Двумерное моделирование транзисторов в TCAD №3740

P0000023.inp

MESH:

XX=2, YY=1, NX=80, NY=80} FRAG:

X0=0, SY=0, DX=0, OV=1, IF='P0000061.3D'}

$

Рис. 5.7. Простейший командный файл MergIC для расчета ВАХ p–n-перехода

Выходной файл P0000061.3D SiDif здесь является входным для программы MergIC. Перед запуском MergIC необходимо убедиться, что уже созданы все требуемые выходные 3D файлы SiDif.

Далее, выходной файл MergIC 'P0000023.3D' передается по имени в программу SemSim и используется в директиве DOPN в качестве

Numerical doping data так, как показано на рис. 5.8.

DOPN:

FILE='P0000023.3D'}

#BAS:

MESH: NX=80, NY=80, XX=2, YY=1, ZZ=10, MESH=2, HY0=0.1

;

SOLV: COMM='Diode test', BATC=1, GUMM=25, GRES=1e-2;

}

#ELE:

OHMI: NAME='Anode', NUM=1, LOC=1, XLT=0, XRT=0.3; OHMI: NAME='Cathode', NUM=2, LOC=2, XLT=0, XRT=0.8;

}

#IVD:

IVDA: TEXT='IV-curve', NUMC=1, NPNT=13, V1=-0.7, VSTE=0.1, V2=0;

}

$

Рис. 5.8. Командный файл SemSim для расчета ВАХ диода

В управляющей оболочке MicroTec имеется специальная возможность объединить передачу файлов между программами при сквозном моделировании в едином Bat-файле. Пример такого объединения приведен на рис. 5.9.

71

P0000064.bat

rem Batch Diode (bat - project) sidif.exe P0000061.INP mergic.exe P0000023.INP semsim.exe P0000063.INP

Рис. 5.9. Объединенный командный файл для сквозного моделирования

5.3. ПРИМЕРЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

Теперь рассмотрим более сложные, чем диодные структуры, примеры сквозного моделирования. А именно разберем расчет ВАХ n-канального МОПТ на материале р-подложки, исток-стоки которого получены путем имплантации и отжига мышьяка.

Исследуемый технологический маршрут описывается данными:

–исходная подложка: КДБ – 130, (100);

–жертвенное окисление и травление окна в маске;

–имплантация мышьяка с Е = 40 кэВ и D = 1012 см–2;

–инертный отжиг при Т = 900 С за 6,7 мин (1000 с).

Командный файл P0000065.inp для моделирования технологии в SiDif имеет вид, представленный на рис. 5.10, а результат в виде контурной карты для концентрационного профиля результирующей примеси приведен на рис. 5.11.

MESH:

COMM='S_D_ fabrication', NX=30, NY=40, XX=0.25, YY=0.5, IM=0, AX=0.025, AY=0.025}

SOLV:

IB=1, RS=1e-12, CO=1e12} SUBS:

OR=100, BO=1e+14} ASIM:

COMM='IL AS',XM=-0.05,DZ=1e12,EN=40} ANNE:

COMM='Arsenic_annealig', TC=900, TM=400, TAU=10}

$

Рис. 5.10. Командный файл P0000065.inp для SiDif

72

Рис. 5.11. Распределение мышьяка в областях исток–стока n-МОПТ

При создании объединенной структуры программой MergIC необходимо сделать следующие преобразования:

симметрично отразить технологическую область моделирования по ее левой границе;

увеличить технологическую область 0,25 × 0,25 мкм до реальной электрофизической 0,5 × 1 мкм.

Соответствующий командный файл для MergIC приведен на рис. 5.12, а результат – на рис. 5.13.

MESH:

XX=0.5, YY=1, NX=80, NY=80} FRAG:

X0=0.25, SY=-1, DX=0, OV=1, IF='P0000065.3D'}

$

Рис. 5.12. Командный файл MergIC, согласовывающий данные SiDif и SemSim

73

Рис. 5.13. Структура МОП транзистора после MergIC

Аналогично может быть создана структура транзистора с управляющим p–n-переходом. Предположим, что технологический маршрут ПТУП имеет следующий вид:

–исходная подложка: КДБ – 20 с ориентацией (100);

–эпитаксиальное наращивание n-слоя, легированного фосфором, до удельного сопротивления 0,5 Ом · см (ND = 2.5 · 1016 см–3) и толщиной

0,4 мкм;

–жертвенное окисление и травление окна в маске;

–имплантация бора с целью создания затвора ПТУП дозой 1012 см–2

иэнергией Е = 40 кэВ;

–инертный отжиг бора при Т = 1000 С за 1000 с;

–снятие жертвенного окисла;

–жертвенное окисление и травление окна в маске;

–имплантация мышьяка в область стока дозой 1013 см–2 и энергией

Е = 40 кэВ;

–инертный отжиг мышьяка при Т = 1000 С за 1000 с.

