（微电子学与固体电子学专业论文）深亚微米全耗尽soi+mosfet参数提取方法的研究.pdf

摘要 论文题目：深亚微米全耗尽s o im o s f e t 参数提取方法的研究 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：冯松 指导教师：高勇 杨媛 教授 副教授 摘要 签名：盟 签名：薹盈 签名：越 随着s o l 技术的迅速发展，凭借s o l 器件本身固有的优良特性，s 0 1 器件已 经在众多领域得到了应用。对s o l 电路进行h s p i c e 仿真是电路设计的有效手 段，然而精确的器件参数是保证仿真正确的必要条件，因此对不同工艺条件下 的s o l 电路进行s p i c e 仿真时首先需要提取其器件参数。由于s o lm o s f e t 包含 许多复杂的物理效应，从而使得参数提取工作变得非常棘手，传统参数提取， 需要对器件进行建模，然后选择提取算法，进行大量的计算。为了减少计算量， 提高参数提取效率，本文考虑借助i s e 器件模拟软件进行参数提取的工作。 在分析了传统参数提取的方法和流程后，针对传统参数提取过于繁琐，需 要大量的计算的缺点，论文研究了一种新的参数提取方法。首先利用i s e 器件 模拟软件，建立了o 2 5 9 m 全耗尽s o lm o s f e t 结构，对其l v 特性进行了模拟， 在模拟的过程中加入了二级物理效应模型，浮体效应模型，自加熟效应模型等； 然后将模拟得到的特性曲线与已有的实测曲线相对比，对比相吻合后，利用模 拟的特性曲线进行外推，参照传统体硅器件的参数提取方法，基于b s i m s o i 器件模型，对0 2 5 t t ms o m o s f e t 进行了参数提取的工作；最后根据c o m p a c t m o d e lc o u n c i l 的标准对s o lm o s f e t 物理模型和参数迸行了验证。通过s 0 1 m o s f e t 器件的i s e 模拟出的特性曲线与相对应的实测曲线的对比，验证了s 0 1 m o s f e t 物理模型的正确性；通过将s 0 1m o s f e t 器件提取出的参数代入 h s p i c e 中进行模拟，得到的特性曲线与i s e 模拟的特性曲线相对比，验证了 s o i m o s f e t 模型参数提取的正确性。为了验证这种提取方法的通用侄，对大 尺寸的1 2 t t m 全耗尽s 0 1 m o s f e t 结构也进行了参数提取。结果表明该方法同 样适用于大尺寸s 0 1m o s f e t 的参数提取。 西安理工大学硕士学位论文 关键词：s o i ；全耗尽；参数提取；i s e ；b s i m s o i a b s t r a c t t i t l e ：t h er e s e a r c ho fd e e ps u b m i c r o nf u l l yd e p l e t e ds o l m o s f e tp a r a m e t e re x t r a c t i o nm e t h o d m a j o r ： m i c r o e i e c t r o n j ca n ds o l i de l e c t r o n i c s n a m e ： f e n gs o n g s u p e r v i s o r ：p r o f g a oy o n g a s s o c i a t ep r o f y a n gy u a n a b s t r a c t s i g n a t u ，e ：巫21 9 s i g n a t u r e ：垦丝圹 s i g n a t u r e ：毕 w i t ht h ei n c r e a s i n g l yd e v e l o p m e n to fs o lt e c h n o l o g y ，a n df o rt h eo b v i o u s a d v a n t a g e so fs o ld e v i c e s ，t h es 0 1d e v i c e sh a sa l r e a d yb e e na p p l i e di nm a n y f i e l d s h s p i c es i m u l a t i o ni sa ne f f e c t i v em e a nt od e s i g ns o ic i r c u i t s ，b u tt h e a c c u r a t ed e v i c ep a r a m e t e r sa r eap r e r e q u i s i t ef o rt h ec o r r e c ts i m u l a t i o n ，s ow h e n s i m u l a t i n gs o lc i r c u i t su n d e rd i f f e r e n tp r o c e s sc o n