LS-Sb87115

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В. В. ПЕРЕПЕЛОВСКИЙ Н. И. МИХАЙЛОВ В. В. МАРОЧКИН

Введение в приборно-технологическое моделирование устройств микроэлектроники

Лабораторный практикум

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2011

УДК 621.382.323.001.57(07) ББК З 973.23 – 018.2я7

П27

Перепеловский В. В., Михайлов Н. И., Марочкин В. В.

П27 Введение в приборно-технологическое моделирование устройств микроэлектроники: Лабораторный практикум. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 48 с.

ISBN 978-5-7629-1162-7

Изложены основные сведения, необходимые для развития у студентов навыков выполнения лабораторных работ с применением пакета программ

Synopsys® Sentaurus TCAD. Пакет программ Synopsys® Sentaurus TCAD

предоставляет широкие возможности для создания структур полупроводниковых устройств, а также расчета их физических характеристик и обработки результатов моделирования. Это позволяет глубже изучить теоретический материал и выработать практические навыки моделирования основных характеристик приборов микроэлектроники.

Предназначен для студентов, обучающихся по дисциплинам «Компьютерные технологии в науке и производстве», «Компьютерные технологии в разработке электронных устройств» и по направлению «Электроника и микроэлектроника» по магистерским программам «Физическая электроника» и «Микроволновая и телекоммуникационная электроника».

УДК 621.382.323.001.57(07) ББК З 973.23 – 018.2я7

Рецензенты: кафедра приборостроения и наноэлектроники Сибирского федерального университета; проф. В. Д. Байков (Дюссельдорфский университет).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

2

I. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ

Лабораторная работа 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ВАХ И ЧАСТОТЫ ОТСЕЧКИ

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СВОЙСТВ БУФЕРНОГО СЛОЯ ПТШ

Цель работы: исследование полевого транзистора Шотки (ПТШ) с буферным слоем из AlGaAs в специализированном пакете Synopsys Sentaurus TCAD в зависимости от свойств буферного слоя.

1.1. Основные положения

Буферный слой в полевом транзисторе Шотки обеспечивает следующие функции:

1.Препятствует проникновению свободных носителей заряда в подложку, тем самым уменьшает эффект "короткого канала".

2.Уменьшает проникновение свободных носителей заряда из подложки

встоковую часть канала.

3.Препятствует проникновению примесей из подложки в активную часть транзистора – канал.

1.3.Задания

1.В программе Synopsys Sentaurus Structure Editor создать структуру мо-

делируемого транзистора (рис. 1.1). Концентрация акцепторной примеси Na и

доля Al в материале AlGaAs задаётся преподавателем (различные для нескольких рабочих станций).

3

2.Применив гидродинамическую модель, рассчитать структуру в про-

грамме Synopsys Sentaurus Device.

3.Построить вольт-амперную характеристику (ВАХ) полевого транзи-

стора Шотки для напряжения на затворе, которое задано преподавателем в лабораторной работе 2.

4.Построить распределение электростатического потенциала, электрического поля, концентрации свободных электронов полевого транзистора Шотки.

5.Построить график зависимости частоты отсечки от напряжения на за-

творе.

6.Подробно сравнить результаты моделирования ПТШ с буферным слоем с результатами моделирования ПТШ без буферного слоя. Обратить внимание, что для сравнения все характеристики ПТШ (за исключением наличия буферного слоя) должны быть идентичны. Результаты для ПТШ без буферного слоя взять из лабораторной работы 2.

7.Подробно сравнить результаты моделирования ПТШ с различными характеристиками буферного слоя. Обратить внимание, что для сравнения все характеристики ПТШ (за исключением характеристик буферного слоя) должны быть идентичны. Результаты для ПТШ с другими буферными слоями взять у студентов своей группы.

8.Индивидуальные задания:

Включить эффекты квантования в классическую модель, используя модель ван Дорта и параметр eQCvanDort соответственно. Привести описание модели ван Дорта. Провести численное моделирование короткозавтворного транзистора.

