Лабораторная работа №4
Моделирование структуры и расчет параметров n-мдп транзистора.
Цель работы: овладеть навыками подготовки технологической структуры для приборного моделирования в программе MDRAW; получить навыки практического моделирования характеристики ток стока от напряжения на затворе МДП-транзистора в программе DESSIS и экстракции порогового напряжения, подпорогового тока и крутизны ВАХ транзистора с помощью программы INSPECT; анализ двумерных решений (распределения потенциалов, плотностей токов, зарядов и т.д.) в программе PICASSO.
Теоретическая часть.
Целью данной работы является моделирование проходной характеристики n-MOП транзистора в программе приборного моделирования DESSIS. В результате моделирования должны быть получены такие важные характеристики прибора, как пороговое напряжение, подпороговый ток и крутизна ВАХ транзистора. Данной работой завершается маршрут приборно-технологического моделирования n-МОП транзистора в среде ISE TCAD, который схематично можно представить следующим образом:
DIOS MDRAW DESSIS
Более полный маршрут представлен в приложении 1.
Как видно из схемы, промежуточным звеном между технологическим моделированием в DIOS и приборным моделированием в DESSIS является программа MDRAW, в которой осуществляется подготовка технологической структуры для приборного моделирования. А именно, установка контактов и оптимизация сетки. Этот этап маршрута необходим, так как сетка, полученная при технологическом моделировании, непригодна для расчета приборных характеристик, а грамотно построенная сетка оказывает большое влияние на результаты приборного моделирования. В MDRAW “заложен” алгоритм построения сетки, позволяющий создавать очень мелкую и точную сетку у поверхности прибора. Сетка строится по слоям, расположенным вдоль поверхности прибора. Приповерхностный слой имеет сетку с наименьшей высотой ячеек. В каждом последующем слое (вглубь подложки) высота ячеек увеличивается по сравнению с предыдущим слоем на некоторый фактор с. Таким образом, чем слой дальше от поверхности, тем сетка в нем более грубая. Такой алгоритм обеспечивает построение оптимальной сетки для приборов с планарной технологией, в частности МОП приборов, для которых токи протекают в основном вдоль поверхности. Кроме того, алгоритм учитывает и то обстоятельство, что наилучшие результаты достигаются, когда линии сетки перпендикулярны потокам носителей.
Программа MDRAW
MDRAW это программа для создания полупроводниковых структур и для оптимизации сетки для приборного моделирования. Для этой цели в MDRAW имеется два основных режима работы:
- в редакторе геометрии
- в редакторе легирования.
Используя эти режимы, можно создавать различные полупроводниковые структуры и модифицировать сетки до тех пор, пока они не удовлетворят специфике вашего моделирования.
Рабочее окно в MDRAW
Рабочее окно MDRAW сочетает в себе строку-меню, область средств редактирования, область контактов, область предпочтений, раздел сообщений, индикатор координат и окно для рисования.
Выбор режима редактирования
Вы можете работать в режиме геометрии или режиме легирования, выбрав соответственно опцию BoundaryилиDoping. MDRAW изменяет строку-меню, область средств редактирования и установки в соответствии с выбранным режимом.
Строка-меню и область средств редактирования
Строка-меню обеспечивает быстрый доступ к командам таким, как создание нового прибора, редактирование прибора или задание информации о легировании прибора.
Область средств редактирования содержит часто используемые для редактирования средства. Вы можете начать работу с тем или иным средством простым нажатием на него левой кнопки мыши.
Область контактов
В этой области собраны средства для работы с контактами. Некоторые из этих средств находятся также в строке-меню.
Область предпочтений
Эта область позволяет регулировать такие настройки среды, как отображение линеек или отображение информации о легировании.
Редактор геометрии(режимboundary).
Начать редактирование структуры в MDRAW можно двумя путями:
Создание нового прибора, если необходимо быстро получить прототип прибора или если нет нужды проводить моделирование технологических процессов.
Редактирование существующей структуры, если прибор был создан в результате моделирования технологических процессов, например в DIOS.
В данной работе вы будите редактировать структуру, полученную в результате технологического моделирования командного файла nmos.cmd в программе dios.
Открытие файла.
MDRAW может открыть файлы с геометрией, сохраненные в формате DF–ISE Эти файлы обычно имеют расширение *.bnd.
Открывается файл следующим образом.
В опции File в строке-меню выбираемOpen, выскочит диалоговое окно File Open.
Просматривая списки директорий и файлов, выбираем нужный (в вашем случае это файл nmos.bnd).
Нажимаем Ok.
Сохранение геометрии
Когда вы открываете структуру в редакторе геометрии, MDRAW делает копию и отображает ее на вашем экране. Любое сделанное вами изменение геометрии прибора содержится в памяти компьютера. Рекомендуется периодически сохранять свой файл.
Сохранение геометрии структуры:
В опции Fileв строке-меню выбираемSave.Если вы первый раз сохраняете структуру, то выскочит диалоговое окноFile Save.
Выбирете свою директорию.
В текстовом окне пишется имя файла.
Нажмите Ok.
Вы можете использовать опцию Save As... для создания копии или сохранения под другим именем.
Редактирование структуры
Существует несколько возможностей редактирования структуры: перемещение точек, удаление и добавление точек, прорисовка областей структуры, изменение типа материала в определенных областях, удаление областей или задание новых контактов.
Поскольку в данной работе структура уже подготовлена в результате технологического моделирования в dios, необходимо лишь добавить контакты: исток (source), сток (drain), затвор (gate)и подложка(substrate).
Определение контактов.
Контакты определяются в MDRAW как совокупность границ. Контакты показываются красными линиями. Контакты могут соприкасаться или совмещаться.
