Полевых полупроводниковых приборов

Стр 1 из 4Следующая ⇒

Моделирование

Полевых полупроводниковых приборов

В САПР ISE TCAD

Учебное пособие для вузов

Составители: В.В. Асессоров

Г.В. Быкадорова

А.Ю. Ткачев

Воронеж

Утверждено научно-методическим советом физического факультета от 29 марта 2007 года протокол № 9.

Учебное пособие подготовлено на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники физического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 4 и 5 курсов физического факультета Воронежского государственного университета.

Для специальности: 010803 (014100) - Микроэлектроника и полупроводниковые приборы.

Содержание

1. Основы теории МДП транзисторов …………………………………… 4

2. Моделирование n-МОП транзистора в ISE TCAD……………………. 9

2.1. Проект в программе-оболочке GENESIS ………………………… 9

2.2. Алгоритм моделирования технологии создания n-МОП

транзистора ……………………………………………………….. 10

2.3. Создание физико-технологической модели n-МОП

транзистора с помощью программы DIOS ……………………... 12

2.4. Оптимизация расчетной сетки с помощью программы MDRAW 15

2.5. Расчет передаточной характеристики, определение порогового

напряжения и крутизны характеристики n-МОП транзистора.. 17

2.6. Расчет семейства выходных характеристик, определение

сопротивления сток-исток в открытом состоянии в линейной

области и в области насыщения …………………………………... 20

2.7. Определение пробивного напряжения n-МОП транзистора …… 23

3. Задания и вопросы…………………………………………………..….. 26

Литература ………………………………………………………………... 26

Моделирование n-МОП транзистора в ISE TCAD

Проект в программе-оболочке GENESIS

В данном пособии рассматриваются принципы расчета основных параметров МОП транзисторов на примере проекта n-МОП транзистора с длинами канала 5, 3 и 1 мкм. Проект реализован в GENESISe, включает в себя моделирование технологии создания транзистора, оптимизацию расчетной сетки, расчет передаточной и выходных характеристик, опреде-ление порогового напряжения, крутизны передаточной характеристики, сопротивления сток-исток в открытом состоянии в линейной области и в области насыщения, пробивного напряжения.

Общий вид проекта показан на рисунке 4.

Рис. 4. Проект n-МОП транзистора в GENESISe.

Для создания проекта нужно последовательно добавить все необходимые программы. Первой добавляется программа DIOS для получения физико-технологической модели транзистора. Для программы DIOS нужно создать параметр L_gate со значениями 5, 3, 1 мкм. Тогда в результате расчета будут получены 3 транзисторных структуры с длиной канала соответственно 5, 3, 1 мкм. Далее добавляется программа MDRAW, используемая для оптимизации расчетной сетки моделируемых структур. Программу MDRAW необходимо настроить на использование командного файла, созданного пользователем, а также на использование файла границ от предыдущей программы, т. е. от DIOS. После этого добавляются 3 пары программ DESSIS и INSPECT. В DESSIS рассчитываются определенные электрофизические характеристики, которые затем с помощью INSPECT отображаются в графическом виде. В первой паре DESSIS+INSPECT рассчитывается передаточная характеристика транзисторной структуры, и определяются пороговое напряжение и крутизна характеристики. Поро-говое напряжение определяется двумя способами: построением касатель-ной и по уровню тока стока 0.1 мкА. Во второй паре рассчитывается семейство выходных стоковых характеристик при различных напряжениях на затворе и определяется сопротивление сток-исток в открытом состоянии в линейной области и в области насыщения. В третьей паре – пробивное напряжение сток-исток методом построения ВАХ.

Используемые при моделировании командные файлы будут рассмотрены ниже в соответствующих разделах.

Алгоритм моделирования технологии

Создания n-МОП транзистора

Алгоритм моделирования технологии изготовления представляет собой последовательность основных технологических операций в общем виде. В качестве примера рассмотрен один из возможных алгоритмов изготовления простейшего n-МОП транзистора с использованием планарной технологии.

1. Выращивание тонкого подзатворного окисла в сухом кислороде (рис. 5).

2. Осаждение поликремния (рис. 6).

3. Формирование затворной маски с помощью фотолитографии (рис. 7).

4. Анизотропное травление поликремния (рис. 8) с последующим удалением фоторезиста.

5. Ионное легирование примесью n-типа для создания истоковой, стоковой области и легирования поликремния (рис. 9).

6. Диффузионная разгонка имплантированной примеси (рис. 10).

7. Нанесение защитных слоев SiO₂, Si₃N₄ и др. (рис. 11).

8. Формирование с помощью фотолитографии маски для контактных окон.

9. Вскрытие контактных окон и удаление фоторезиста (рис. 12).

10. Формирование контактов (рис. 13).