Исследовать влияние параметров модели генерации и рекомбинации носителей заряда Recombination (...) на результаты моделирования ПТШ.

1.4.Порядок выполнения работы

1.Создание структуры

Задаём геометрические размеры прибораЗадаём геометрические размеры контактов:

1.1.Для моделирования контакта затвора из списка материалов выбира-

ем Aluminum. Рисуем Rectangular Region с координатами (5.75; 0.23) и (6.25; –1). Присваиваем имя, например, region_gate.

1.2.Для моделирования контакта истока выбираем в меню Edit -> 2D Edit Tools -> Add Vertex. Рисуем точку, вводим координаты (2.5; 0) (зададим потом плоский контакт, чтобы не тратить время на вычисления).

4

1.3. Для моделирования контакта стока рисуем точку, вводим координа-

ты (10.5; 0).

Формируем контакты:

1.4.В меню выбираем Contact -> Contact Sets.

1.5.В поле Contact Name появившегося окна вводим имя source и нажимаем Set. Повторяемтожесамоедляимёнgate иdrain, послечегонажимаемClose.

1.6.В меню выбираем кнопку Aperture Select (белая

стрелочка).

1.7.В выпадающем меню Selection Type выбираем Select Edge, а в выпадающем меню Contact Sets выбираем source. Затем кликаем мышью по краю между точкой (0; 0) и (0; 2.5) (при этом он выделяется) и в меню выбираем Contacts -> Set Edge(s). Аналогично обозначаем контакт drain.

1.8.Для обозначения контакта затвора в выпадающем меню Selection Type выбираем Select Body, а в выпадающем

меню Contact Sets выбираем gate. Затем кликаем мышью по региону region_gate (при этом он выделяется) и в меню выбираем Contacts -> Set Region Boundary Edges. Затем опять кликаем мышью по региону region_gate (выде-

ляем его) и в меню выбираем Edit -> 2D Edit Tools -> Delete Region. Вид структуры показан на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Вид структуры с заданными контактами

Задаём профили легирования:

1.9. Для задания профиля легирования в меню выбираем Device -> Constant Profile Placement. В этом окне необходимо создать профили легирования для каждого слоя. Если, допустим, концентрация доноров Nd = 1016 cм–3, то в поле

Species необходимо выбрать DopingConcentration и в поле Concentration ввести

5

1e + 16. Если концентрация акцепторов Nа = 1016 cм–3, то в поле Species необ-

ходимо выбрать DopingConcentration и в поле Concentration ввести –1e + 16.

Задаём сетку:

1.10.Необходимо задать области, в которых будут проводиться вычисления, а следовательно, должна быть определена сетка. Для этого в меню вы-

бираем Mesh -> Define Ref/Eval Window -> Rectangle. Рисуем прямоугольник так, чтобы он занимал всю поверхность транзистора, и задаём имя, например, RefEvalWin_all.

1.11.Для задания размера ячейки в меню выбираем Mesh -> Refinement Placement. В поле Refinement Name вводим имя, например, RefinementPlacement_all. В поле Placement Type ставим галочку напротив Ref/Win и выбира-

ем RefEvalWin_all. В поле Refinement Definition задаем имя, например, Refinement Definition_all и размеры по x (max: 0.06; min: 0.06) и по y (max: 0.06; min: 0.06). Нажимаем Add Placement и Close.

1.12.Сохраняем проект. Выбираем в меню File -> Save Model.

1.13.Для генерирования сетки выбираем в меню Mesh -> Build Mesh.

Впоявившемся окне выбираем галочку Mesh, затем кликаем на параметр –s и, удерживая Ctrl, кликаем на –F tdr. Задаём имя и нажимаем Build Mesh. В появившемся окне нажимаем Close.

1.14.Выходим из программы. В меню выбираем File -> Exit.