d i t i o n s ，t h ef i r s ti m p o r t a n t t h i n gi sp a r a m e t e re x t r a c t i o no fs o id e v i c e s b e c a u s es o lm o s f e t c o n t a i n sa l o to fc o m p l i c a t e dp h y s i c a le f f e c t s ，t h ee x t r a c t i n gw o r kb e c o m et r o u b l e s o m e t h ct r a d i t i o n a lp a r a m e t e re x t r a c t i o nn e e d st ob u i l dd e v i c em o d e l 。a n dt h e n c h o o s i n ga l le x t r a c t i n ga l g o r i t h m ，s om a k i n gag r e a tc a l c u l a t i n ga m o u n t s t h i s t h e s i sc a r r i e so u tp a r a m e t e re x t r a c t i o nw i t hi s et c a dt or e d u c ec a l c u l a t i n g a m o u n t sa n dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp a r a m e t e re x t r a c t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a lp a r a m e t e re x t r a c t i o nm e t h o da n df l o w i n v i e wo ft h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lp a r a m e t e re x t r a c t i o nm e t h o dt h a tt h e f l o wi s f u s s ya n d i tn e e d st h em a s s i v e c o m p u t a t i o n s ，a n o v e lp a r a m e t e r e x t r a c t i o nm e t h o di sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y0 2 5 1 m af u l l yd e p l e t e ds o i m o s f e ts t r u c t u r ei sb u i l tw i t hi s et c a d 。a n dw h a ti vc h a r a c t e r sa r e s i m u l a t e d d u r i n gt h es i m u l a t i o n sm a n yp h y s i c a lm o d e l si n c l u d i n gt h es e c o n d a r y p h y s i c a le f f e c tm o d e l ，f l o a t i n gb o d ye f f e c tm o d e l ，t h es e l f h e a t i n ge f f e c tm o d e l ， a n ds oo na r ec o n s i d e r e d t h e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h e a c t u a lm e a s u r ec u r v e s ，w h e nt h eb o t hr e s u l t sa r ec o i n c i d e n t a l ，c a r r y i n go ut h e m 西安理工大学硕士学位论文 e x t r a p o l a t i o nu s i n gt h e s i m u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i cc u r v e s r e f e r r i n gt ot h e t r a d i t i o n a lp a r a m e t e re x t r a c t i o nm e t h o do fb o d ys i l i c o nd e v i c e s ，b a s e do n b s i m s o it h ep a r a m e t e re x t r a c t i o no f0 2 5 t u ns o im o s f e