Рис. 5. Выращенный тонкий подзатворный окисел.	Рис. 6. Структура с осажденным поликремнием.
Рис. 7. Сформированная затворная маска из фоторезиста.	Рис. 8. Формирование затвора анизотропным травлением поликремния.
Рис. 9. Ионное легирование структуры фосфором.	Рис. 10. Структура после разгонки имплантированной примеси. Созданы истоковая и стоковая области.

Рис. 11. Структура с осажденным защитным слоем SiO₂.

Рис. 12. Структура с вытравленными в защитном слое контактными окнами.

Рис. 13. Готовая структура со сформированными контактами.

Оптимизация расчетной сетки

С помощью программы MDRAW

Для оптимизации расчетной сетки модели n-МОП транзистора используется программа MDRAW под управлением представленного ниже командного файла.

Title " n-MOS"

# Определение областей с изменяемой сеткой:

Definitions {

# Вся структура по умолчанию:

Refinement " Default Region"

{MaxElementSize = (2.0 2.0) MinElementSize = (0.5 0.5)

RefineFunction = MaxTransDiff(Variable = " DopingConcentration", Value = 3.0)}

# Активная область:

Refinement " Active region"

{MaxElementSize = (0.5 0.5) MinElementSize = (0.1 0.1)

RefineFunction = MaxTransDiff(Variable = " DopingConcentration", Value = 1.0)}

# Подзатворная область:

Refinement " Under gate"

{ MaxElementSize = (0.2 0.2) MinElementSize = (0.02 0.02)

RefineFunction = MaxTransDiff(Variable = " DopingConcentration", Value = 1.0)}

# Канальная область и подзатворный окисел:

Refinement " Channel"

{MaxElementSize = (0.02 0.02) MinElementSize = (0.01 0.01)}

# Обрабатываемая структура:

SubMesh " SubMesh_0"

{Geofile = " n@previous@_dio.grd"

Datafile = " n@previous@_dio.dat" }}

# Задание геометрического положения областей:

Placements {

Refinement " Default Region"

{ Reference = " Default Region" }

Refinement " Active region"

{ Reference = " Active region"

RefineWindow = rectangle [(-@< 3.5+L_gate/2.0> @ 0.0),

(@< 3.5+L_gate/2.0> @ 3.0)]}

Refinement " Under gate"

{ Reference = " Under gate"

RefineWindow = rectangle[(-@< 0.5+L_gate/2.0> @ 0.0),

(@< 0.5+L_gate/2.0> @ 1.0)]}

Refinement " Channel"

{ Reference = " Channel"

RefineWindow = rectangle[(-@< 0.06+L_gate/2.0> @ -0.04),

(@< 0.06+L_gate/2.0> @ 0.04)]}

Submesh " SubMesh_0"

{ Reference = " SubMesh_0" }}

Расчетная сетка до и после оптимизации показана на рисунках 17, 18.

Рис. 17. Расчетная сетка, сгенерированная DIOS при физико-технологическом моделировании.

Рис. 18. Оптимизированная расчетная сетка, созданная программой MDRAW.

N-МОП транзистора

Определение пробивного напряжения методом построения ВАХ практически не отличается от расчета выходных характеристик. Необходимо только учесть лавинную генерацию носителей, а также повышать напряжение на стоке до уровня, при котором транзистор заведомо пробьется. Напряжение на затворе устанавливается равным 0 В. Ниже приведены необходимые изменения в командном файле DESSIS.

В секции Electrode{} добавляется резистор, подключенный к стоку:

Electrode {

{name = " source" voltage = 0.0}

{name = " gate" voltage = 0.0 }

{name = " substrate" voltage = 0.0}

{name = " drain" voltage = 0.0 resistor=200}

}

В секции Physics{} в блоке моделей генерационно-рекомбинационных процессов необходимо указать модель лавинной генерации. Дополнительно можно указать модели рекомбинации Оже и генерации путем туннельного перехода зона-зона:

Recombination(

SRH(DopingDependence )

Band2Band Auger Avalanche

)

В секции Plot{} указывается запись распределения скорости лавинной генерации:

Plot{... AvalancheGeneration...}

Необходимые изменения в секции Solve{}:

Solve {

Poisson

Coupled { Poisson Electron Hole }

QuasiStationary (

InitialStep = 0.1 MaxStep = 0.1 MinStep = 1e-7

Increment = 2 decrement = 4

Goal { name = " drain" voltage = 20 })

{Coupled {Hole Electron Poisson} }}

В данном случае пробивное напряжение определяется как напряжение на стоке, при котором из-за быстрого увеличения тока стока уравнения перестают сходиться и расчет обрывается. Используемый для этого командный файл INSPECT:

#setdep @node|-1: all@

proj_load n@node|-1@_des.plt n@node|-1@_des

cv_createDS IdVd {n@node|-1@_des drain InnerVoltage} {n@node|-1@_des drain TotalCurrent} y

cv_setCurveAttr IdVd " IdVd" black solid 1 none 5 defcolor 1 defcolor

### Определение пробивного напряжения как напряжения на стоке,

### при котором ток стока имеет максимальное значение:

set VBR [cv_compute " vecvalx(< IdVd>, vecmax(< IdVd> ))" A A A A]

ft_scalar Vbr $VBR

Стоковая ВАХ при этом имеет вид, показанный на рисунке 21.

