Министерство образования и науки РФ

НГТУ

Кафедра ППиМЭ

Лабораторная работа №3

« Сквозное моделирование электрофизических характеристик кремниевых полупроводниковых структур в TCAD Sentaurus »

Факультет: РЭФ

Группа: РМС7-81

Преподаватель: Чебанов М.А.

Студент: Малюгин П.С.

Группа: 1

Новосибирск, 2011г.

Цель работы: освоение методик сквозного моделирования ВАХ и электрофизических параметров кремниевых полупроводниковых структур на основе последовательного использования вычислительных потоков, содержащих приложения SProcess и SDevice с последующим анализом данных в графических оболочках.

Часть AA

Командный файл SProcess:

graphics off #Выключаем графический режим

#Выбираем модель диффузии

pdbSet Silicon Dopant DiffModel Pair

#Стратегия создания сетки

#Параметры сетки для MGoals

mgoals on min.normal.size=1<nm> max.lateral.size=50<nm> normal.growth.ratio=1.1 accuracy=0.1<nm>

#Задаём сётку

line x location=0 spacing=0.1 tag=Top

line x location=2 spacing=0.1 tag=Bottom

line y location=0 spacing=0.1 tag=Left

line y location=2 spacing=0.1 tag=Middle

#Формируем подложку КДБ-20 c ориентацией <100>

region Silicon xlo=Top xhi=Bottom ylo=Left yhi=Middle

init field=Boron resistivity=20.0 wafer.orient=100

#Осаждаем на негативную маску из SiO2

mask name=Window segments= { 0 0.8 1.2 2 } negative

deposit Oxide thickness=0.2 mask=Window anisotropic

#Фосфорная имплантация

implant Phosphorus dose=@Dose@ energy=30

#Отжиг нейтральной среды

diffuse temperature=1100 time=@Time@

#Осаждаем алюминий

mask name=Metal segments= { 0 0.7 1.3 2 }

deposit Aluminum thickness=0.3 mask=Metal isotropic

#Определяем контакты Анод и Катод

contact bottom name=Anode

contact box xlo=-0.7 xhi=0.1 ylo=0.3 yhi=1.7 name=Cathode Aluminum

struct smesh=Diode_1-@node@ //сохраняем структуру

#Сохраняем профиль

SetPlxList { Boron }

WritePlx Boron_@node@ y=1

SetPlxList { Phosphorus }

WritePlx Phosphorus_@node@ y=1

SetPlxList { NetActive }

WritePlx NetActive_@node@ y=1

SheetResistance y=1 #Находим поверхностной сопротивление

Exit

2D изображение p-n перехода в визуализаторе

Контакты. Данные взяты из командника

Команды задающие контакт

1. contact bottom name=Anode

Командой формирует контакт анода на нижней части подложки

2. contact box xlo=-0.7 xhi=0.1 ylo=0.3 yhi=1.7 name=Cathode Aluminum

Командой формируем контакт катода(алюминий). Параметр box задаёт область(координаты задаём xlo,xhi,ylo,yhi) внутри которого будет наш контакт

Командный файл для SSE

#Очищаем базу

(sde:clear)

#Определяем параметры

(define BND "Diode_1-@previous@_bnd.tdr")

(define DOP "Diode_1-@previous@_fps.tdr")

#Считываем данные о границах сред

(sdeio:read-tdr-bnd BND)

#Считываем данные о легировании

(sdedr:define-refinement-window "DopWin" "Rectangle" (position 0.0 0.0 0.0) (position 2.0 2.0 0.0))

(sdedr:define-submesh-placement "Process" "Doping" "DopWin" 0 "NoReplace" 0 0 0 "" "Z" 0)

(sdedr:define-submesh "Doping" DOP)

#Определяем сетку

(sdedr:define-refinement-size "GloGr" 0.1 0.1 0.1 0.1)

(sdedr:define-refinement-placement "Placement_GloGr" "GloGr" "DopWin")