2.Расчёт транзистора с применением гидродинамической модели

2.1.Из папки /home/user/templates (в неё можно зайти с помощью ярлыка "Домой" на рабочем столе) скопируйте в папку с проектом командный файл lab3_HD_RF_des.cmd и откройте его для редактирования.

2.2.В секции File параметру Grid необходимо присвоить имя файла, сге-

нерированного программой Sentaurus Structure Editor (см. 1.4, п. 1.5).

2.3.В секции Electrode необходимо задать начальные значения напряжений на электродах и барьер Шотки на затворе. В данном случае это будет выглядеть так:

Electrode {

{Name="source" Voltage= 0.0 }

{Name="drain" Voltage= 0.0 }

{Name="gate" Voltage=0.0 Schottky Barrier=0.8}

}

6

2.4. В секции Physics необходимо задать долю Al в AlGaAs:

Physics( Material= "AlGaAs" ) {

MoleFraction(xFraction=0.30 Grading=0) ----Задаётся доля Al

}

2.5.Для получения семейства ВАХ в секции Solve необходимо задать конечные значения напряжений на стоке и на затворе соответственно. Ищем комментарий "# ramp gate and save solutions:" и в строчке "Goal{ Parameter=vg.dc Voltage=-0.4 }" задаём максимальное значение напряжения на затворе, в данном случае это –0.4 В. Затем ищем комментарий "# first curve" и в строчке "Goal{ Parameter=vd.dc Voltage=3 }" задаём максимальное значение напряжения на стоке, в данном случае это 3 В. То же самое делаем под комментарием "# second curve".

2.6.Для получения графика зависимости частоты отсечки от напряжения на затворе ищем комментарий "*- AC analysis" и в строчке "Goal{ Parameter=vg.dc Voltage=-0.4 }" задаём максимальное напряжение на затворе, в данном случае изменение напряжения на затворе от 0 до –0.4 В.

2.7.Сохраняем изменения в файле и запускаем на выполнение. При этом Sentaurus Device потребуется некоторое время для того, чтобы закончить вычисления.

3. Просмотр результатов

3.1.Просмотреть ВАХ и распределения электростатического потенциала, электрического поля, концентрации электронов, подвижности электронов, температуры электронов и скорости электронов можно с помощью программы Tecplot_sv так, как это делалось в предыдущих работах.

3.2.Для просмотра графика зависимости частоты отсечки от напряжения на затворе необходимо скопировать из папки \home\user\templates файл RFX_ins.cmd. Затем, набрав в командной строке inspect, запустить программу

Inspect. В программе Inspect в меню выбрать Script -> Run script и в по-

явивщемся окне выбрать файл RFX_ins.cmd. После этого Inspect нарисует график.

1.5. Содержание отчёта

1.Цель работы.

2.Топология моделируемого прибора.

3.Основные положения моделей, используемых при расчёте.

7

4.Отчёт о выполнении заданий, проиллюстрированный графиками ВАХ, распределения концентрации свободных носителей заряда, напряженности электрического поля, распределения потенциала, зависимости частоты отсечки от напряжения на затворе. Поясните полученные результаты с точки зрения физики исследуемых процессов.

5.Привести результаты сравнения ПТШ с буферным слоем и ПТШ без буферного слоя.

6.Привести результаты сравнения ПТШ с различными характеристиками буферного слоя.

7.Привести результаты индивидуальных заданий.

8.Выводы. Какая топология на ваш взгляд является наиболее удачной и почему? Какие модели позволяют более точно произвести моделирование?

1.6.Контрольные вопросы

1.Назовите программы, используемые в данной работе, и их предназна-

чение.

2.Покажите, каким образом задаются начальные и конечные значения напряжений на контактах при расчёте топологии прибора.

3.Опишите основные элементы конструкции ПТШ на GaAs с буферным

слоем.

4.Какие основные модели используются при расчёте топологии прибора?

5.Приведите график полескоростной характеристики для GaAs.