Структура командного файла для SiDif приведена на рис. 5.14, а результаты расчета – на рис. 5.15.

74

MESH:

COMM='JFET fabrication', NX=60, NY=60, XX=1, YY=1, IM=1, AX=0, AY=0}

SUBS:

OR=100, BO=6.744e+14} EPIT:

COMM='n-Channel_epitaxy', TH=0.4, TC=1000, TM=2000, TAU=100, PH=2.5e+16} BOIM:

COMM='p-Gate implant', XM=0.3, DZ=1e12, EN=40} ANNE:

COMM='Boron annealing', TC=1000, TM=1e3, TAU=100} ASIM:

COMM='n-Drain implant', XM=-0.7, DZ=1e+13, EN=40} ANNE:

COMM='Arsenic annealing', TC=1000, TM=1e3, TAU=100}

$

Рис. 5.14. Структура командного файла, моделирующего технологию ПТУП

Рис. 5.15. Профиль распределения после внедрения бора под затвор и мышьяка под сток ПТУП

75

Создание объединенной структуры выполняется с помощью командного файла для MergIC, обеспечивающего симметричное отражение профиля на рис. 5.16 и увеличение области моделирования XX × YY до 2 × 1 мкм . Структура файла командного файла приведена на рис. 5.17.

MESH:

XX=2, YY=1, NX=80, NY=80} FRAG:

X0=1, SY=-1, DX=0, OV=1, IF='P0000045.3D'}

$

Рис. 5.16. Командный файл MergIC , формирующий ПТУП

Параметры X0 = 1, SY= –1 размещают p+-затвор посредине между истоком и стоком путем смещения (х0 = 1). Итоговый результат показан на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Результирующая структура ПТУП, готовая для использования в SemSim

76

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение настоящего руководства следует отметить, что проблемы численного моделирования полупроводниковых структур уже давно обсуждались в отечественной литературе (см., например, [31]) и ответы на многие вопросы можно найти в доступной русскоязычной литературе [20, 21, 32]. В то же время многие существенные особенности и важные свойства пакета МicroТeс могут быть в полной мере освоены только после многократного практического опробования пользователем.

Следует обратить внимание на то, что МicroТeс является одной из простых программ двумерного моделирования полупроводниковых приборов. Знакомство с МicroТeс облегчает освоение более сложных специализированных пакетов моделирования, которые можно использовать при выполнении дипломных работ и магистерских диссертаций. Вместе с тем мы можем рекомендовать МicroТeс для иллюстрации физических явлений в приборах и демонстрации конструктивно-техноло- гических решений при проектировании интегральных схем.

Хотелось бы надеяться, что наше пособие будет полезным будущим пользователям МicroТeс и других систем TCAD на сложном пути углубленного освоения численных методов моделирования физики и технологии полупроводниковых микро- и наноструктур.

Авторы считают своим долгом выразить глубокую благодарность и признательность М.С. Обрехту, Siborg Sys. Inc., Waterloo, Ontario, Canada, любезно предоставившему нам простую и удобную версию программы моделирования МicroТeс, без которой была бы невозможна практическая реализация изложенной выше работы.

77

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1.http://www.siborg.ca

2.Obrecht M.S. Software Package for Two-Dimensional Process and Device Simulation – MicroTec – 3.02 User’s Manual, Siborg, Waterloo, Can., 1988.

3.Obrecht M.S. SIMOS – two-dimensional steady-state simulator for MOSdevices// Solid-State Electronics. – 1989. – Vol. 32, N 6. – P. 282–287.

4.Obrecht M.S., Teven J.M. G. BISIM – a program for steady-state twodimensional modeling of various bipolar devices // Solid-State Electronics, Software Survey Section. – 1991. – Vol. 34, N 7.

