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1、學(xué)生實驗報告院別課程名稱器件仿真與工藝綜合設(shè)計實驗班級實驗三MOSFET工藝器件仿真姓名實驗時間學(xué)號指導(dǎo)教師成績批改時間報告內(nèi)容、實驗?zāi)康暮腿蝿?wù)理解半導(dǎo)體器件仿真的原理,掌握SilvacoTCAD工具器件結(jié)構(gòu)描述流程及特性仿真流程;理解器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)變化對主要電學(xué)特性的影響。二、實驗原理1.MOSEET基本工作原理(以增強型NMOSFET為例):以N溝道MOSEET為例,如圖1所示,是MOSFET基木結(jié)構(gòu)圖。在P型半導(dǎo)體襯底上制作兩個N+區(qū),其中一個作為源區(qū),另一個作為漏區(qū)。源、漏區(qū)之間存在著溝道區(qū),該橫向距離就是溝道長度。在溝道區(qū)的表面上作為介質(zhì)的絕緣柵是由熱氧化匸藝生長的二氧化硅層
2、。在源區(qū)、漏區(qū)和絕緣柵上的電極是由一層鋁淀積,用于引出電極,引出的三個電極分別為源極S、漏極D和柵極G。并且從MOSEET襯底上引出一個電極B極。加在四個電極上的電壓分別為源極電壓Vs、漏極電壓Vd、柵極電壓Vg和襯底偏壓Vb。圖1MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖MOSFET在工作時的狀態(tài)如圖2所示。VsVd和Vb的極性和大小應(yīng)確保源區(qū)與襯底之間的PN結(jié)及漏區(qū)與襯底之間的PN結(jié)處與反偏位置??梢园言礃O與襯底連接在一起,并且接地,即Vs=0,電位參考點為源極,則Vg、Vd可以分別寫為(柵源電壓)Vgs、(漏源電壓)Vds。從MOSFET的漏極流入的電流稱為漏極電流id。在N溝道MOSFET中,當(dāng)柵極電壓為
3、零時,N+源區(qū)和N+漏區(qū)被兩個背靠背的二極管所隔離。這時如果在漏極與源極之間加上電壓Vds,只會產(chǎn)生PN結(jié)反向電流且電流極其微弱,其余電流均為零。(2)當(dāng)柵極電壓Vgs不為零時,柵極下面會產(chǎn)生一個指向半導(dǎo)體體內(nèi)的電場。(3)當(dāng)Vgs增大到等于閾值電壓Vt的值時,在半導(dǎo)體內(nèi)的電場作用下,柵極下的P型半導(dǎo)體表面開始發(fā)生強反型,因此形成連通N+源區(qū)和N+漏區(qū)的N型溝道,如圖2所示。(4)由于大量的可動電子存在于溝道內(nèi),當(dāng)在漏、源極之間加上漏源電壓Vgs后,會產(chǎn)牛漏極電流Id。(5)在VDs定的條件下,當(dāng)VgsVt時,漏集電流Id0。當(dāng)Vgs增大時,N型溝道內(nèi)的可動電子數(shù)的量就越多,Id越大。反之,當(dāng)
4、Vgs減小時,N型溝道內(nèi)的可動電子數(shù)將減少,Id也隨之減小。在漏源電壓VDS恒定不變時,漏極電流ID隨柵源電壓VGS的變化而變化的規(guī)律,稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。因此MOSFET的基本工作原理,是通過改變柵源電壓Vgs來控制溝道的導(dǎo)電能力,進(jìn)而控制漏極電流1所以,根據(jù)其工作原理,MOSFET是一種電壓控制型器件。2.MOSFET轉(zhuǎn)移特性Vds恒定時棚源電壓Vgs和漏源電流Ids的關(guān)系曲線即是MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。對于增強型NMOSFET,在一定的Vds下,Vgs=0時,Ids=0;只有VgsVt時才有Ids0。圖3為增強型NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線。熱3用社LNMOSFET的R嘩時性曲戈