ti sc a r r i e do u t f i n a l l y t h ep h y s i c a lm o d e l sa n dt h ep a r a m e t e r so fs o im o s f e th a v eb e e n v e r i f i e da c c o r d i n gt ot h ec o m p a c tm o d e lc o u n c i ls t a n d a r d t h es i m u l a t e d c h a r a c t e r j s t i c sc u r v e so fs o im o s f e tw i t hi s ea l ei nc o n t r a s tw i t ht h ea c t u a l m e a s u r ec u r v e st ov e r i f ys 0 1m o s f e tp h y s i c a lm o d e l s a c c u r a c y t a k i n gt h e e x t r a c t e dp a r a m e t e ri n t oh s p i c ef o rs i m u l a t i o na n do b t a i nt h ec h a r a c t cr i s t i c c u r v e s t h es i m u l a t i o nc h a r a c t c r i s t i c 8c u r v e sw i t hh s p i c ea r ei nc o n t r a s tw i t h t h es i m u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sc u r v e sw i t hi s et ov e r i f ys o lm o s f e tm o d e l p a r a m e t e r se x t r a c t i o na c c u r a c y i no r d e rt ov e r i f yg e n e r a la v a i l a b i l i t ya b o u tt h i s e x t r a c t i o nm e t h o d ，t h ep a r a m e t e re x t r a c t i o no f1 2 i l mf u l l yd e p l e t e ds o l m o s f e ta r ea l s oc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o di sa l s oa v a i l a b l e f o rt h ep a r a m e t e re x t r a c t i o no fb i gd i m e n s i o ns o im o s f e t k e y w o r d s ：s o i ；f u l l yd e p l e t e d ：p a r a m e t e re x 仃a c t i o n ：i s e ；b s i m s o i i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：暂堑护7 年3 月j - 7 日 学位论文使用授权声明 本人趁4 垒在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请l 尊士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：舀鹚导师签名： 纠年弓月2 7 日 第一幸绪论 1 绪论 1 1s o i 结构及特点 s o i 是英文s i l i c o no ni n s u l a t o r 的缩写，s o i 技术指的是在绝缘层上形成具有一定厚度 的单晶半导体硅薄膜层的材料制备技术及在薄膜层上制造半导体器件的工艺技术【1 “。该 技术可实现完全的介质隔离，与用p n 结隔离的体硅相比，具有无闩锁、高速率、低功耗、 集成度高、耐高温、耐辐射等优点 4 1 。 根据s 0 脏膜厚度可以将s o i 器件分为厚膜器件和薄膜器件。对于厚膜s o i 器件，当s o i 硅膜厚度大于两倍的最大耗尽宽度时，称为部分耗尽( p d ：p a r t i a l l yd e p l e t e d ) 器件；对 于薄膜s o l 器件，当硅膜厚度小于最大耗尽宽度时，称为全耗尽( f d ：f u l l yd e p l e t e d ) 器 件。两种结构的示意图如图1 一l 所示。 ( a ) p d ( b j f l ) 图l - - 1p ds o in m o s f e t f 6 q f ds o ln m o s f e t g q j 面图 f i g 11c r o s ss e , c t i o no fp d f ds 0 1n m o s f e t 在s o t j j t 术中，器件被制作在顶层很薄的硅膜中，器件与衬底之间由一层隐埋氧化层 隔开。正是这种结构使得s o lm o s 器件具有功耗低等众多优点，尤其是全耗尽s o im o s 器件，比传统体硅具有更优越的特性，更适合于高性能的u l s i 和v l s i 电路。全耗尽s o i m o s 器件大致优点如下： 1 、无“闩锁效应”。 s 0 1m o s 器件中由于介质隔离的结构的存在，因此没有到衬底的电流通道，闩锁效 应的通路被切断，并且各器件间在物理上和电学上互相隔离，改善了电路的可靠性。 2 、结构简单，工艺简单，集成密度高。 s o im o s 器件结构简单，不需要制备体硅m o s 电路的阱等复杂隔离工艺，器件最小 西安理工大学硕士学位论文 间隔仅仅取决于光刻和刻蚀技术的限制，集成密度大幅度提高。s o im o s 器件还特别适 于在同一芯片上集成高压和低压电路，因此具有很高的芯片面积利用率和性价比。 3 、寄生电容小，工作速度快。 体硅m o s f e t 器件的主要电容为管子源漏区以及源漏扩展区和衬底之间的电容，其 随衬底的掺杂浓度增加而增加，这将增大电路的负载电容，影响电路的工作速度：在s o i m o s 器件中，由于隐埋氧化层的存在，源漏区和衬底无法形成p n 结，寄生p n 结电容消 失。取而代之的是隐埋氧化层电容，该电容正比于电容材料的介电常数，其值远小于体硅 中源漏区与衬底的p n 结寄生电容，并且不受等比例缩小的影响。 4 、功耗低。 s o l m o s 器件的功耗由静态功耗和动态功耗两部分组成，其中静态功耗的表达式为： b 一，鼬p k ，其中五砒为泄漏电流，p ，d d 为电源电压，全耗尽s 0 1 器件具有陡直的亚阈 值斜率，很接近理想水平，因此泄漏电流很小，静态功耗很低：动态功耗的表达式为： 只- ，c 。，其中，为工作频率，c 工为动态功耗由电容，为电源电压，由于全 耗尽s o lm o s 器件具有比体硅器件更小的结电容和连线电容，因此同样的工作速度下， 动态功耗也大大降低。 5 、抗辐照性能好。 s o lm o s 器件全介质隔离的结构，彻底消除了体硅m o s 电路的拴锁效应，比同样性 能的体硅m o s 器件所占的硅岛面积大大减小，在同样的辐射计量下，产生的少数载流子 相应减少了三个数量级，提高了器件的抗辐射能力。 1 2s o i 器件的应用及发展近况 s o i 技术最初的发展目标是用于航空航天以及国防科技建设等系统中的微电子器件， 1 9 9 8 年以后s o i 商用取得了重大突破。随着信息技术的飞速发展，s o i * * 料在高速微电子 器件、低压“氐功耗器件、抗辐照电路、高温电子学器件、微机械和光通信器件等主流商 用信息领域的优势逐渐显现。国际著名的各大集成电路制造商，如英特尔、i b m 、超微 ( a m d ) 等纷纷投入巨资进行s o l 技术及其相关集成电路产品的设计和制造。 m m 是s o i 技术的长期支持者，它首先采用s o i 技术批量生产s o i 器件。2 0 0 0 年采用s o l 技术推出1g i kp o w e r 处理器 5 1 ，2 0 0 2 年采用s o i 技术、o 1 3 t t m 和9 层铜布线推出2 g i - i z 高速 处理器同。m m 还将更新的s o l 技术移植到索尼公司、东芝公司，期望打造3 0 0 m m 晶元的 5 0 n m 的s o l - s o d 7 。英特尔公司在2 0 0 0 年初宣布投入s o i 技术的开发，主要应用于高速移 动通信领域，该公司用最先进的1 2 英寸s o 研制，i l c r a h e n z 器件嘲2 0 0 1 年7 月，a m d 在德 国d r e s d e n 的芯片厂开始采用s o l0 1 3 p m - l - 艺制造a f l d o n 、 ： a m n l e r 等型号的处理器1 9 l q ； 2 0 0 4 年年末，a m d 和i b m 公司同时宣布，将在他们的9 0 r i m - l - 艺制程的芯片上采用s o 嗷 术，并表示a m d 和i b m 联合开发s o i4 5 r i m 生产工艺【1 1 】o k i 公司针对对f ds o i 工艺进行 了大量研究，并已有批量电路生产，其中包括c a s i o 的钟表电路以及原子钟的r f 接受器和 2 第一幸绪论 信号发生电路等1 1 2 1 。威盛公司推出得“e s t h e r 处理器采用得是9 0 r i ms o l lo w _ k 制造技术， 其耗电量更低，效能更高 j 3 1 。2 0 0 5 年2 月，索尼集团、i b m 和东芝联合开发的微处理器“c e l l ” 的有关工艺技术详情在举行的“2 0 0 5 年国际固体电路会议( i s s c c 2 0 q 5 ) ”上公布，该处理 器采用的栅长4 6 r i m 的晶体管应用t s o i 技术和应变硅技术，电源电压1 i v 、频率突破 4 g h z l l 4 1 。