实验报告4MOSFET工艺器件仿真.docx
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实验报告4MOSFET工艺器件仿真
学生实验报告
院别
课程名称
器件仿真与工艺综合设计实验
班级
实验三
MOSFE工T艺器件仿真
姓名
实验时间
学号
指导教师
成绩
批改时间
报告内容
实验目的和任务
1.理解半导体器件仿真的原理,掌握SilvacoTCAD工具器件结构描述流程及特性仿真流程;
2.理解器件结构参数和工艺参数变化对主要电学特性的影响。
二、实验原理
1.MOSEET基本工作原理(以增强型NMOSFET为例):
以N沟道MOSEET为例,如图1所示,是MOSFET基木结构图。
在P型半导体衬底上制作两个N+
区,其中一个作为源区,另一个作为漏区。
源、漏区之间存在着沟道区,该横向距离就是沟道长度。
在沟道
区的表面上作为介质的绝缘栅是由热氧化匸艺生长的二氧化硅层。
在源区、漏区和绝缘栅上的电极是由一层
铝淀积,用于引出电极,引出的三个电极分别为源极S、漏极D和栅极G。
并且从MOSEET衬底上引出一个电极B极。
加在四个电极上的电压分别为源极电压Vs、漏极电压VD、栅极电压VG和衬底偏压VB
图1MOSFET结构示意图
MOSFET在工作时的状态如图2所示。
VsVD和VB的极性和大小应确保源区与衬底之间的PN结及漏区与衬底之间的PN结处与反偏位置。
可以把源极与衬底连接在一起,并且接地,即Vs=0,电位参考点为源极,则VG、VD可以分别写为(栅源电压)VGS、(漏源电压)VDS。
从MOSFET的漏极流入的电流称为漏极电流ID
(1)在N沟道MOSFET中,当栅极电压为零时,N+源区和N+漏区被两个背靠背的二极管所隔离。
这时如果在漏极与源极之间加上电压VDS,只会产生PN结反向电流且电流极其微弱,其余电流均为零。
(2)当栅极电压VGS不为零时,栅极下面会产生一个指向半导体体内的电场。
(3)当VGS增大到等于阈值电压VT的值时,在半导体内的电场作用下,栅极下的P型半导体表面开始发生
强反型,因此形成连通N+源区和N+漏区的N型沟道,如图2所示。
(4)由于大量的可动电子存在于沟道内,当在漏、源极之间加上漏源电压VGS后,会产牛漏极电流ID。
(5)在VDs—定的条件下,当VGS 当VGS>VT时,漏集电流ID>0。 当VGS增大时,N型沟道内的可动电子数的量就越多,ID越大。 反之,当VGS减小时,N型沟道内的可动电子数将减少,ID也随 之减小。 在漏源电压VDS恒定不变时,漏极电流ID随栅源电压VGS的变化而变化的规律,称为MOSFET的转移特性。 因此MOSFET的基本工作原理,是通过改变柵源电压VGS来控制沟道的导电能力,进而控制漏极电流ID。 所以,根据其工作原理,MOSFET是一种电压控制型器件。 2.MOSFET转移特性 VDS恒定时,棚源电压VGS和漏源电流IDS的关系曲线即是MOSFET的转移特性。 对于增强型NMOSFET,在一定的VDS下,VGS=0时,IDS=0;只有VGS>VT时才有IDS>0。 图3为增强型NMOSFET的转移特性曲线。 图中转折点位置处的VGS(th)值为闻值电压。 3.MOSFET的输出特性 MOSFET输出特性是当VGS>VT且恒定不变时,漏极电流ID随漏源电压VDS变化而变化的规律。 (1)当VDS>0且较小时,电势在整个沟道长度内近似为零,柵极与沟道电势差处处相等,所以沟道中各点的自由电子浓度近似相等,如图4(a)所示,此时沟道就等价于一个电阻值不随VDs变化的固定电阻,因此ID与VDS成线性关系,如图5的0A段直线显示的区域为线性区。 (2)当VDS逐渐增大时,沟道电流逐渐增大,沟道电势也逐渐增大。 沟道中电子浓度将随电势差减小而减小, 所以沟道厚度逐渐减薄。 因此,沟道电阻将随着沟道内电子浓度减少和沟道减薄而增大。 即当 VDS较大时, 沟道电阻增大,导致ID的增加速率变慢,如图5中AB段所示。 (3)当VDS=VDW时,在漏极处沟道厚度减薄到零,该处只剩下耗尽层,沟道被夹断,如图 4(b)所示。 图5 中的点B代表沟道开始夹断的工作状态,该区域为过渡区。 (4)当VDS>VDSal时,沟道夹断点向源极方向移动,因此耗尽区存在于沟道与漏极间,如图 4(c)所示。 当沟 道的电子到达沟道端头耗尽区的边界时,将立刻被耗尽区内强大的电场扫入漏区。 但是由于电子的漂移速度 在耗尽区中达到饱和,不随电场的增大而变化,因此ID也达到饱和不再随VDS的增大而增大,如图4中BC 段所示,该区域为饱和区。 (5)当VDS=BVDS时,反向偏置的漏PN结发牛雪崩击穿,或源漏穿通,导致ID迅速上升。 如图5中CD 段所示,该区为击穿区。 4.影响阈值电压的因素 其中,Cox为栅电容,为费米势,为接触电势差,QOX为氧化层电荷密度。 由公式⑤可知,影响阈值电压的主要由栅电容Cox、衬底杂质浓度、氧化层电荷密度Qox等因素决定。 由可知,氧化层厚度tox越薄,则Cox越大,使阈值电压VT降低。 费米势: ,,当P区掺朵浓度NA变大,则费米势增大,阈值电压VT增大。 氧化层电荷密度Qox增大,则VT减小。 实验内容 1、根据MOSFET工艺流程,运用Athene工艺仿真软件设计器件,设计目标参数; 2、采用ALTAS器件仿真工具对NMOS器件电学特性仿真; 3、改变器件结构参数和工艺参数,分析其对NMOS器件主要电学特性的影响。 四、实验结果 (一)器件设计 1、器件结构设计 MOS管, 在 如图所示,设置一个以P型为衬底,浓度为1e14,并制作两个n+区作为源区,漏区的N沟道长度为1.2um,高度为0.8um,在沟道区的表面作为介质的绝缘栅由热氧化工艺生长的二氧化硅层,源区,漏区和绝缘栅的电极由一层铝淀积,引出电极,为S极,G极和D极。 