирования ИС, и дают удовлетворительные результаты проектирования в случае развитой системы параметров.

В программах общего назначения (general purose) основой являются дискретные физико-топологические модели (ДФТ), представляющие собой дискретные (сеточные) аналоги диффузионно-дрейфовых моделей. Программы общего назначения ориентированы на расчет элементов разных типов «FIELDAY»,«TRANAL»,«АЛЬФА»,«PISCES»,«BAMBI» и др.

Перечисленные программы не позволяют моделировать логические элементы, фрагменты и схемы, состоящие из нескольких элементов. В этом случае необходимо применение ПО второго класса:

· Программы схемотехнического моделирования

· Программы двухуровневого моделирования по маршруту «элемент-схема»

· Программы смешанного моделирования

· Универсальные программы численного моделирования.

В ПО схемотехнического моделирования (первого вида) используются представление элементов и фрагментов эквивалентными электрическими схемами. Наиболее известной программой схемотехнического моделирования является программа SPICE.

В программах моделирования второго вида «элемент-схема» реальный эксперимент по измерению электрических параметров частично или полностью заменяется вычислительным экспериментом с использованием диффузионно-дрейфовых моделей.

В программах моделирования третьего вида используется смешанное моделирование. Фрагменты схем, как и при схемотехническом моделировании, представляются эквивалентными схемами однако входящие в них активные элементы реализуются по дискретным физико-топологичским моделям. Примерами таких программ являются «MEDUZA», «SIFCOD», «CODES» и др.

В универсальных программах четвертого вида «PNAIIL», «UNTEMP», «TREADE» полупроводниковые структуры описываются дискретно- дрейфовыми моделями, а граничные условия устанавливаются с помощью законов Кирхгофа, без перехода к схемотехническим моделям.

Установившаяся тенденция развития ПО – создание систем многоуровневого моделирования, включающих программы многомерного численного моделирования отдельных элементов, которые являются прообразом САПР заказных БИС. Такие системы разрабатываются в ведущих электронных фирмах США и Японии, причем на эти цели затрачиваются значительные средства. Так, в США стоимость подобных комплексов программ достигает сотен тысяч долларов. Повышенное внимание к многоуровневым системам связано с тем, что они могут использоваться для решения очень важ­ных практических задач:

1) оптимизации технологии и элемен­тов;

2) анализа и сравнения технологий;

3) исследования чувствительно­сти электрических параметров к изменению технологии;

4) повышения технологичности (доводка) СБИС и УБИС.

Примером многоуровневой системы является система «МЕССА», которая разработана в AT&T Bell Laboratories для исследо­вания биполярных и МОП-технологий. Общая блок-схе­ма системы приведена на рис.1.

Рис.1

Рассмотрим работу системы «МЕССА» на приме­ре МОП-технологии. Програм­ма «BICEPS» используется для двумерного численного моде­лирования профиля легирова­ния области истока/стока.

Программа «MEDUSA» ис­пользует данные программы «BICEPS» и с ее помощью производится мо­делирование переходных и стационарных процессов в МОП-элементе. С помощью программы «MEDOUT» идентифицируются ас -параметры (ем­кости перекрытия, емкости p-n-переходов и др.) упрощенной ЭМ, а с помощью «MOSPAC» dс –параметры электрической модели, полученные по результатам расчетов на дискретной физико-топологической модели. Электрические модели используются в программах схемотехнического моделирования «ADVICE» «MEDUZA». Для верификации результатов моделирования с экспериментальными данными используется специальный измерительный комплекс, связанный с системой «МЕССА» через вычислительную сеть.