飞利浦公司早在上世纪8 0 年代就用厚膜( 1 5 l 工1 1 1 ) s d i 晶圆生产功率i c ，该电路主 要用于音频、汽车、显示、功率转换和照明等领域，s o l 功率i c 占该公司功率i c 的份额已 超过1 0 。2 0 0 5 年7 月，飞利浦公司基于s o 嗷术推出的控制域网络( c a n ) 接收器，具有卓 越的e m c 性能，既可提高可靠性又能有效地降低系统成本【悯2 0 0 5 年1 2 月，法国绝缘硅 ( s o o 知识产权( 口) 提供商s o i s i e & 遍布，已利用9 0 纳米s o l 淀片成功制造出六片工作 ( w o r k i n g ) 集成电路，扶而验证了被该公司称为业内首套客户自有工具( c o ，n 葭计套件1 1 6 1 。 同月，日本东芝公司宣布已经在绝缘硅( s o i ) 晶圆上制造1 2 8 m b 无电容( c a p a c i t o f l e s s ) d r a m ，并验证了该芯片能够正常工作【1 7 1 。2 0 0 6 年2 月，i b m 公司在国际固态电路会议 ( i s s c q 上，公布了其面向服务器的下一代p o w e r 6 处理器架构，p o w e r 6 是一款采用绝缘硅 ( s 0 0 架构工作于4 g h z 以上的6 5 纳米处理器【1 8 】。2 0 0 6 年6 月，s o l 供应商s o i t e c 借并购案获 薄层迁移技术，涉足晶圆级封装新领域l 挣1 。2 0 0 6 年9 月，a t m e lc o r p o r a t i o n 推出业界首个 使用s o l 技术的汽车负载驱动i c ，新的驱动i c 的性能有所改善，具有众多保护功能且价格 极具吸引力【2 0 l 。2 0 0 6 年1 2 月，s o i t e cs a 和a r m 公司签署了合作协议，将s o i t e c 的绝缘硅技 术岱0 i ) 应用于a r m 的微处理器口，从而让使用a r m 处理器的开发商将能获得s o l 的性能 效益 2 1 j 。 1 3 模型参数提取的意义 在进行集成电路设计时，对于复杂的芯片的设计，必须有能够正确预测电路特性的模 拟工具帮助。作为电路设计和分析工具的模拟器，它的可信度取决于其中器件模型及其模 型参数的正确性。在选定了器件模型的情况下，该模型的模型参数准确性将直接影响到设 计工作是否正确。在进行投片的过程中，芯片代工厂家必须给委托制造芯片的设计公司提 供芯片生产线上工艺的模型参数；而设计公司在设计过程中需要使用芯片代工厂家提供的 模型参数对设计的电路进行仿真；模型参数其实就是芯片代工厂家与设计公司之间的接 口。随着器件尺寸的减小，器件模型复杂度的增加，从而使得模型参数提取工作变得非常 棘手。 在参数提取中所采用的器俘模型主要是根据器件的凡钌图形、掺杂分布、载流子输运 方程( 半导体方程) 和材料特性等预测器件的输出特性和输运现象。深亚微米的s o lm o s 晶 体管与深亚微米体硅一样，它的特性受二维和三维物理效应影响，很难找出一个对器件所 有工作区都适用、都收敛的解析模型，但只要以器件物理为基础，仍可以找到一些收敛的 解析模型，这种模型一般只适用于器件的部分工作区。这种方法具有计算简单，方便等特 点，因此它常用于电路模拟器中。一般来讲，元器件模型的精度越高，模型本身就越复杂。 3 西安理工大学硕士学位论文 所要求的模型参数个数也越多；这样计算时所占内存量增多，并导致计算时间的增加。反 之，如果模型过于粗糙，会导致分析结果的不可靠。为了解决电路模拟不收敛的问题，不 仅要求器件模型中的数学方程必须连续，而且还要求具有连续的一阶导数( 这是牛顿一拉 夫森迭代所要求的) 尽管严格地从数学上来讲，这种连续性不是必要条件。即使存在不 连续性，这种不连续性的程度也必须足够小，即它引起的误差要小于整个模拟程序所允许 的误差才行。显然，模型的选取必须在准确性和计算效率之间进行折衷一般来说，只要 能够模拟实际晶体管在整个工作区域的特性，器件的实际电流与模型电流之间的误差为 5 左右时对电路模拟工作而言就已经足够了 器件模型能否对器件特性进行正确的预测与所提取出的模型参数值的准确性有很大 的关系。随着器件尺寸的不断缩小，电路模拟器中模型的复杂程度明显提高。另外，由于 许多电路模型是半经验解析模型，其中包含许多没有很好的物理意义的拟合参数，这些拟 合参数的数量随模型复杂程度的提高而增多，甚至有些拟合参数是冗余的，即不能为这些 参数确定唯一的值。因此，在利用器件特性数据进行参数提取时要注意，要尽量保持模型 参数的物理意义与实际器件的物理含义的一致性。 随着器件特征尺寸的减小，对器件工艺的要求越来越高。但是s o l 器件的工艺还不是 很成熟，批量生产小尺寸的s 0 1 器件成品率较低，不能满足市场需求。为了降低s o l 器件 的研发成本，加快s o i 器件的研发进度，需要建立适用于小尺寸的s 0 1 器件模型，并对器 件进行参数提取。传统s o l 的器件参数提取需要大量的模拟和计算，因此需要寻找一种更 高效率的参数提取方法。