图一器件结构 2、代码翻译、单步仿真、画结构图 #(c)SilvacoInc.,2013goathena #定义X方向网格linexloc=0.0spac=0.1linexloc=0.2spac=0.006linexloc=0.4spac=0.006linexloc=0.6spac=0.01#定义Y方向网格lineyloc=0.0spac=0.002lineyloc=0.2spac=0.005lineyloc=0.5spac=0.05lineyloc=0.8spac=0.15 #网格初始化,晶向100硅衬底,磷掺杂浓度为1e14,网格间隔2,二维仿真initorientation=100c.phos=1e14space.mul=2two.d # #pwellformationincludingmaskingoffofthenwell #在1000度和一个大气压条件下进行30分钟干氧扩散,氯酸气体含量为3%。 diffustime=30temp=1000dryo2press=1.00hcl=3 #刻蚀掉厚度为0.02um的氧化物薄膜etchoxidethick=0.02 # #P-wellImplant #对表面进行B离子注入,离子剂量为8e12,能量为100KeV implantborondose=8e12energy=100pears #对表面进行湿氧处理,温度为950度,时间为100分钟diffustemp=950time=100weto2hcl=3 # #N-wellimplantnotshown- #在进行干氧处理,温度在50分钟内从1000度升高1200度,大气压为0.1个 #welldrivestartshere diffustime=50temp=1000t.rate=4.000dryo2press=0.10hcl=3 #在1200温度下的氮气进行220分钟的扩散后退火diffustime=220temp=1200nitropress=1 #在90分钟内从1200度降到800度 diffustime=90temp=1200t.rate=-4.444nitropress=1 #蚀刻全部氧化物etchoxideall #在1000度和一个大气压条件下进行20分钟干氧扩散,氯酸气体含量为3%#sacrificial"cleaning"oxide diffustime=20temp=1000dryo2press=1hcl=3 #蚀刻全部氧化物etchoxideall #在925度和一个大气压条件下进行11分钟干氧扩散,氯酸气体含量为3%#gateoxidegrownhere: - diffustime=11temp=925dryo2press=1.00hcl=3 #提取参数(gateox栅氧化层厚度) #Extractadesignparameter extractname="gateox"thicknessoxidemat.occno=1x.val=0.05 #注入B离子的浓度为9.5e11,能量为100KeV(改变阈值电压)#vtadjustimplant implantborondose=9.5e11energy=10pearson #用division参数设置淀积厚度为0.2um的多晶硅depopolythick=0.2divi=10 # #fromnowonthesituationis2-D #蚀掉左边不要的多晶硅,长度为0.35um,高为0.2umetchpolyleftp1.x=0.35 #method语句用以分别调用fermi扩散模型和compress氧化模型methodfermicompress diffusetime=3temp=900weto2press=1.0 #表面进行磷注入,浓度为3.0e13,能量为20kevimplantphosphordose=3.0e13energy=20pearson # depooxidethick=0.120divisions=8 #干蚀法蚀掉厚度为0.12um的氧化层薄膜etchoxidedrythick=0.120 #AS离子注入,浓度为5.0e15,离子能量为50KeVimplantarsenicdose=5.0e15energy=50pearson #在氮气条件下900度进行一分钟扩散methodfermicompress diffusetime=1temp=900nitropress=1.0 #刻蚀左边的氧化物,长度为 0.2um #patterns/dcontactmetal etchoxideleftp1.x=0.2 depositaluminthick=0.03divi=2etchaluminrightp1.x=0.18 #Extractdesignparameters #提取参数 #提取参数结深nxj #extractfinalS/DXj extractname="nxj"xjsiliconmat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1 #提取方块电阻 #extracttheN++regionssheetresistance extractname="n++sheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0.05region.occno=1 #extractthesheetrhounderthespacer,oftheLDDregion extractname="lddsheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"\mat.occno=1x.val=0.3region.occno=1 #extractthesurfaceconcunderthechannel. extractname="chansurfconc"surf.concimpurity="NetDoping"\material="Silicon"mat.occno=1x.val=0.45 #extractacurveofconductanceversusbias.extractstartmaterial="Polysilicon"mat.occno=1\ bias=0.0bias.step=0.2bias.stop=2x.val=0.45 extractdonename="sheetcondvbias"\ curve(bias,1dn.conductmaterial="Silicon"mat.occno=1region.occno=1)\outfile="extract.dat" #提取长沟道阈值电压 #extractthelongchanVt extractname="n1dvt"1dvtntypevb=0.0qss=1e10x.val=0.49#镜像语句,器件左右对称 structuremirrorright structureoutfile=mos1ex01_0.str #plotthestructure tonyplotmos1ex010.str-setmos1ex010.set #############VtTest: ReturnsVt,BetaandTheta################goatlas #设置模型 #setmaterialmodelsmodelscvtsrhprint#设置接触类型contactname=gaten.polyinterfaceqf=3e10#牛顿算法 methodnewtonsolveinit #求解初始化 #Biasthedrain solvevdrain=0.1 #对漏极曲线追踪 #Rampthegate logoutf=mos1ex01_1.logmaster solvevgate=0vstep=0.25vfinal=3.0name=gate saveoutf=mos1ex01_1.str 保存输出文件绘画出文件 #plotresults tonyplotmos1ex01_1.log-setmos1ex01_1_log.set #提取阈值电压参数 #extractdeviceparameters extractname="nvt"(xintercept(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain"))))\ -abs(ave(v."drain"))/2.0) extractname="nbeta"slope(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain"))))\ *(1.0/abs(ave(v."drain"))) extractname="ntheta"((max(abs(v."drain"))*$"nbeta")/max(abs(i."drain")))\ -(1.0/(max(abs(v."gate"))-($"nvt")))quit (二)对比分析 (1)改变衬底掺杂浓度 implantborondose=8e12energy=100pears 表3-1改变衬底掺杂浓度的实验结果图 表3-2改变衬底掺杂浓度的实验数据 掺杂浓度 阈值电压(V) 长沟道阈值电压 (V) 方块电阻(Ω) 栅氧化层浓度 (μm) 9e10 0.216853 0.353586 28.6833 100.433 9e12 0.553618 0.631426 28.8934 100.181 9e13 1.353970 1.280100 28.4957 100.329 分析: 由上图可知,其他条件不变,在一定的范围内,随着掺杂浓度的增加,器件的结构发生变化,施 主受主杂质分布也发生变化,栅氧化层厚度变大,阈值电压值也随着变大,从转移特性曲线可以看出长沟道阈值电压也随着浓度的升高而升高,方块电阻也会变大。 (2)改变退火的时间 methodfermicompress diffusetime=3temp=900weto2press=1.0 表3-3改变退火时间的实验结果图 表3-4改变退火时间的实验数据 时间 阈值电压(V) 长沟道阈值电压 (V) 方块电阻(Ω) 栅氧化层浓度 (μm) 1 0.502406 0.590885 29.8178 100.165 2 0.511077 0.601869 29.2412 100.165 3 0.534723 0.614873 28.8825 100.165 (3)改变调整阈值电压时离子注入的浓度implantborondose=9.5e11energy=10pearson表3-5改变衬底阈值电压的实验结果图 分析: 由图表可知,其他条件不变,改变工艺退火的时间,器件结构和杂质分布都会发生变化,栅氧化层厚度不变,阈值电压值随着退火的时间升高而升高,从转移特性曲线和表可知长沟道阈值电压值也随着升高,方块电阻变小然后变大。 表3-6改变衬底阈值电压的实验数据 浓度 阈值电压(V) 长沟道阈值电压 (V) 方块电阻(Ω) 栅氧化层浓度 (μm) 9.5e11 0.5347230 0.6148730 28.8825 100.165 10e11 0.549037 0.629251 28.8828 100.165 9.5e12 2.16324 1.86911 28.9261 100.165 分析: 由图表可知,其他条件不变,改变调整阈值电压时离子注入的浓度,随着注入离子的浓度升高, 栅氧化层厚度不变,阈值电压值也增加,从特性转移曲线看到长沟道阈值电压值也随着注入离子浓度的 升高而升高。
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