Christian Doppler Laboratory for Multi-Scale Process Modeling of Semiconductor Devices and Sensors

Process technology computer aided design (TCAD) is one of the essential drivers of the semiconductor industry, as it allows to predict the feasibility of fabrication of future devices without the need for expensive and time-consuming experiments. For many decades, process TCAD simulations were built on analytical models which were derived from experiments and measurements on silicon. However, as the industry moves away from silicon due to its physical limitations, and into a quasi-exploratory phase of new materials and geometries, a rethink in the way process models are devised is required. Essentially, a multi-scale approach needs to be investigated, whereby atomistic material models are used to replace the knowledge missing due to a lack of experiments. This project aims to expand on the state-of-the-art in process TCAD by introducing two additional material representations, one for topography simulations such as deposition and etching and a second one for volume problems such as implantation and diffusion. Furthermore, process TCAD models will have to be informed by atomistic calculations which includes a combination of molecular dynamics (MD) and density functional theory (DFT) approaches. Until now, the atomistic simulations served to provide parameter values in order to calibrate the TCAD models. However, this is often insufficient, since important spatial volume effects are lost. This project will allow to provide a means for the materials used in the simulation to “remember” the effects of the previous steps to which it has been exposed.

Process Technology Computer Aided Design (TCAD) ist eine der wichtigsten Bestandteilen der Halbleiterindustrie, da es die Herstellbarkeit künftiger Bauelemente vorhersagen kann, ohne dass teure und zeitaufwändige Experimente erforderlich sind. Viele Jahrzehnte lang basierten TCAD-Simulationen auf analytischen Modellen, die aus Experimenten und Messungen auf Silizium abgeleitet wurden. Da sich die Industrie jedoch aufgrund deren physikalischer Beschränkungen von Silizium wegbewegt und in eine Quasi-Explorationsphase neuer Materialien und Geometrien eintritt, ist ein Umdenken bei der Entwicklung von Prozessmodellen erforderlich. Im Wesentlichen muss ein Multiskalenansatz untersucht werden, bei dem atomistische Materialmodelle verwendet werden, um das aufgrund fehlender Experimente mangelnde Wissen zu ersetzen. 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. Darüber hinaus müssen Prozess-TCAD-Modelle auf atomistischen Berechnungen basieren, die eine Kombination aus Molekulardynamik (MD) und Dichtefunktionaltheorie (DFT) beinhalten. Bislang dienten die atomistischen Simulationen dazu, Parameterwerte für die Kalibrierung der TCAD-Modelle zu liefern. Dies ist jedoch oft unzureichend, da wichtige Volumeneffekte verloren gehen. Dieses Projekt wird es den in der Simulation verwendeten Materialien ermöglichen, sich an die Auswirkungen der vorangegangenen Schritte, denen sie ausgesetzt waren, zu "erinnern".