专题:标准半导体工艺和器件
九层之台,起于累土。本专题将介绍Nuwa TCAD软件对标准半导体工艺和器件的仿真,分析结果及其物理正确性,为复杂器件的仿真打好基础

基本案例仿真 金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)

   MOSFET,即金属-氧化物-半导体场效应晶体管,是超大规模集成电路中最重要的器件。我们将展示 Nuwa TCAD工具对Si-SiO2系统MOSFET的仿真结果。

一、材料参数

1 基本参数

材料名称 硅(Si) 二氧化硅(SiO2 铝(Al)
禁带宽度/eV 1.166-4.73×10-4•T2/(T+636.0) N/A N/A
相对介电常数 11.9 3.9 N/A
亲和势/eV 4.05 1.0 4.3
电子有效质量/m0 0.3165+1.3628×10-4•T N/A N/A
空穴有效质量/m0 0.523+1.4×10^-3•T-1.48×10-6•T2 N/A N/A
电阻率/Ω·m N/A N/A 2.74×10-8

默认温度 T=300K

2 模型

1.Mobility Model Low Field:Analytic Low-Field Mobility Model

μ0=μ1(TL300)α+μ2(TL300)βμ1(TL300)α1+(NNcrit)δ(TL300)γ\mu_0 = \mu_1 \cdot(\frac{T_L}{300})^{\alpha}+\frac{\mu_2 \cdot (\frac{T_L}{300})^{\beta} - \mu_1\cdot(\frac{T_L}{300})^{\alpha}}{1 + (\frac{N}{N_{crit}})^{\delta} \cdot (\frac{T_L}{300})^{\gamma}}
symbol parameter name electron value Hole value units
μ1 mu1 0.005524 0.00497 m2/(V*s)
μ2 mu2 0.142923 0.047937 m2/(V*s)
α alpha 0.0 0.0 N/A
β beta -2.3 -2.2 N/A
γ gamma -3.8 -3.7 N/A
𝛿 delta 0.73 0.70 N/A
Ncrit Ncrit 1.072×1023 1.606×1023 m-3

High Field:Canali Model

μ=μ0(1+(μ0F/vs)β)1/β\mu=\frac{\mu_0}{\left(1+\left(\mu_0 F / v_s \right)^{\beta}\right)^{1 / \beta}} vs=α1+θexp(TLTnom)v_s = \frac{\alpha}{1+\theta \cdot exp\left( \frac{T_L}{T_{nom} } \right)} β=β0(TL300)βexp\beta = \beta_0 \cdot \left( \frac{T_L}{300} \right)^{\beta_{exp}}
symbol parameter name electron value Hole value units
β0 beta0 1.109 1.213 N/A
βexp betaexp 0.66 0.17 N/A
α alpha 2.4×105 2.4×105 m/s
θ theta 0.8 0.8 N/A
Tnom Tnom 600 600 K

2.Carrier Statistics:Fermi-Dirac distributions

3.Incomplete Ionization Model

二、结构建立

1 基底与工艺选择

   基底材料:硅(Si)

   工艺:
  步骤1 在基底上沉积一层二氧化硅(SiO2)
  步骤2 在二氧化硅(SiO2)上沉积一层铝(Al)
  步骤1 对硅(Si)的两侧源区和漏区进行n掺杂,掺杂浓度为1×1017cm-3
  步骤2 对硅(Si)其他部分进行p掺杂,掺杂浓度为1×1014cm-3

2 电极

   硅(Si)的两块n掺杂区域分别外接欧姆电极: 源极source、漏极drain
   铝(Al)设置inside欧姆电极:gate(栅极)

电极设置硅(Si)的掺杂设置

三、平衡态求解

   源极source、漏极drain、栅极gate电压均为0V

四、非平衡态求解

   转移特性扫描 源极source电压保持0V,漏极drain电压保持5V,栅极gate电压由-3V增加至5V    输出特性扫描 源极source电压保持0V,栅极gate电压分别保持2V、4V、6V、8V,漏极drain电压由0V增加至20V

五、仿真结果和物理正确性的分析

1 基本物理量分布

   平衡态下,载流子的浓度分布如下:

平衡态电子浓度分布平衡态空穴浓度分布

   栅极gate的电压控制了沟道中的载流子浓度。栅极电压为负时,沟道中多子为空穴,两侧n掺杂区域的多子为电子,因此晶体管不导通;栅极电压为正时,沟道出现反型层,多子为电子,和两侧n掺杂区域导通。下面是源极电压保持0V,漏极电压保持5V,栅极电压分别为-3V(不导通)和5V(导通)时电子的分布情况:

不导通时电子的分布导通时电子的分布

2 特性曲线

   转移特性 在源极电压保持0V,漏极电压保持5V,栅极电压由-3V增加至5V的过程中,栅极电压为负时沟道不导通,漏极电流非常小;当栅极电压增加至沟道出现反型时,晶体管导通,并且漏极电流随栅极电压增大而增大,ID-VG曲线如下:

   输出特性 源极电压保持0V,栅极电压分别保持2V、4V、6V、8V,此时沟道已经导通,而且栅极电压越大,沟道的导电能力越强。在漏极drain电压由0V增加至20V的过程中,漏极电流先快速增大,后趋于饱和,ID-VD曲线如下:

六、总结

   仿真结果符合MOSFET的物理特性:

  1.平衡态时,晶体管的电子和空穴浓度分布由掺杂情况决定。

  2.在栅极电压为负时,沟道中体现多子积累效应,沟道不导通;在栅极电压为正且大到一定程度后,沟道中出现反型,整个沟道电子浓度较大,沟道导通。

  3.ID-VG曲线和ID-VD曲线符合理论。