本文根据现有的实验结果，通过对0 2 5 1 t m 和1 2 $ t ms 0 1m o s f e t 的参数提取，总结出了一种借助i s e 器件模拟软件提取模型参数的方法，这种方法适用于 深亚微米s 0 1 器件模型，可以减少计算量，提高参数提取的效率，为深亚微米的大规模l c 设计提供支持。 1 4 本文的研究的主要内容及安排 本课题得到了西安应用材料创新基金的资助( x a - a m - 猫5 1 4 ) 。 本文借助| s et c a d 器件模拟软件，分别建立了o 2 5 p m 和1 2 t i m 全耗尽s 0 1m o s f e t 器件结构，在特性模拟的过程中加入了合适的物理模型，通过与现有实验结果的对比，验 证了器件物理模型和结构模型的正确性；然后借助i s e x t r a c t 分别对0 2 5 t a n 和1 2 v a n 全耗尽 s 0 1m o s f e t j 拄行了参数提取，并对提取出的参数进行了验证。具体论文安排如下： 第一章“绪论”介绍了s o l 器件的结构、特点以及发展状况，并对参数提取的意义进 行了阐述。 第二章“器件结构和器件模型”利用i s et c a d ，建立了0 2 5 i i 皿l 和1 2 t t m 的薄膜全 耗尽s 0 1m o s f e t ，分析了不同的工艺参数对器件特性的影响；对i s e 器件模拟软件， 器件物理模型以及用于参数提取的器件模型进行了介绍。 第三章“s 0 1m o s f e t 参数提取”给出了对s o im o s f e t j 挂行参数提取的方法：选取 4 第一章绪论 了合适的参数提取策略和最优化策略；根据参数提取所需的数据，分别对0 2 5 w m 和1 2 t m a 的s o i m o s f e t 进行了四组曲线模拟；制定了参数提取的顺序；编写了参数提取程序并进 行参数提取 第四章“s o im o s f e t 参数验证”验证t s o im o s f e t 物理模型的正确性；验证t s o l m o s f 朗濮型参数提取的正确性；给出了误差报告，验证了该提取方法的正确性和通用性。 第五章“结论”对本论文的工作进行了总结，得到了一种借助i s e 器件模拟软件提取 模型参数的方法。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 器件结构与器件模型 随着s o im o s f e 】r 尺寸的减小，随之出现的短沟道效应等一系列的二级物理效应，以 及浮体效应和自加热效应使器件性能退化1 2 2 j 因此，有必要从理论的角度出发，建立s 0 i m o s f e t 结构，对器件内部工作机理进行分析，根据s o im o s f e t 的实际物理特性，模拟时 加入合适的物理模型，真实的反映器件特性矧。 本章借助i s e t c a d 器件模拟软件，建立了符合深亚微米级要求的0 2 5 1 m as o l m o s f e t 结构模型，以及为了验证参数提取方法的通用性而建立的1 2 t t ms o lm o s f e t 结 构模型。结合三维器件模拟软件i s et ：a d ，对模拟中所需的各种模型如复合模型、迁移 率模型、量子学模型等进行了选取和优化。 2 1 模拟方法及软件介绍 2 1 1 模拟方法 现代半导体制造技术的快速发展，对半导体工艺技术和器件性能提出了新的要求， 借助计算机模拟以达到缩短研发过程已成为半导体业界的重要趋势。t e c h n o l o g y c o m p u t e r - a i d e dd e s i g nf r c a d ) i 具使用先进的数值模拟技术求解物理方程式用以进行工 艺模拟和器件仿真，是半导体工艺和器件研发过程中不可或缺的工具【2 4 l 。 t c a d 指的是借用计算机模拟来研发和最优化半导体工艺技术和器件。t c a d 模拟 工具通过求解基础物理微分方程，例如几何离散的扩散方程和传输方程，来描述半导体器 件中的物理层结构或者系统层结构。更深层次的物理方法使t c a d 模拟更加精确的对器 件特性进行预测。因此当研发一个新的半导体器件或者工艺时，t c a d 计算机模拟可以替 代昂贵的器件投片和测试，缩短器件研发周期。t c a d 包括两个重要的部分：工艺模拟和 器件模拟【2 5 j 。 本文主要进行器件模拟的工作，特详细介绍器件模拟的方法。器件模拟能对半导体 器件的电特性进行虚拟测量，即对半导体器件特性进行模拟。例如对二极管，晶体管，晶 闸管进行特性模拟。同样，在器件模拟中，器件也被划分为多个有限元素的结构，器件的 每一个节点都和材料类型，掺杂浓度等因素相关联。对于每一个节点，载流子浓度，电流 密度，电场，载流子产生率和复合率等因素都将被计算。电极在器件的边缘区域被描述。 通过求解泊松方程和载流子连续性方程等来对器件进行模拟，如果加入了考虑了更多的物 理模型，就相应的求解更多的无理方程。例如对于小尺寸器件，考虑了器件内部的热效应， 就需要相应的对温度方程进行求解。