Совмещенные контакты могут быть полезны для определения контактов, которые имеют одинаковое расположение, но по-разному используются при моделировании прибора (например электрические и термические контакты).
Чтобы добавить новый контакт:
Нажать Add Contact в менюContacts. Возникнет диалоговое окноContacts.
Указать название контакта.
Нажать Ok.
Чтобы удалить контакт:
Нажать Delete Contactв менюContacts. Возникнет диалоговое окноDelete Contacts.
Выбрать название контакта из списка.
Нажать Ok.
Чтобы расположить уже определенный контакт на границе структуры:
В меню инструментов выберете Set/Unset Contact.
Указать место расположения контакта.
Примечание:Если вы укажите область, то контакт установится по границе этой области. Если одной из границ уже соответствовал активный контакт, он будет удален из активных контактов.
Чтобы переименовать контакт:
В меню инструментов выберете Information.
Укажите контакт.
Введите новое название контакта.
Изменение масштаба изображения.
В меню инструментов выберите Zoom.
Нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее, протяните указатель так, чтобы прорисовался фрагмент, содержащий область, которая подлежит масштабированию.
Когда вы отпустите кнопку, вы получите эту область в увеличенном масштабе. Линейки и средства прокрутки окна изменяются так, чтобы отобразить текущее состояние области масштабирования. Если вы не зададите опцию Keep Grid Size, высота и ширина ячеек сетки при каждом масштабировании вычисляются заново, чтобы отобразить 100 на 100 ячеек сетки.
Чтобы сохранить размер ячеек сетки при масштабировании, выберите Keep Grid Size.
Чтобы уменьшить масштаб изображения, выберите Zoom Outв менюView.
Чтобы вернуть изображение в предыдущее состояние, выберите Zoom Resetв менюView.
Отмена изменений.
Используя редактор геометрии, можно отменить любое сделанное изменение. MDRAW позволяет отменить столько изменений, сколько нужно, вплоть до первоначального состояния.
Чтобы отменить изменение, выберите Undoиз менюEdit.
Чтобы восстановить изменение, выберите Redo в менюEdit.
Редактор легирования.
Основной целью редактора легирования является визуализация и модификация распределения примеси в приборе.
Редактор легирования содержит средства для создания различных распределений примеси и для описания условий обработки и окончательного построения сетки, отвечающей всем требованиям приборного моделирования
Чтобы перейти в режим редактора легирования, нажмите кнопку Doping.
Описание профилей легирования и внешних функций.
Профили легирования в MDRAW могут определяться двумя способами:
создание аналитических профилей
подключение внешних данных с технологического процесса или из программы приборного моделирования.
В данной работе мы будем рассматривать второй случай.
Построение сетки, пригодной для приборного моделирования.
Находясь в редакторе легирования, выберите команду build mesh. После этого программа MDRAW начинает автоматически создавать сетку, согласно внутреннему алгоритму. Появится окно с информацией о создании сетки. Если автоматически созданная сетка вас не устраивает, вы можете ее модифицировать на любом участке структуры. Для этого нажмитеshow refinement, затем -add refinementи выделите прямоугольную область, в которой хотите улучшить сетку, В результате появится диалоговое окно, в котором нужно указать новые максимальные и минимальные значения ширины и высоты ячеек сетки. Затем нажмитеbuild refinementи новая сетка будет сгенерирована. При формировании таким образом сетка не должна быть слишком плотной, иначе это может в дальнейшем затруднить работу программы приборного моделирование.
Для сохранения информации выберите File,Save all. В результате появится окно с сообщением о сохранении двух файлов: nmos_mdr.grd – с информацией о структуре и местоположение всех узлов сетки и nmos_mdr.dat – с информацией о профилях легирования (концентрация и тип примеси для каждой точки сетки), которые будут использоваться для дальнейшего моделирования приборных характеристик. Убедившись, что файлы сохранены, нажмитеdismissдля закрытия окна.
Программа DESSIS
DESSIS – программа для приборного и схемного моделирования одно, двух и трех-мерных полупроводниковых структур. Она объединяет в себе современные физические модели и числовые методы для моделирования большинства существующих на сегодняшний день полупроводниковых структур, начиная с субмикронных МОП-транзисторов и заканчивая мощными биполярными структурами.
Для этой цели программа содержит множество моделей для моделирования физики прибора и полупроводниковых эффектов (дрейфовая диффузия, термодинамические эффекты и гидродинамические модели), средства для работы с одно, двух и трехмерными структурами, большой набор средств для решения нелинейных уравнений, а также поддерживает Spice-модели.
DESSIS моделирует поведение полупроводниковых приборов, основываясь на уравнениях физики полупроводниковых приборов, описывающих механизмы проводимости и распределения носителей. Реальный полупроводниковый прибор представляется в DESSIS как “виртуальный прибор”, свойства которого дискретизированы по узлам неоднородной сетки. Следовательно, непрерывные функции, такие как профили легирования, разбиты на конечное число дискретных точек и значение этих функций между узлами сетки может быть получено путем интерполяции.
Любая виртуальная структура в программах ISE представляется двумя файлами:
grid-файл, содержащий информацию о типе и границах областей прибора, электрических контактах, а также о положении узлов сетки.
dat-файл – содержащий профили легирования в форме таблицы значений концентрации и типа примеси для каждого узла сетки.
По умолчанию двумерная структура при моделировании имеет толщину (третья размерность) 1мкм.
Для запуска входного файла на моделирование необходимо в окне xterm набрать команду: dessis <nmos_des.cmd>. Если моделирование прошло успешно, то последними сообщениями во входном файле будут: