Stability Under Process Variability for Advanced Interconnects and Devices Beyond 7nm node

Among the physical limitations which challenge progress in nanoelectronics for aggressively scaled More Moore, process variability is getting ever more critical. Effects from various sources of process variations, both systematic and stochastic, influence each other and lead to variations of the electrical, thermal and mechanical behavior of devices, interconnects and circuits. Correlations are of key importance because they drastically affect the percentage of products which meet the specifications. Whereas the comprehensive experimental investigation of these effects is largely impossible, modelling and simulation (TCAD) offers the unique possibility to predefine process variations and trace their effects on subsequent process steps and on devices and circuits fabricated, just by changing the corresponding input data. This important requirement for and capability of simulation is among others highlighted in the International Technology Roadmap for Semiconductors ITRS.

SUPERAID7 will build upon the successful FP7 project SUPERTHEME which focused on advanced More-than-Moore devices, and will establish a software system for the simulation of the impact of systematic and statistical process variations on advanced More Moore devices and circuits down to the 7 nm node and below, including especially interconnects. This will need improved physical models and extended compact models. Device architectures addressed in the benchmarks include especially TriGate/Ω Gate FETs and stacked nanowires, including alternative channel materials. The software developed will be benchmarked utilizing background and sideground experiments of the partner CEA/Leti. Main channels for exploitation will be software commercialization via the partner GSS and support of device architecture activities at CEA/Leti. Additional partners are the coordinating institution Fraunhofer IISB in Erlangen, the University of Glasgow, the Universität Erlangen-Nürnberg, and TU Wien Furthermore, an Industrial Advisory Board initially consisting of Globalfoundries and STMicroelectronics will contribute to the specifications in SUPERAID7 and will get early access to the project results.

Die weitere Skalierung nanoelektronischer Bauelemente und Schaltungen wird zunehmend durch die Annäherung an physikalische Grenzen erschwert. Hierbei spielen systematische und statistische Schwankungen der in der Herstellung verwendeten physikalischen Prozesse eine immer größere Rolle für aktive Bauelemente, ihre Verbindungsstrukturen und die daraus aufgebauten Schaltungen. Teilweise beeinflussen sich verschiedene Effekte gegenseitig. Damit müssen auch ihre Korrelationen betrachtet werden, da sie den Anteil der Produkte, welche die Spezifikationen erfüllen, zum Teil drastisch beeinflussen. Eine umfassende experimentelle Untersuchung dieser Effekte ist kaum möglich. Demgegenüber eröffnet die Simulation („Technology Computer Aided Design“, TCAD) die einzigartige Möglichkeit, Schwankungen an ihrer Quelle vorzugeben und dann ihre Auswirkungen auf die folgenden Prozessschritte und auf die Eigenschaften von Bauelementen und Schaltungen zu untersuchen, indem einfach die Eingabedaten des Simulationssystems entsprechend angepasst werden. Diese sehr wichtige Anforderung an die Simulation, die zugleich eine ihrer herausragenden Möglichkeiten ist, wurde unter anderem in der „International Technology Roadmap for Semiconductors“ ITRS herausgestellt.

Das Projekt SUPERAID7 baut auf dem sehr erfolgreichen Projekt SUPERTHEME auf, in dem die Auswirkung von Prozessschwankungen insbesondere auf fortschrittliche More-than-Moore- Bauelemente und -schaltungen simuliert wurde. In SUPERAID7 wird ein Softwaresystem zur Simulation des Einflusses von systematischen und statistischen Prozessschwankungen auf fortschrittliche More-Moore-Bauelemente und -schaltungen bis zum 7-nm-Technologieknoten und darüber hinaus entwickelt, wobei speziell Halbleiterverbindungsstrukturen einbezogen werden. Hierzu werden verbesserte physikalische Modelle sowie verbesserte Kompaktmodelle benötigt. Die zu behandelnden Bauelementearchitekturen schließen insbesondere sogenannte Trigate/ΩGate-Transistoren, gestapelte Nanodrähte und fortschrittliche Halbleitermaterialen mit ein. Das Simulationssystem wird anhand von außerhalb des Projekts bereits vorhandenen bzw. neu durchgeführten Experimenten des Projektpartners CEA/Leti evaluiert. Die wichtigsten Verwertungswege bestehen in der Kommerzialisierung über den Projektpartner GSS sowie in der Unterstützung von Bauelementeaktivitäten bei CEA/Leti. Weitere Partner sind neben dem Koordinator Fraunhofer IISB auch die Universität Glasgow, die Universität Erlangen-Nürnberg sowie die TU Wien. Zudem wird ein industrieller Beirat, der zunächst aus den Firmen Globalfoundries und STMicroelectronics besteht, zu den Spezifikationen in SUPERAID7 beitragen und frühzeitigen Zugang zu Ergebnissen aus SUPERAID7 erhalten.