器件模拟的示意图见图2 1 。 6 第二幸器件结构与器件模型 2 1 2 模拟软件 图2 1 器件模拟示意图 f i g 工id “i c cs i m u l a t i o nc h a r t 本文模拟采用的i s e ( h t e 铲a t e ds y s t e m se n g i n e e r i n g ) 2 6 】工具是世界著名的t i 二a d 软 件提供商旗下的产品，该产品范围包括集成电路工艺模拟和器件仿真。i s e 总部设在瑞士， 并在美国硅谷、日本东京、韩国汉城、台湾新竹和中国上海等地先后创立了分支机构。自 1 9 9 3 年创立以来，i s e 一直专注于t c a d 领域，已为众多半导体制备商提供工艺模拟和 器件仿真产品。自从2 0 0 4 年被s y n o p s y s 公司以9 ，5 0 0 万美元收购后，其 d f m ( d e s i g n f o r - m a n u f a c t u r i n g ，可制造性设计) 软件功能得以增强，并且该部门一直专注 于t c a d 领域，已为众多半导体制备商提供工艺模拟和器件仿真产品。i s et c a d p o 是一 款可用于集成电路工艺模拟和器件仿真的软件，它通过运用计算机求解基本的半导体偏微 分方程组达到估计器件特性的目的，这种深层次的物理近似使得t c a d 能获得更准确的 模拟结果，这与传统设计流程中进行新工艺或新型半导体器件结构研究时所要进行的芯片 重复钡5 试实验相比，它成本更低并且省时。相对于其他器件和工艺模拟软俘，如m e d i c i 或t s u p r e m 4 ，i s e t c a d 的图形化界面( g u i ) 做得更为入性化、算法更优、模拟程序 收敛更容易，其以e x c e l 作为功能选项，使得初学者很容易上手；并且i s e t c a d 可以对 二维和三维的有限元模型进行定量模拟分析，能更直观的观察到偏压状态下器件内部各种 参数的分布；i s et c a d 十分适合一些概念性器件的开发，其标准化的实验流程具有更大 的预见性，可有效的减少研发成本和加速工艺制成的改进；该产品不仅可以准确快捷地进 7 西安理工大擘硕士擘住论文 行半导体工艺流程模拟和器件仿真，对于各种新兴及特殊器件，例如深亚微米器件、绝缘 硅( s 0 1 ) 、s i g e 、功放高压器件、异质结、光电器件、量子器件及纳米器件，也同样都可 以进行精确有效的仿真模拟。 i s et c a d 由工艺模拟和器件模拟两个功能模块组成工艺模拟可以完成从裸片到器 件结构生成的整个过程的仿真，半导体集成电路制造过程中的工艺步骤如离子注入、扩散、 蚀刻、氧化、生长、淀积以及热退火等均可通过编程输入到仿真器中；器件模拟则可以看 作是一个虚拟的半导体器件电特性试验，在模拟过程中，器件结构首先被离散为有限元网 格，网格中每个结点的特性与器件的特征参数相关，通过求解各个结点上的泊松方程、载 流子连续性方程以及能量平衡方程等来近似估计半导体器件内部的载流子浓度、电流浓 度、电场和产生复合率等等，并且可以通过添加电极来改变边界条件，最后综合这些结果， 即可从电极上提取整个器件的电特性和电参数。i s e 的工作界面见图争吧。 2 2 结构模型的建立 2 2 1 基本结构的建立 8 图2 _ 2i s e t 作界面 x n g 2 2w o r k0 e s h o po f i s e 根据0 2 5 硼的f ds o lm o s f e t t 艺，建立了符合深亚微级要求的器件结构模型，见 第二章器件结构与器件模型 图2 3 。 图2 3s o lm o s f e t 剖面图 f i g 2 3 c r o s ss e c t i o no fas o lm o s f e t 建立了较大尺寸1 2 t t m 的s o lm o s f e t 结构图，见图2 _ - 4 图2 4s o lm o s f e t 静j 面图 f i g 2 4 c r o s ss e c t i o no fas 0 1m o s f e t o 2 5 t t m 和1 2 t t m l 拘s o im o s f 王i t 器件模拟采用的工艺参数见表2 1 。 表2 一lo 2 5 t t m 和1 2 t t m 的s o lm o s f e t i 艺参数 t a b l e 2 1 s o l m o s f e t p r o c e s s p a r a m e t e r s o f 0 2 5 t t ma n d1 2 v t m 9 西安理工大学项士擘位论文 t o x 1 2 r i m 9 n m 1 s i 1 0 0 n m 6 0 r i m 田) 0 x3 7 5 n m 3 6 0 r i m x j 1 0 0 r i m6 0 n m n c h 3 c 1 7 c m 34 e 1 7 c m - 3 n d5 e 1 9 c m r 3l e 2 0 c r a 3 n s u b l e l 6 i 31 5 c 1 7 c m - 3 2 2 2 结构参数的选取 结构参数的选取直接影响到器件的性能好坏，在建模过程中发现，沟道长度l 、栅氧 厚度t 戗和顶层硅膜掺杂浓度n a z i 器件特性影响较大。 