5、圖中轉(zhuǎn)折點位置處的VGS(th)值為聞值電壓。3.M0SFET的輸出特性MOSFET輸出特性是當(dāng)VgsVt且恒定不變時漏極電流Id隨漏源電壓Vds變化而變化的規(guī)律。當(dāng)VDS0且較小時,電勢在整個溝道長度內(nèi)近似為零,柵極與溝道電勢差處處相等,所以溝道中各點的自由電子濃度近似相等,如圖4(a)所示,此時溝道就等價于一個電阻值不隨VDs變化的固定電阻,因此Id與Vds成線性關(guān)系,如圖5的0A段直線顯示的區(qū)域為線性區(qū)。當(dāng)Vds逐漸增大時,溝道電流逐漸增大,溝道電勢也逐漸增大。溝道中電子濃度將隨電勢差減小而減小,所以溝道厚度逐漸減薄。因此,溝道電阻將隨著溝道內(nèi)電子濃度減少和溝道減薄而增大。即當(dāng)Vds較大
6、時,溝道電阻增大,導(dǎo)致Id的增加速率變慢,如圖5中AB段所示。當(dāng)Vds=Vdw時,在漏極處溝道厚度減薄到零,該處只剩下耗盡層,溝道被夾斷,如圖4(b)所示。圖5中的點B代表溝道開始夾斷的工作狀態(tài),該區(qū)域為過渡區(qū)。當(dāng)VDSVds0時,溝道夾斷點向源極方向移動,因此耗盡區(qū)存在于溝道與漏極間,如圖4(c)所示。當(dāng)溝道的電子到達(dá)溝道端頭耗盡區(qū)的邊界時,將立刻被耗盡區(qū)內(nèi)強大的電場掃入漏區(qū)。但是由于電子的漂移速度在耗盡區(qū)中達(dá)到飽和,不隨電場的增大而變化,因此Id也達(dá)到飽和不再隨Vds的增大而增大,如圖4中BC段所示,該區(qū)域為飽和區(qū)。當(dāng)Vds=BVds時,反向偏置的漏PN結(jié)發(fā)牛雪崩擊穿,或源漏穿通,導(dǎo)致Id
7、迅速上升。如圖5中CD段所示,該區(qū)為擊穿區(qū)。I5JNIv(BVTv|hvl)bKV(3VtVib很小(b)o4影響閾值電壓的因素:可以證明,對于NMOSFET的閾值電壓VT表達(dá)式為:單其中,Cox為柵電容,.為費米勢,為接觸電勢差,QOX為氧化層電荷密度。由公式可知,影響閾值電壓的主要由柵電容Cox、襯底雜質(zhì)濃度、氧化層電荷密度Qox等因素決定。由可知,氧化層厚度tox越薄,則Cox越大,使閾值電壓VT降低。費米勢:,當(dāng)P區(qū)摻朵濃度NA變大,則費米勢增大,閾值電壓Vt增大。氧化層電荷密度Qox增大,則VT減小。實驗內(nèi)容1、根據(jù)M0SFET工藝流程,運用Athene工藝仿真軟件設(shè)計器件,設(shè)計目標(biāo)
8、參數(shù);2、采用ALTAS器件仿真工具對NMOS器件電學(xué)特性仿真;3、改變器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù),分析其對NM0S器件主要電學(xué)特性的影響。四、實驗結(jié)果(一)器件設(shè)計1、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖所示,設(shè)置一個以P型為襯底,濃度為1e14,并制作兩個n+區(qū)作為源區(qū),漏區(qū)的N溝道MOS管,長度為1.2um,高度為0.8um,在溝道區(qū)的表面作為介質(zhì)的絕緣柵由熱氧化工藝生長的二氧化硅層,在源區(qū),漏區(qū)和絕緣柵的電極由一層鋁淀積,引出電極,為S極,G極和D極。Gate圖一器件結(jié)構(gòu)2、代碼翻譯、單步仿真、畫結(jié)構(gòu)圖#(c)SilvacoInc,2013goathena#定義X方向網(wǎng)格linexloc=00spac=0.1
9、linexloc=02spac=0.006linexloc=0.4spac=0.006linexloc=0.6spac=0.01#定義Y方向網(wǎng)格lineyloc=00spac=0.002lineyloc=02spac=0.005lineyloc=0.5spac=0.05lineyloc=08spac=0.15ATHENAHictctfiaKEPUDHXO.EO.T#網(wǎng)格初始化,晶向100硅襯底,磷摻雜濃度為1e14,網(wǎng)格間隔2,二維仿真initorientation=100c.phos=1e14space.mul=2two.d#pwellformationincludingmaskingoff