#Уточнение области

(sdedr:define-refinement-window "RefBox" "Rectangle" (position 0.5 0.0 0.0) (position 1.5 0.5 0.0))

(sdedr:define-refinement-size "RefBoxGr" 0.01 0.01 0.01 0.01)

(sdedr:define-refinement-placement "Placement_RefBox" "RefBoxGr" "RefBox")

#Сохраняем командный файл MESH

(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "n@node@_bnd.tdr")

(sdedr:write-cmd-file "n@node@_msh.cmd")

#Собираем сетку

(system:command "snmesh n@node@_msh")

Как меняется расчётная сетка при переходе от sProcess к sse

Командный файл для SDevice для прямой ветви ВАХ

#Определяем электроды

Electrode {

{ name= "Anode" voltage=0.0 } #Ua=0 V

{ name= "Cathode" voltage=0.0 } #Uc=0 V

}

File {

#Определяем входные файлы

Grid = "n@previous@_msh.tdr" #сетка

Doping = "n@previous@_msh.tdr" #данные о легирование

Param = "MatPar"

#Определяем выходные файлы

Plot = "@dat@"

Current = "@plot@"

}

#Определяем физическую модель

Physics {

EffectiveIntrinsicDensity (oldSlotboom)

Mobility (DopingDep HighFieldSaturation Enormal)

Recombination (SRH (DopingDep) Auger Avalanche (Eparallel))

}

#Раздел графики (Задаём какие графики будут в dat файле для Tecplot SV)

Plot {

TotalCurrent eCurrent hCurrent

ElectricField Potential SpaceCharge

eMobility hMobility eVelocity hVelocity

eQuasiFermi hQuasiFermi eDensity hDensity

Doping DonorConcentration AcceptorConcentration

SRH Auger AvalancheGeneration eAvalancheGeneration hAvalancheGeneration

}

#Раздел математики

Math {

Extrapolate

Derivatives

RelErrControl

Notdamped=50

Iterations=10

}

#Секция расчёта

Solve {

Coupled { Poisson Electron Hole }

#Снимаем зависимость при Ua=1V

QuasiStationary ( InitialStep=0.01 MaxStep=0.05 MinStep=1e-5 Goal { name="Anode" voltage=1.0 } )

{ Coupled { Poisson Electron Hole } }

}

Командный файл для SDevice для обратной ветви ВАХ

#Определяем электроды

Electrode {

{ name= "Anode" voltage=0.0 }

{ name= "Cathode" voltage=0.0 }

}

File {

#Определяем входные файлы

Grid = "@tdr@"

Doping = "@tdr@"

param = "MatPar"

#Определяем выходные файлы

Plot = "@dat@"

Current = "@plot@"

}

#Определяем модель физических процессов

Physics {

EffectiveIntrinsicDensity (oldSlotboom)

Mobility (DopingDep HighFieldSaturation Enormal)

Recombination (SRH (DopingDep) Auger Avalanche (Eparallel))

}

#Раздел графики (Задаём какие графики будут в dat файле для Tecplot SV)

Plot {

TotalCurrent eCurrent hCurrent

ElectricField Potential SpaceCharge

eMobility hMobility eVelocity hVelocity

eQuasiFermi hQuasiFermi eDensity hDensity

Doping DonorConcentration AcceptorConcentration

SRH Auger AvalancheGeneration eAvalancheGeneration hAvalancheGeneration

}

#Секция математики

Math {

Extrapolate

Derivatives

RelErrControl

Notdamped=50

Iterations=10

}

#Секция расчёта

Solve {

Coupled { Poisson Electron Hole }

Quasistationary ( InitialStep=0.01 MaxStep=0.05 MinStep=1e-5 Goal { Name="Anode" voltage=-100 } )

