半导体工艺及器件模拟二课件.pptx

1、1半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS2半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS3半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSISDESSIS simulates numerically the electrical behavior of a single semiconductor device in isolation or several physical devices combined in a circuit.Terminal currents A,voltages V,and charges C are computed bas

2、ed on a set of physical device equations that describes the carrier distribution and conduction mechanisms.A real semiconductor device,such as a transistor,is represented in the simulator as a virtual device whose physical properties are discretized onto a nonuniform grid of nodes.4半导体器件电学特性仿真半导体器件电

3、学特性仿真 DESSISTherefore,a virtual device is an approximation of a real device.Continuous properties such as doping profiles are represented on a sparse mesh and,therefore,are only defined at a finite number of discrete points in space.The doping at any point between nodes(or any physical quantity)can

4、be obtained by interpolation.Each virtual device structure is described in the ISE TCAD tool suite by two files:The grid(or geometry)fileThe data(or doping)file5半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSISThe grid(or geometry)file contains a description of the various regions of the device,that is,boundaries,mater

5、ial types,and the locations of any electrical contacts.This file also contains the grid.6半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSISThe data(or doping)file contains the properties of the device,such as the doping profiles,in the form of data associated with the discrete nodes.7半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS1.Creat

6、ing and meshing device structures Device structures can be created in various ways,including 1D,2D,or 3D process simulation(DIOS),3Dprocess emulation(FLoops),and 2D(MDRAW and DEVISE)or 3D(DIP and DEVISE)structure editors.Regardless of the means used to generate a virtual device structure,it is recom

7、mended that the structure be remeshed using MDRAW(2D meshing with an interactive graphical user interface or MESH(1D,2D,and 3D meshing without a GUI)to optimize the grid for efficiency.All device structures used as examples in this section were created and meshed using MDRAW.8半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真

8、DESSISFor maximum efficiency of a simulation,a mesh must be created with a minimum number of vertices to achieve a desired level of accuracy.For any given device structure,the optimal mesh varies depending on the type of simulation.It is recommended that to create the most suitable mesh,the mesh mus

9、t be densest in those regions of the device where the following are expected:High current density(MOSFET channels,bipolar base regions)High electric fields(MOSFET channels,MOSFET drains,depletion regions in general)High charge generation(SEU alpha particle,optical beam)9半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS

10、Generally,a total node count of 2000 to 4000 is reasonable for most 2D simulations.Large power devices and 3D structures require a considerably larger number of elements.For some situations,no process simulation is required because MDRAW is used to build the device structures and create a suitable m

11、esh.DESSIS is used to simulate the electrical characteristics of the device.Finally,Tecplot_ISE is used to visualize the output from the simulation in 2D,and INSPECT is used to plot the electrical characteristics.10半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS工艺模拟工艺模拟生成生成11半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS2.运行运行 dessis

12、$提示符下：键入提示符下：键入 dessis 空格空格 文件名包括主文件名加扩展名文件名包括主文件名加扩展名,例如例如 pn_des.cmd3.编写编写 dessis 文件文件 由六部分构成由六部分构成 1)File;2)Electrode;3)Physics;4)Plot;5)Math;6)Solve12半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS文件部分，指定输入输出文件文件部分，指定输入输出文件File *input files:注释行注释行 Grid=“diode_mdr.grd“MDRAW输出，器件几何形状和网格信息输出，器件几何形状和网格信息 Doping=“diod

13、e_mdr.dat”MDRAW输出，器件的掺杂信息输出，器件的掺杂信息 *Parameter=“1.par”参数文件参数文件 *output files:注释行注释行 Plot=“diode_des.dat”dessis输出输出文件文件 Current=diode_des.plt”dessis输出输出文件文件 Output=diode_des.log dessis输出输出文件文件 所有文件扩展名固定所有文件扩展名固定13半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS电极部分电极部分Electrode Name=“anode”Voltage=0.0 Name=“cathode Vol

14、tage=0.0 定义电极，并指定电极上的初始电压值定义电极，并指定电极上的初始电压值.14半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS物理机制部分，选择需要的物理模型物理机制部分，选择需要的物理模型Physics Mobility(DopingDependence 掺杂相关掺杂相关 *HighFieldSat)高场饱和高场饱和 Recombination(Auger 俄歇复合俄歇复合 SRH(DopingDependence)SRH复合复合 Shockley-Read-Hall 复合复合15半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSISPlot 绘图部分绘图部分(一

15、一)：需要保存的变量，所有的量都可用需要保存的变量，所有的量都可用 Tecplot_ise软件看图软件看图Plot*Fields,Charges,etcPotential ElectricField SpaceChargeeMobility hMobilityeVelocity hVelocity*Doping profilesDonorConcentration AcceptorConcentrationDopingConcentration16半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSISPlot 绘图部分绘图部分(二）二）*Band Structure/Composition