10、ofthenwell#在1000度和一個大氣壓條件下進(jìn)行30分鐘干氧擴(kuò)散,氯酸氣體含量為3%。diffustime=30temp=1000dryo2press=1.00hcl=3alCjun-CfTiniHlrridPEl-ciTATBO-1ADataJroramaslesOl0acr#刻蝕掉厚度為0.02um的氧化物薄膜etchoxidethick=0.02閉EMMHUS畫創(chuàng)加口1.3jUKJzzeicjIhJ#P-wellImplant#對表面進(jìn)行B離子注入,離子劑量為8e12,能量為100KeVimplantborondose=8e12energy=100pearsATHENAD日亡日f
11、rcim:mD31=kO1Qatr-z#對表面進(jìn)行濕氧處理,溫度為950度,時間為100分鐘diffustemp=950time=100weto2hcl=3i-i口ftTELEETADat=.fromnoslaxOl0.strDi1nUEbTM-D.1Me-tDoping(7Nara!-0J.-DQiF-JQ2.All#N-wellimplantnotshown一#在進(jìn)行干氧處理,溫度在50分鐘內(nèi)從1000度升高1200度,大氣壓為0.1個#welldrivestartsherediffustime=50temp=1000t.rate=4.000dryo2press=0.10hcl=3a=sA
12、THZNAPatafEcnsXe#在1200溫度下的氮氣進(jìn)行220分鐘的擴(kuò)散后退火diffustime=220temp=1200nitropress=1JfiUmiJlT豈陰hDatatrccin&31es01_OastrEactio口1fromhjcs1-031_0jstrO.Z-0.2)to10.2J0.B)IBPhDspliopjs(/cn.3)I/cm31#在90分鐘內(nèi)從1200度降到800度diffustime=90temp=1200t.rate=-4.444nitropress=1#蝕刻全部氧化物etchoxideallJlTGIEWADatafroainoslesdl0str0.
13、2D_30eD.C-0.JHiCEOBSMaterialsI#在1000度和一個大氣壓條件下進(jìn)行20分鐘干氧擴(kuò)散,氯酸氣體含量為3%#sacrificialcleaningoxidediffustime=20temp=1000dryo2press=1hcl=3jg|_口|BE3|DarafretiHLQSleK.010.arcu匚乂口一3Jlllccai310Hicrona到加FTZlRrW.DMSiactim1frommckslc囂燈1D.str#蝕刻全部氧化物etchoxideall弓口口tjLan&et口mmajlaxOlcr#在925度和一個大氣壓條件下進(jìn)行11分鐘
14、干氧擴(kuò)散,氯酸氣體含量為3%#gateoxidegrownhere:-diffustime=11temp=925dryo2press=1.00hcl=3ATHENRDa匚art-DdiHKjslexOl.stiEQnt-?:j.al3aidsOiSSection1fronmwlaKOl0.atr#提取參數(shù)(gateox柵氧化層厚度)#Extractadesignparameterextractname=gateoxthicknessoxidemat.occno=1x.val=0.05#注入B離子的濃度為9.5e11,能量為100KeV(改變閾值電壓)#vtadjustimplantimplan
15、tborondose=9.5e11energy=10pearsonA7GENADatafrommosleicOl0strSect:ici!i1frcrainaalexllD-stzr(0.2-0.2to(0.2.O.firEEU-3:Mate-ri-alsEilicsa3102D.7D.BJiicroxis#用division參數(shù)設(shè)置淀積厚度為0.2um的多晶硅depopolythick=0.2divi=10S口IranIQjriiD.1Datafrommo31ex01_0百tEATHEHADatafromDKialexOL_0呂r=PUUHXD.5MicransQ.B0*D_1D-ZD_1D