{ Coupled { Poisson Electron Hole } }

}

Модели физических процессов

Значение	Описание
EffectiveIntrinsicDensity (oldSlotboom)	Задаём модель oldSlotboom для расчёта ШЗЗ.
Mobility (DopingDep HighFieldSaturation Enormal)	Для расчёта подвижности задаём три модели: DopingDep - задаём модель ухудшение подвижности из-за рассеивание на примесях (без параметра к команде использует материалозависимую модель) HighFieldSaturation – модель насыщение в сильном поле (без параметра использует модель Канали) Enormal – учитываем вклад поверхностной подвижности
Recombination (SRH (DopingDep) Auger Avalanche (Eparallel))	Для расчёта рекомбинации задаём 3 модели SRH (DopingDep) – модель ШРХ. Auger – оже-рекомбинация Avalanche (Eparallel) – ударная ионизация (Eparallel – задаём использование токо-паралельного электрического поля, как движущую силу)

Прямая ВАХ в Inspect

2D изображение потенциалов для прямой ВАХ

2D изображение плотности электронов и дырок для прямой ВАХ

2D изображение плотности общего тока для прямой ВАХ

2D изображения плотностей тока электронов и дырок для прямой ВАХ

2D изображение электростатического поля для прямой ВАХ

2D изображение различных темпов генерации и рекомбинации для прямой ВАХ

2D изображения подвижности электронов и дырок для прямой ВАХ

Обратная ВАХ в Inspect

Обратная ВАХ при различных дозах

График зависимости напряжение пробоя от дозы легирования

2D изображение темпа ударной ионизации (выделены места пробоя) для обратной ВАХ

Структура AB

График обратной ветви ВАХ для структуры AB

При увеличением расстояния между контактами Ua растёт напряжение пробоя

Длина, мкм	1	1,5	2
Напряжения пробоя, В	-33	-44,5	-54

График зависимости напряжение пробой от расстояния между контактами

ЧАСТЬ B

Командный файл SProcess

puts "Strain NMOSFET with tensile cap layer"

#Определяем пользовательскую сетку для старта (моделирования половины симметричной структуры), сохраняем линии

pdbSet Grid MGoals UseLines 1

#Определяем области моделирования

line x loc= 0.0 tag=SiTop spacing=0.05

line x loc=10.0 tag=SiBottom spacing=2.0

line y loc=0.0 tag=Mid spac=0.05

line y loc=@<Lg*0.001/2 + 0.3>@ tag=Right spac=0.05

#КЭФ подложка в ориентации <100>

region silicon xlo=SiTop xhi=SiBottom ylo=Mid yhi=Right

init concentration=5.00e+14 field=Phosphorus wafer.orient=100

#Устанавливаем параметры

set Lg @<Lg*0.001>@

set f 1

set Tox 0.0012

set LspSD 0.045

set LspLD 0.005

set LSD 0.3

set ymax [expr $Lg/2.0+$LSD]