16、ConductionBand ValenceBandBandGap AffinityAvalancheGeneration eAvalancheGenerationhAvalancheGenerationxMoleFraction*Density,CurrenteDensity hDensityeCurrent hCurrentTotalCurrent17半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSISPlot 绘图部分绘图部分(三三)*Recombination/Generation ratesSRH Auger TotalRecombination*Driving Forcese

17、QuasiFermi hQuasiFermieGradQuasiFermi hGradQuasiFermi Grad 梯度梯度eEparallel hEparallel 18半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSISMath部分部分:给出求解器件方程的数学方法给出求解器件方程的数学方法Math Extrapolate 在电压扫描时，某一步的初始猜测解是由前两步解在电压扫描时，某一步的初始猜测解是由前两步解 的向外推断得到，此的向外推断得到，此项是项是”off by default”。Iterations=20 在对电压或时间扫描时，每个电压（或时间）点允许在对电压或时间扫描时，

18、每个电压（或时间）点允许 的牛顿算法的最大迭代次数，如果到的牛顿算法的最大迭代次数，如果到20次还未收敛，电压或次还未收敛，电压或 时间步长减小，由时间步长减小，由decrement 因子控制，计算继续。因子控制，计算继续。注意保持注意保持NotdampedIterations NotDamped=50 Notdamped=50，表示在前，表示在前50个牛顿数值中个牛顿数值中 不使用不使用“Damping algorithm”，缺省值是缺省值是1000.1000.RelErrControl 非线性递推收敛控制（提高控制精度），非线性递推收敛控制（提高控制精度），“ON BY DefaultON

19、 BY Default”AvalDerivatives 考虑迁移率和雪崩项的解析求导，缺省是考虑，考虑迁移率和雪崩项的解析求导，缺省是考虑，Aval 雪崩。如果是雪崩。如果是-AvalDerivatives表示不考虑解析求导表示不考虑解析求导 19半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS求解部分求解部分Solve Poisson 采用非线性采用非线性Poisson方程得到初始偏置电压的初始解方程得到初始偏置电压的初始解 Coupled Poisson Electron Hole 初始偏置下，初始偏置下，引入电子空穴连续引入电子空穴连续 性方程，与性方程，与Poisson方程耦

20、合自洽求解。方程耦合自洽求解。Quasistationary(得到所有准静态或稳态平衡解得到所有准静态或稳态平衡解 InitialStep=1e-10 Minstep=1e-5 Maxstep=0.3 Increment=1.2 Goal Name=“anode”Voltage=2 )阳极电压从阳极电压从0扫描到扫描到2V Coupled Poisson Electron Hole 对对每一偏压点的器件方程自洽求解每一偏压点的器件方程自洽求解20半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS在在Sovle 一节中，值得提的是一节中，值得提的是Quasistationary作作RAM

21、P时的运算时的运算机制：机制：内部变量内部变量t在（在（01）之间变化，软件通过下面的方法算出每部）之间变化，软件通过下面的方法算出每部Ramp的电压值，的电压值，Vinitial+t*(Vgoal-Vinitial),每步可能增加减少，每步可能增加减少，取决于前面的计算结果。取决于前面的计算结果。如果前面的结果收敛，那末下一步的如果前面的结果收敛，那末下一步的SIZE将提高（将提高（Increment 决决定），如果不收敛，则定），如果不收敛，则STEPSIZE将缩小将缩小Decrment倍，如果倍，如果STEPSIZE小于小于minstep则中止仿真，且仿真的则中止仿真，且仿真的step

22、size不能大于不能大于maxstep。DeltaT步长。步长。21半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS 还有一点很重要还有一点很重要，如果，如果solvesolve部分有两个部分有两个Quasistationary Quasistationary 语句，后面的语句，后面的Quasistationary Quasistationary 语语句将接着前面一个句将接着前面一个QuasistationaryQuasistationary语句接着仿真：语句接着仿真：例如例如：draindrain从从0 01,ramp1,ramp，然后下一个语句是，然后下一个语句是gate gat

23、e 从从1 13 3，那么下一个语句将是保持，那么下一个语句将是保持draindrain在在1 1，而，而gategate，Ramp from 1Ramp from 13.3.22补充补充gedit pn_dio.cmd1D(file=nside,Xsection(2.0),species(Ptotal),fac=-1,append=on)save(file=diode)save(file=diode,type=MDRAW,synonyms(Al=metal).Dios pn_dio.cmd运行后运行后,产生两个文件产生两个文件 diode_mdr.bnd diode_mdr.cmd23补充补

24、充利用利用mdraw工具打开工具打开diode_mdr.bnd构建网格后，保存，生成两个文件，构建网格后，保存，生成两个文件，diode_mdr.grd diode_mdr.dat这两个文件作为这两个文件作为dessis 的输入文件。的输入文件。如果定义如果定义dessis输出输出文件：文件：Plot=“diode_des.dat”Current=diode_des.plt”补充补充 求求PNPN结阳极上加结阳极上加1V1V电压时的能带结构电压时的能带结构注意注意:一定要在一定要在ElectrodeElectrode结中的阴阳极上加结中的阴阳极上加0 0伏电压伏电压,在在 PhysicsPhy