16、MD_E-0-10.10.4Bicrc口!s#fromnowonthesituationis2-D#蝕掉左邊不要的多晶硅,長度為0.35um,高為0.2umetchpolyleftp1.x=0.35ATWENJL#method語句用以分別調(diào)用fermi擴(kuò)散模型和compress氧化模型methodfermicompressdiffusetime=3temp=900weto2press=1.0AtEMADatdfrommu31ex01_0.str0.10.2|0.7O.S-00.10.2MaterialsHsilicon5102PolysiLiom0.4D.5Hlzrans#表
17、面進(jìn)行磷注入,濃度為3.0e13,能量為20kevimplantphosphordose=3.0e13energy=20pearsondepooxidethick=0.120divisions=8ATHENA.BatatrcancslaR.Ol_0$tTBS2.llC.tlE.xD2Falys-iliccnj6|7*juliam#1JimATJ3EMADatafrommoslexoiQacrG.aMierDns0.5a.4yturlQbTHSilicon3102FolysilicDii#干蝕法蝕掉厚度為0.12um的氧化層薄膜etchoxidedrythick=0.120馬Iila卜e衛(wèi)沖AT
18、洗NADatafromjtd3lczO1_QjstrKat-sxial?SillcoaS1O2Folyslliccii0.3Hi匚raas#AS離子注入,濃度為5.0e15,離子能量為50KeVimplantarsenicdose=5.0e15energy=50pearsonAT3ENADatafirndiodeejgOSDstrArsenic(7gid3)0.BMtaria.lsSiD2|Pal滬i1icon0.7#在氮氣條件下900度進(jìn)行一分鐘擴(kuò)散methodfermicompressdiffusetime=1temp=900nitropress=1.0Seti-oii1frow.dioD
19、31-sK010strEarexldls:Silicon5102FlysllicGnnlmunijnaElectrchdesstructureoutfile=mos1ex01_0.str#plotthestructuretonyplotmoslexOl0.str-setmoslexOl0.setextractname=ntheta(max(abs(v.drain)*$nbeta)/max(abs(idrain)一(1.0/(max(abs(v.gate)一($nvt)quit(二)對比分析(1)改變襯底摻雜濃度implantborondose=8e12energy=100pears表3-1改變
20、襯底摻雜濃度的實驗結(jié)果圖濃度9e10轉(zhuǎn)移特性曲線器件剖面圖雜質(zhì)濃度分布圖9e129e133tgssms丸kiq爼.I*IftMlnAL.IjKi帕F骨II表3-2改變襯底摻雜濃度的實驗數(shù)據(jù)摻雜濃度閾值電壓(v)長溝道閾值電壓(V)方塊電阻(Q)柵氧化層濃度(um)9el00.2168530.35358628.6833100.4339el20.5536180.63142628.8934100.1819e131.3539701.28010028.4957100.329分析:由上圖可知,其他條件不變,在一定的范圍內(nèi),隨著摻雜濃度的增加,器件的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,施主受主雜質(zhì)分布也發(fā)生變化,柵氧化層厚度變大,閾值電壓值也隨著變大,從轉(zhuǎn)移特性曲線可以看出長溝道閾值電壓也隨著濃度的升高而升高,方塊電阻也會變大。(2)改變退火的時間methodfermicompressdiffusetime=3temp=900weto2press=1.0表3-3改變退火時間的實驗結(jié)果圖時間轉(zhuǎn)移特性曲線器件剖面
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