set WellDepth 1.0

set HaloDepth 0.03

set XjSD 0.15

set XjLD 0.03

set LD 0.02

source ./MOSLIB_refine.fps

#Покрываем плёнкой SiO2

deposit oxide thickness=0.02 anisotropic

#p-well, anti-punchthrough & Vt adjustment implants

implant Boron dose=2.00e13 energy=120 tilt=0 rotation=0

implant Boron dose=1.00e13 energy=50 tilt=0 rotation=0

implant Boron dose=1.00e13 energy=25 tilt=0 rotation=0

#p-well: RTA of channel implants

diffuse time=10.0<s> temp=1050

#Clean PAD oxide

etch oxide thickness=0.022 anisotropic

#Окисление затвора

deposit oxide thickness=0.0012 anisotropic

#Сохраняем профиль легирования бора

SetPlxList {Boron}

WritePlx n@node@_gox.plx y=0.0

#Осаждения поликремния на затвор

deposit PolySilicon thickness=0.14 anisotropic

mask name=gate_mask left=-1.0 right=@<Lg*0.001/2.0>@

etch poly anisotropic thickness=0.16 mask=gate_mask

etch oxide anisotropic thickness=0.1

#Наращивание слоя поликремния

gas_flow name=flow1 flowN2=0.99 flowO2=0.01 pressure=1.0

diffuse time=10.0<min> temp=900 gas_flow=flow1 info=1 init=1e-6

#Отражение перед HALO

transform reflect left

#n-LDD имплантация

implant Arsenic dose=8e14 energy=5 tilt=0 rotation=0 ifactor=0.1

#HALO имплантация

implant Boron dose=6.0e13 energy=10 tilt=30 rotation=0 mult.rot=4 ifactor=0.1

#Сохраняем профиль легирования HALO в канале и исток-сток

SetPlxList {Boron Arsenic}

WritePlx n@node@_halo_channel.plx x=0.005

WritePlx n@node@_halo_SD.plx y=@<Lg*0.001+0.25>@

#Обрезаем структуру

transform cut left loc = 0.0

#Сохраняем структуру

struct tdr=n@node@_halo

# RTA of LDD/HALO имплантация

diffuse time=1.0<s> temp=1000 info=1 init=1e-8

struct tdr=n@node@_rtpext

#Нитридный спейсер

deposit oxide isotropic thickness=0.01

deposit nitride isotropic thickness=0.025

deposit oxide isotropic thickness=0.01

etch oxide anisotropic thickness=0.05

etch oxide isotropic thickness=0.001

etch nitride anisotropic thickness=0.06

etch nitride isotropic thickness=0.001

etch oxide anisotropic thickness=0.008

#N+ имплантация

implant spec=Phosphorus damage

implant Phosphorus dose=1.5e15 energy=20 tilt=0 rotation=0 ifactor=0.1

#Сохраняем структуру

struct tdr=n@node@_sd

diffuse time=1.0<s> temp=1025 info=1 init=1e-8

#split <Strain>

etch oxide isotropic thickness=0.03

#if @<Strain == 1>@

#Если есть напряжение в CAP плёнки

doping name=Pressure field=Pressure depths= {0 0.075 } values= { -1.8E+9 -1.8E+9 }

deposit material= {Oxynitride} doping= {Pressure} type=isotropic rate=1.0 time=0.075 steps=20

#else

#Если есть нет напряжения в CAP плёнки

deposit material= {Oxynitride} type=isotropic rate=1.0 time=0.075

#endif

#Сохраняем профили

SetPlxList {Boron Arsenic Phosphorus Pressure}

WritePlx n@node@_channel.plx x=0.005

WritePlx n@node@_SD.plx y=@<Lg*0.001+0.25>@

#split <backend>

# clip device

transform clip min = { -100 -100 } max = { 0.8 100 }

#Сохраняем структуру MGOALS

mgoals accuracy=0.0002

struct tdr=n@node@_dmp #Сохраняем структуру границ

struct smesh=n@node@ #Сохраняем структуру для моделирования прибора

#Сохраняем профили

SetPlxList {NetActive BTotal BActive PTotal PActive AsTotal AsActive Boron Arsenic Phosphorus Pressure}

WritePlx n@node@_channel.plx x=0.001

WritePlx n@node@_SD_X.plx y=@<Lg*0.001+0.25>@

Exit

Расположение областей LDD, HALO и cap-плёнки

Профили распределения бора, мышьяка и фосфора в канале транзистора

Профили распределения бора, мышьяка и фосфора в области исток-сток

ВАХ для различных вариантов моделирования

ЧАСТЬ C

Описание	Скриншот
Заходим в приложение SSE через командую строку (набираем в ней sde).
Создаём кремниевую подложку
Создаём слой оксида
Создаём области окна под алюминиевый контакт катода
Определяем контакт катода в области окна, которого создали ранее и контакт анода в нижней части подложки
Удаляём область окна
Определяем профили легирования
Определяем шаг сетки для подложки
В созданной области уменьшаем шаг элемента
Строим сетку