5.Obrecht M.S., Alexandrov A.L. SIDIF – a program for two-dimensional modeling of diffusion and oxidation// Solid-State Electronics, Software Survey Section. – 1991. – Vol. 34, № 8.

6.Alexandrov A.L., Obrecht M.S., Gadiyak G.V. Efficient finite-difference method for numerical modeling of thermal redistribution of interacting impurities under oxidizing ambient // Solid State Electronics, 1992. – Vol. 35. – P. 1549–1552.

7.Obrecht M.S. A new stable method for linearization of discretized basic semiconductor equations”, Solid State Electronics. – 1993. – Vol. 36. – N 4. – P. 643–648.

8.Sze S.M., Kwok K.Ng. Physics of semiconductor devices.– 3rd Edition, Wiley, 2007.

9.Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. – Т. 1–2. – М.: Мир,

1984.

10.Физика полупроводниковых приборов / С.В. Калинин, Е.А. Макаров, Н.В. Усольцев, А.С. Черкаев. – Метод. указания к лабораторному практикуму. – Новосибирск: Изд-во НГТУ 2009.

11.Гуртов В.А. Твердотельная электроника.– М.: Техносфера, 2005.

12.Макаров Е.А., Усольцев Н.В. Твердотельная электроника: учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ 2004.

13.Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем.– М.: Мир, 1989.

14.Абрамов И.И. Лекции по моделированию элементов интегральных схем.– М.$ Ижевск, 2005.

78

15.Математическое моделирование полупроводниковых структур и технологических процессов / Сост. П.П. Люмаров, Е.А. Макаров. – Новосибирск: Из-д-во НГТУ, 2000.

16.Пикулев В.Б. Основы моделирования планарных МДП-структур в физике твердого тела: учеб. пособие. – Петрозаводск: Изд-во. ПетрГУ, 2005.

17.Королев М.А. , Крупкина Т.Ю., Ревелева М.А. Технология, конструкции

иметоды моделирования кремниевых интегральных микросхем.– Ч. 1 и 2. – М.: Бином, 2007.

18.May G.S., Sze S.M. Fundamentals of semiconductor fabrication. – Wiley,

2002.

19.МОП-СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов / Под ред. П. Антоннети, Д. Антониадиса, Р. Даттона, У. Оулдхема. – М.: Радио и связь, 1988.

Дополнительная

20.Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем. – М.: Высш. шк., 1989.

21.Бубенников А.Н., Садовников А.Д. Физико-технологическое проектирование биполярных элементов кремниевых БИС. – М.: Радио и связь, 1991.

22.Моделирование полупроводниковых приборов и технологических процессов / Под ред. Г.В. Гадияка. – М.: Радио и связь, 1989.

23.Шур М. Физика полупроводниковых приборов.– М.: Мир, 1992.

24.Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники.– М.: Радио и связь, 1991.

25.Ферри Д., Эйкерс Л., Гринич Э. Электроника ультрабольших ИС. – М., Мир, 1991.

26.Сугано Т. Введение в микроэлектронику.– М.: Мир, 1988.

27.Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. – Ч. 1 и 2. – М.: Техносфера, 2004.

28.Plummer J.D., Deal M.D., Griffin P.B. Silicon VLSI Technology: Fundamentals, Practice and Modeling. – Prentice Hall. 2001.

29.Энгль В.Л., Диркс Х.К., Майнерцхаген Б. Моделирование полупроводгиковых приборов // ТИИЭР. – 1983. – Т. 71, № 1. – С. 14–42.

79

30.Даттон Р.У., Пинто М.Р. Средства автоматизации и прогресс интегральных технологий // ТИИЭР. – 1986. – Т. 74, № 12. – С. 150–161.

31.Елисеев В.С., Миргородский Ю.Н., Руденко А.А. Численные методы анализа двумерных полупроводниковых структур // Микроэлектроника / Под ред. А.А. Васенкова. – Вып. 8. – M.: Сов. радио, 1975. – С. 352–367.

32.Польский Б.С. Численное моделирование полупроводниковых приборов. – Рига: Зинатне, 1986.

33.Макаров Е.А., Усольцев Н.В. Физика полупроводниковых приборов: метод указания к лаб. практикуму. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007.

80