a 沟道长度l 对器件特性的影响 按照准恒压q c v 理论进行等比例缩小吲，比较t o 3 5 岬和0 1 5 t t m s o lm o s f e t 随沟 道长度l 的变化。沟道长度哟小，表面沟道下的耗尽层与源、漏区的耗尽层有一部分相 互重叠，因此产生沟道所需的电压，即阈值电压v t 降低，见图2 _ - 5 ；沟道长度【缩小，漏 与源的耗尽区相互靠近，漏极发出的电力线更容易穿越到源极，使源端势垒降低，从源端 注入到沟道的电子数增加，从而漏源电流l h 增加，见图2 _ 6 。 3 e 一5 ： i2 e 一5 o l ；：剖 ，： 专- | 专 j ： y 毋j 多一 ： ? 母栏 。，艺f ；i o1 5 圈2 _ _ 5 不同沟道长度下卜v 笋曲线 矸g 2 sl d s - v g sc u f v ea td i f f e r e n tc h a n n e ll e n g t h 第二章器件结构与器件模型 图2 - 吖不同沟道长度下i d r v d s 特性曲线 f i g 2 6i d s - v d sc u r v ca td i f f e r e n tc h a n n e ll e n g t h b 栅氧厚度t o 。对器件特性的影响 选取栅氧厚度t o x 分别为5 n m 、7 5 n m 和1 0 l l m 的0 1 5 t t m s o lm o s f e t 结构，分析了栅氧 厚度1 k 对器件特性的影响。栅氧厚度t o 。越小，栅电容越大，栅极电压对半导体表面的作 用也就越强，则阈值电压v t 降低，漏源电流i d 5 随之增加，分别见图2 - - 7 和图2 8 。 f 6v ! 图z 7 不同栅氧厚度下的i d p v g s 曲线 f i g 2 7i d s - v g sc u i w ea td i f f e r e n tg a t eo x i d et h i c k n e s s 西安理工大学硕士学位论文 园 圈2 一s 不同栅氧厚度下的m j v d s 曲线 f i g 2 8i d s - v d sa d i v ca td i f f e r e n tg a t eo x i d et h i c k n e s s c 顶层硅膜掺杂浓度n a 对器件特性的影响 选取顶层硅膜掺杂浓度n a 分别8 e 1 7 c m - 3 ，9 e 1 7c m 3 和l e l 8c m - 3 的0 1 5 u m l 勺s o i m o s f e t 结构，分析了顶层硅膜掺杂浓度n 尉器件特性的影响。顶层硅膜掺杂浓度n a 增 大，半导体表面耗尽层厚度减薄，即耗尽层中的空间电荷密度增加，从而阙值电压v 1 增 大，漏源电流i d 5 降低，见图2 _ - 9 和图2 一1 0 。 l 一v t 乃 o 。，i z z 棼“ t 簟 强髟岔 tt ，t ! 。 l ；4 + 彤搿一 彩 i 以： t 毒善一 ；励 ； 穰 ! l ；歹汐 z 经 ，“v 图2 _ 毋不同n a 下的弛p - v 琴曲线 f i g 2 9i d s - v g sc u x v ca td i f f e r e n tn a 第二幸器件结构与器件模型 ：! ! j ： j r | b 糍： 厂j 多一! 。：矽蹈叠o 西一： i ：0 ；ij ! i 一谚方并董 ? 二桴jii ! ii ii i ! 一澎j ：；j ! ；j ；! 强专 ： 孝 “毒，；专；“一 l ；l ：ii ! 笋； 正 j ，!j ，；j 0 “5 1 1 5 图厶一1 0 不同n af 的i d - 、，d s 曲线 f i g 2 1 0l d s - v d sc u r v ea td i f f e r e n tn a 器件特征尺寸越小，电流不饱和现象越严重，所以顶层硅膜掺杂浓度n a 不能太低； 但是顶层硅膜掺杂浓度n 旗高，半导体表面的耗尽层厚度减薄，使得表面电容器c d 增加， 从而s 值增大，影响器件在亚阈区的快速开关性能。因此，在进行器件设计时应综合考虑 各个因素。 2 3 物理模型选取 本文运用器件模拟软件i s et c a d 进行编程模拟过程中，参照小尺寸体硅m o s f e t 物理模型，选取了复合模型为s r h ( s h o c k l e y r e a d h a l lr e c o m b i n a t i o n ) 、a u g e r 和a v a l a n c h e 模型，考虑到了掺杂浓度、高电场饱和以及p h u m o b ( p h i l i p su n i f i e dm o b i l i t ym o d e l ) 对 迁移率的影响；并且根据s o lm s o f e t 固有的物理特性，加入了流体力学( h y d r o d y n a m i