Двумерное моделирование транзисторов в TCAD №3740

УДК 621.382.3:004.925(07) Д 25

Составители: Е.А. Макаров, С.В. Калинин, А.С. Черкаев, В.Е. Зырянов

Рецензент Б.К. Богомолов, канд. физ.-мат. наук, доцент

Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов и микроэлектроники

© Новосибирский государственный технический университет, 2009

2

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

РС – (англ.) персональный компьютер

TCAD – (англ.) система приборно-технологического моделирования ИМС – интегральная микросхема ФСУ – фундаментальная система уравнений ВАХ – вольт-амперная характеристика

КЭФ – маркировка кремния: кремний электронный, легированный фосфором

КДБ – маркировка кремния: кремний дырочный, легированный бором

БТ – биполярный транзистор ОБ – общая база ОЭ – общий эмиттер

ЭП – эмиттерный p–n-переход КП – коллекторный p–n-переход ПТ – полевой транзистор

ПТУП – ПТ с управляющим p–n-переходом ПТШ – ПТ с затвором Шоттки

МОПТ – ПТ с МОП-структурой затвора или ПТ с изолированным затвором

БиКМОП – микроэлектронная технология, сочетающая в себе бипо-

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курсовой проект по моделированию полупроводниковых транзисторов выполняется студентами РЭФ по направлениям 210100 – Электроника и микроэлектроника и 210600 – Нанотехнология в рамках курса «Физика полупроводниковых приборов». В зависимости от варианта задания он заключается в проведении компьютерного исследования ВАХ и параметров интегрального биполярного или полевого транзистора (ПТУП, ПТШ, МОПТ). Для выполнения работы используется система двумерного приборно-технологического моделирования MicroTec [1–7], работающая под управлением ОС Windows на РС, представляющая собой очень удачный вариант TCAD, удобный для использования прежде всего в учебных целях.

Данное методическое руководство содержит в себе практическое описание особенностей моделирования транзисторных структур на основе двух базовых технологий моделирования, широко используемых в настоящее время во всех TCAD-системах. Во-первых, имитации технологии путем конструктивного описания полупроводниковой структуры и проведения электрофизических расчетов в прямоугольной области на основе решения краевой задачи для ФСУ (конструктивно-

электрофизическое моделирование). Во-вторых, непосредственного моделирования БиКМОП-технологии с последующим расчетом электрофизических характеристик и параметров (сквозное моделирование).

Переход от микроэлектронных к наноэлектронным устройствам вызвал к жизни внедрение новых конструктивно-технологических решений даже в традиционной кремниевой технологии. В связи с этим уже стал недостаточным старый подход в обучении с заданиями и курсовыми проектами, использующими одномерные количественные оценки на основе простых аналитических соотношений. Предлагаемое пособие позволит студентам быстро и наглядно смоделировать основные этапы технологического цикла изготовления проектируемого прибора и получить его результирующие электрофизические параметры.

5

1.ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ И ТРЕБОВАНИЯ

КОФОРМЛЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

1.1. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Индивидуальные варианты задания на моделирование полупроводникового транзистора студенты получают согласно указаниям преподавателя. Численные данные, определяющие аппроксимационные профили легирования исследуемой структуры (см. рис. 3.1–3.4), приведены ниже в соответствующих таблицах 1.1 – 1.4.

Размеры области моделирования, а также недостающие параметры следует определить по исходным данным самостоятельно исходя из разумных соображений. При настройке расчетной сетки (поддиректива Mesh) и моделировании ВАХ прибора следует придерживаться следующих рекомендаций.

Число узлов однородной (шаг сетки не меняется) расчетной сетки в случае равномерного разбиения области моделирования должно быть не менее 70 как по оси X, так и по оси Y. Причем, если необходимо разбить структуру размером 10 × 10 мкм на сетку с шагом 0,1 мкм, число узлов на каждой из осей должно равняться 101. В случае использования неравномерной сетки (различное число узлов на обеих осях) число узлов по оси X (длина структуры) должно быть не менее 50, а по оси Y (в глубину структуры), как правило, в два раза больше.

При использовании самонастраивающейся сетки общее число узлов должно быть не менее 5000, а соотношение числа узлов по оси X и по оси Y должно соответствовать соотношению размеров области моделирования.

При моделировании ВАХ желательно просчитывать не менее 15 точек, чтобы соответствующие графики имели сглаженный вид. Ширина проектируемых структур (параметр Domain Z Size) должна быть примерно в 3–5 раз больше, чем длина активной области (эмиттера у БТ и канала или затвора у ПТ). Также следует помнить о том, что для расчета прямой ветви ВАХ p–n-перехода от 0 до 1 с шагом 0,1 В число расчетных точек должно равняться 11.

6

Примечание. FE – площадь эмиттера; NE0 – максимальная концентрация примеси в эмиттере; YE – глубина залегания эмиттерного p–n-перехода; NB0 – максимальная концентрация примеси в базе; YB – глубина залегания базового слоя (коллекторного p–n-перехода); NC – концентрация примеси в эпитаксиальной пленке; d – толщина эпитаксиальной пленки; NBL – максимальная концентрация примеси в скрытом слое; YBL – глубина залегания скрытого слоя относительно граничной линии, определяемой толщиной эпитаксиальной пленки; NS – концентрация примеси в подложке.

7

Примечания. 1. ND0 – максимальная концентрация доноров в истоках– стоках; YSD – глубина залегания исток-стоковых p–n-переходов; ND – концентрация доноров в канале; d – толщина эпитаксиальной пленки; L – длина затвора; NA0 – максимальная концентрация акцепторов в затворе; YG – глубина залегания p–n-перехода затвора; NA – концентрация акцепторов в подложке.

2. При формировании структуры ПТУП необходимо предусмотреть достаточное расстояние между сильнолегированными диффузионными областями затвора и исток–стоков для предотвращения их смыкания.

8

Примечание. ND0 – максимальная концентрация доноров в исток–стоках; YSD – глубина залегания исток-стоковых p–n-переходов; ND – концентрация доноров в канале; d – толщина эпитаксиальной пленки; L – длина затвора; ФB – высота барьера на контакте Шоттки; NA – концентрация акцепторов в подложке.

9

Примечание. ND0 – максимальная концентрация доноров в исток–стоках; YSD – глубина залегания исток-стоковых p–n-переходов; NA0 – максимальная концентрация акцепторов в области подлегирования канала; YCH – толщина области подлегирования канала; L – длина канала; dOX – толщина подзатворного окисла; NA – концентрация акцепторов в подложке.

1.2. СОДЕРЖАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Курсовой проект должен быть выполнен и оформлен студентом согласно стандарту, принятому на кафедре полупроводниковых приборов и микроэлектроники. Текст пояснительной записки к курсовому проекту должен содержать следующие элементы.

10