6.От чего зависит ток стока в ПТШ (ВАХ)?

7.Приведите алгоритм работы с пакетом Sentaurus TCAD.

8.Как зависит подвижность носителей заряда от концентрации примесей?

9.Что такое контактная разность потенциалов?

10.Что такое частота отсечки полевого транзистора?

II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Лабораторная работа 2 ВЫРАЩИВАНИЕ СЛОЯ SiO2 В СУХОМ O2 НА КРЕМНИИ

Цель работы: приобретение навыков моделирования процесса выращивания оксида кремния в сухом кислороде на подложке из кремния. Моделирование осуществляется в специализированном пакете Synopsys Sentaurus TCAD модулем Sentaurus Process.

8

Sentaurus Process – симулятор процессов 1D, 2D и 3D, происходящих в полупроводниковых материалах. Его характерными чертами являются современная программная архитектура и современный технический уровень моделей протекания тока и технологий процессов. При помощи Sentaurus Process могут быть смоделированы все стандартные этапы процессов: диффузия, имплантация, окисление, травление, осаждение и др.

2.1. Основные положения

Кремний – единственный из полупроводников, который имеет стабильный собственный оксид SiO2, пригодный для технологического использования в качестве маскирующего покрытия при проведении высокотемпературных локальных процессов. В своё время именно отработка надёжного технологического процесса нанесения маскирующих слоёв диоксида кремния на поверхность кремния дала импульс развитию планарной технологии, являющейся основой создания современных интегральных микросхем.

В настоящее время окисление поверхности кремния осуществляют с помощью следующих химических реакций:

Процесс проводят при температуре 900…1200 °С либо в сухом кислороде по реакции (2.1), либо в увлажнённом кислороде с использованием реакций (2.1), (2.2). На практике нередко применяют комбинированное окисление: сначала в сухом кислороде формируют совершенную границу раздела при толщине оксида до 0.1 мкм, а затем в увлажнённом кислороде увеличивают толщину слоя до 0.4…0.8 мкм.

Согласно данным радиоизотопного анализа, окисляющий агент (O2 или H2O) диффундирует через растущий слой оксида, т. е. процесс окисления происходит на внутренней границе раздела SiO2 –Si. Так как молярный объём

диоксида кремния больше, чем кремния, то примерно половина образовавшегося слоя SiO2 замещает по толщине окисленный кремний, а другая половина

растёт наружу.

2.2.Порядок выполнения работы

1.В папке с проектом создайте новый текстовой документ с расшире-

нием cmd (например lab1.cmd). Далее открываем этот файл для редактирования.

9

2. Выращивание оксида

2.1. Необходимо задать размеры подложки, а также области, в которых будут проводиться вычисления.

2.1.1. Задаём сетку по x:

Line x location=0.0 spacing= 1.0<nm> tag=SiTop Line x location=50.0<nm> spacing= 10.0<nm> Line x location=0.5<um> spacing= 50.0<nm> Line x location=2.0<um> spacing= 0.2<um> Line x location=4.0<um> spacing= 0.4<um>

Line x location=10.0<um> spacing= 2.0<um> tag=SiBottom 2.1.2. Задаём сетку по y:

Line y location=0.0 spacing=50.0<nm> tag=Mid

Line y location=0.40<um> spacing=50.0<nm> tag=Right

2.1.3. Необходимо указать материал подложки, задать концентрацию примеси и кристаллографическое направление. В данном примере материалом является кремний:

region silicon xlo=SiTop xhi=SiBottom ylo=Mid yhi=Right

init concentration=1.0e+15<cm-3> field=Boron wafer.orient=100

Для 2D-моделирования область подложки определена через ссылки для x- и y-направлений. Эти связующие ссылки были ранее определены в командной строке (tag= ).

Команда xlo задаёт нулевое значение x, которое соответствует нижней части нашей подложки. Команда xhi задаёт максимальное значение x, кото-

10