实验报告4(MOSFET工艺器件仿真)

1、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MOSFET工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;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

2、。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。在N沟道MOSFET中，当栅极电压为

3、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VgsVt时，漏集电流Id0。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

4、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1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VgsVt时才有Ids0。图3为增强型NMOSFET的转移特性曲线。热3用社LNMOSFET的R嘩時性曲戈

5、图中转折点位置处的VGS(th)值为闻值电压。3.M0SFET的输出特性MOSFET输出特性是当VgsVt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。当VDS0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。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

6、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。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。当VDSVds0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。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

7、迅速上升。如图5中CD段所示，该区为击穿区。I5JNIv(BVTv|hvl)bKV(3VtVib很小(b)o4影响阈值电压的因素:可以证明，对于NMOSFET的阈值电压VT表达式为:单其中，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M0SFET工艺流程，运用Athene工艺仿真软件设计器件，设计目标

8、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NM0S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MOS管，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，在源区，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。Gate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=00spac=0.1

9、linexloc=02spac=0.006linexloc=0.4spac=0.006linexloc=0.6spac=0.01#定义Y方向网格lineyloc=00spac=0.002lineyloc=02spac=0.005lineyloc=0.5spac=0.05lineyloc=08spac=0.15ATHENAHictctfiaKEPUDHXO.EO.T#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#pwellformationincludingmaskingoff

10、ofthenwell#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=3alCjun-CfTiniHlrridPEl-ciTATBO-1ADataJroramaslesOl0acr#刻蚀掉厚度为0.02um的氧化物薄膜etchoxidethick=0.02閉EMMHUS画创加口1.3jUKJzzeicjIhJ#P-wellImplant#对表面进行B离子注入，离子剂量为8e12，能量为100KeVimplantborondose=8e12energy=100pearsATHENAD日亡日f

11、rcim:mD31=kO1Qatr-z#对表面进行湿氧处理，温度为950度，时间为100分钟diffustemp=950time=100weto2hcl=3i-i口ftTELEETADat=.fromnoslaxOl0.strDi1nUEbTM-D.1Me-tDoping(7Nara!-0J.-DQiF-JQ2.All#N-wellimplantnotshown一#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#welldrivestartsherediffustime=50temp=1000t.rate=4.000dryo2press=0.10hcl=3a=sA

12、THZNAPatafEcnsXe#在1200温度下的氮气进行220分钟的扩散后退火diffustime=220temp=1200nitropress=1JfiUmiJlT豈阴hDatatrccin&31es01_OastrEactio口1fromhjcs1-031_0jstrO.Z-0.2)to10.2J0.B)IBPhDspliopjs(/cn.3)I/cm31#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etchoxideallJlTGIEWADatafroainoslesdl0str0.

13、2D_30eD.C-0.JHiCEOBSMaterialsI#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%#sacrificialcleaningoxidediffustime=20temp=1000dryo2press=1hcl=3jg|_口|BE3|DarafretiHLQSleK.010.arcu匚乂口一3Jlllccai310Hicrona到加FTZlRrW.DMSiactim1frommckslc囂灯1D.str#蚀刻全部氧化物etchoxideall弓口口tjLan&et口mmajlaxOlcr#在925度和一个大气压条件下进行11分钟

14、干氧扩散，氯酸气体含量为3%#gateoxidegrownhere:-diffustime=11temp=925dryo2press=1.00hcl=3ATHENRDa匚art-DdiHKjslexOl.stiEQnt-?：j.al3aidsOiSSection1fronmwlaKOl0.atr#提取参数（gateox栅氧化层厚度）#Extractadesignparameterextractname=gateoxthicknessoxidemat.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）#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参数设置淀积厚度为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#蚀掉左边不要的多晶硅，长度为0.35um,高为0.2umetchpolyleftp1.x=0.35ATWENJL#method语句用以分别调用fermi扩散模型和compress氧化模型methodfermicompressdiffusetime=3temp=900weto2press=1.0AtEMADatdfrommu31ex01_0.str0.10.2|0.7O.S-00.10.2MaterialsHsilicon5102PolysiLiom0.4D.5Hlzrans#表

17、面进行磷注入，浓度为3.0e13，能量为20kevimplantphosphordose=3.0e13energy=20pearsondepooxidethick=0.120divisions=8ATHENA.BatatrcancslaR.Ol_0$tTBS2.llC.tlE.xD2Falys-iliccnj6|7*juliam#1JimATJ3EMADatafrommoslexoiQacrG.aMierDns0.5a.4yturlQbTHSilicon3102FolysilicDii#干蚀法蚀掉厚度为0.12um的氧化层薄膜etchoxidedrythick=0.120马Iila卜e卫沖AT

18、洗NADatafromjtd3lczO1_QjstrKat-sxial?SillcoaS1O2Folyslliccii0.3Hi匚raas#AS离子注入，浓度为5.0e15,离子能量为50KeVimplantarsenicdose=5.0e15energy=50pearsonAT3ENADatafirndiodeejgOSDstrArsenic(7gid3)0.BMtaria.lsSiD2|Pal沪i1icon0.7#在氮气条件下900度进行一分钟扩散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）对比分析（1）改变衬底掺杂浓度implantborondose=8e12energy=100pears表3-1改变

20、衬底掺杂浓度的实验结果图浓度9e10转移特性曲线器件剖面图杂质浓度分布图9e129e133tgssms丸kiq爼.I*IftMlnAL.IjKi帕F骨II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（Q）栅氧化层浓度（um）9el00.2168530.35358628.6833100.4339el20.5536180.63142628.8934100.1819e131.3539701.28010028.4957100.329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methodfermicompressdiffusetime=3temp=900weto2press=1.0表3-3改变退火时间的实验结果图时间转移特性曲线器件剖面