Рис. 21. Стоковая ВАХ модели n-МОП транзистора, рассчитанная с учетом лавинной генерации носителей. Пробой наступил при U_си = 14 В, при этом из-за резкого возрастания тока уравнения перестали сходиться и расчет в DESSIS прекратился. Напряжение на стоке осталось равным пробивному.

На рисунках 22 и 23 показаны распределения электростатического потенциала и напряженности электрического поля в модели n-МОП транзистора при напряжении на стоке, равном пробивному. Данные распределения позволяют определить область пробоя стокового р-n перехода, проконтролировать размеры обедненной области p-n перехода.

Рис. 22. Распределение электростатического потенциала

в моделируемой структуре.

Рис. 23. Распределение напряженности электрического поля

в моделируемой структуре.

Задания и вопросы

1. Зачем нужно легирование подложки бором в начале технологических операций в примере проекта n-МОП транзистора? Рассчитать передаточ-ную характеристику транзистора без легирования подложки бором и сравнить с исходной передаточной характеристикой. Объяснить результат.

2. Как повлияет учет саморазогрева рассмотренного n-МОП транзистора на вид выходных характеристик? Рассчитать семейство выходных харак-теристик с учетом саморазогрева структуры. При этом в командном файле DESSIS необходимо добавить термический контакт (термод) на нижнюю поверхность подложки, а в секции Physics указать использование термодинамических уравнений и учесть зависимость скорости генерации от температуры. В секции Plot указать распределение температуры, и в секции Solve при изменяющемся напряжении на стоке дополнительно решить уравнения термодинамики. Определить наиболее горячие участки n-МОП транзистора.

3. Построить зависимости крутизны передаточной характеристики и сопротивления сток-исток в открытом состоянии от длины канала в диапазоне 10÷ 0.5 мкм.

Литература

1. Королев М.А. Приборно-технологическое моделирование при разработке изделий микроэлектроники и микросистемной техники / М.А. Королев, Т.Ю. Крупкина, Ю.А. Чаплыгин // Известия вузов. Электроника. – 2005. – № 4-5. – С. 64–71.

2. Тихомиров П. Система Senraurus TCAD компании Synopsys / П. Тихомиров, П. Пфеффли, М. Зорзи // Электроника: Наука. Технология. Бизнес. – 2006. – № 7. – С. 89–95.

3. Synopsys World Leader in EDA Software and Services. –(http: //www.synopsys.com/)

4. ISE TCAD. Release 10.: User’s manual. – Zurich, 2004. – 1058 p.

5. Тилл У. Интегральные схемы: материалы, приборы, изготовление / У. Тилл, Дж. Лаксон. – М.: Мир, 1985. – 504 с.

Учебное издание

Моделирование

полевых полупроводниковых

приборов в САПР ISE TCAD

Учебное пособие для вузов

Составители: Асессоров Валерий Викторович

Быкадорова Галина Владимировна

Ткачев Александр Юрьевич

Редактор А.П. Воронина

Моделирование

полевых полупроводниковых приборов

В САПР ISE TCAD

Учебное пособие для вузов

Составители: В.В. Асессоров

Г.В. Быкадорова

А.Ю. Ткачев

Воронеж

Утверждено научно-методическим советом физического факультета от 29 марта 2007 года протокол № 9.

Для специальности: 010803 (014100) - Микроэлектроника и полупроводниковые приборы.

Содержание

1. Основы теории МДП транзисторов …………………………………… 4

2. Моделирование n-МОП транзистора в ISE TCAD……………………. 9

2.1. Проект в программе-оболочке GENESIS ………………………… 9

2.2. Алгоритм моделирования технологии создания n-МОП

транзистора ……………………………………………………….. 10

2.3. Создание физико-технологической модели n-МОП

транзистора с помощью программы DIOS ……………………... 12

2.4. Оптимизация расчетной сетки с помощью программы MDRAW 15

2.5. Расчет передаточной характеристики, определение порогового

напряжения и крутизны характеристики n-МОП транзистора.. 17

2.6. Расчет семейства выходных характеристик, определение

сопротивления сток-исток в открытом состоянии в линейной

области и в области насыщения …………………………………... 20

2.7. Определение пробивного напряжения n-МОП транзистора …… 23

3. Задания и вопросы…………………………………………………..….. 26

Литература ………………………………………………………………... 26

12 3 4 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 463; Нарушение авторского права страницы