25、sics结结 中的中的GoalGoal语句扫描电压到语句扫描电压到1V,1V,不能在不能在Electrode Electrode 结中直接加结中直接加1V1V.2425INSPECTLoad DatasetsLoad Datasets打开打开DessisDessis的输出文件中的的输出文件中的pltplt文件文件26INSPECT27TECPLOT_ISE在提示符下，键在提示符下，键入入tecplot_ise打开两个文件：打开两个文件：1.1.DessisDessis的输入文件的输入文件*_mdr.grd_mdr.grd2.2.Dessis Dessis 的输出文件的输出文件 *_des.da

26、t_des.dat28TECPLOT_ISE29TECPLOT_ISETECPLOT_ISE30突变突变PN结结平衡态能带结构平衡态能带结构TECPLOT_ISE31阳极阳极-0.8V阳极正阳极正0.8V 突变突变PNPN结结INSPECT3233补充补充34半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS半导体器件模拟介绍半导体器件模拟介绍1.1.器件模拟技术发展简况器件模拟技术发展简况 l 器件模拟是根据器件的杂质分布剖面结构器件模拟是根据器件的杂质分布剖面结构,利用器件模型利用器件模型,通过计算机计算得到半导体器件终端特性。通过计算机计算得到半导体器件终端特性。l 器件模拟是一

27、项模型技术，器件的实际特性可利用这种模器件模拟是一项模型技术，器件的实际特性可利用这种模型从理论上予以模拟，因此它是一种可以在器件研制出来型从理论上予以模拟，因此它是一种可以在器件研制出来之前预示器件性能参数的重要技术。之前预示器件性能参数的重要技术。35半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS器件模拟有两种方法：器件模拟有两种方法：l 器件等效电路模拟法器件等效电路模拟法依据半导体器件的输入、输出特性建立模型分析它们在电路中依据半导体器件的输入、输出特性建立模型分析它们在电路中的作用，不关心器件内部的微观机理，在电路模拟中常用。的作用，不关心器件内部的微观机理，在电路模拟中

28、常用。l 器件物理模拟法器件物理模拟法从器件内部载流子的状态及运动出发，依据器件的几何结构及从器件内部载流子的状态及运动出发，依据器件的几何结构及杂质分布，建立严格的物理模型及数学模型，运算得到器件的杂质分布，建立严格的物理模型及数学模型，运算得到器件的性能参数，这种方法能深刻理解器件内部的工作原理、能定量性能参数，这种方法能深刻理解器件内部的工作原理、能定量分析器件性能参数与设计参数之间的关系。分析器件性能参数与设计参数之间的关系。36半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS器件物理模拟三种常用数值计算方法：器件物理模拟三种常用数值计算方法：有限差分法有限差分法 有限元法有

29、限元法 Monte Carlo法法 前二种是离散数值模拟，是模拟常规半导体器件主要方法前二种是离散数值模拟，是模拟常规半导体器件主要方法 其中有限差分法是最早发展起来的，方法比较简单，容易其中有限差分法是最早发展起来的，方法比较简单，容易掌握，但是几何边界复杂的半导体器件，用有限差分法碰掌握，但是几何边界复杂的半导体器件，用有限差分法碰到较大的困难到较大的困难;有限元法与有限差分法相比，对区间的离散方法比较自由，有限元法与有限差分法相比，对区间的离散方法比较自由，容易适应复杂的器件边界。容易适应复杂的器件边界。37半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS 第三种第三种Mont

30、e CarloMonte Carlo法是统计模拟，以载流子在器件中运法是统计模拟，以载流子在器件中运 动时的散射过程为基础，逐个跟踪每一载流子的运动。动时的散射过程为基础，逐个跟踪每一载流子的运动。38半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS输运方程的描述输运方程的描述半导体器件中载流子输运的描述包括半导体器件中载流子输运的描述包括:经典输运模型经典输运模型量子力学理论输运模型量子力学理论输运模型Monte CarloMonte Carlo模拟法模拟法.39半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS经典输运经典输运已经学过的基本半导体方程，包括：已经学过的基本

31、半导体方程，包括：UGJdivqtpp1UGJdivqtnn1pgradqgradpqDJpppngradqgradnqDJnnn)(npNNqdivgradad电流连续性方程电流连续性方程电流输运方程电流输运方程泊松方程泊松方程40半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS一维情况下一维情况下,上述方程组可化简为：上述方程组可化简为：UGxJqtpp1UGxJqtnn1xpqxpqDJpppxnqxnqDJnnn)(22npNNqxAD电流连续性方程电流连续性方程电流输运方程电流输运方程泊松方程泊松方程41半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS如果是一维模

32、拟，只需解一维方程组即可；如果是一维模拟，只需解一维方程组即可；如方程中如方程中p p及及n n对对t t的导数为零，则为的导数为零，则为稳态分析稳态分析；当含时间；当含时间t t的的方程求解为方程求解为瞬态分析瞬态分析。也能相应地求解二、三维方程组。也能相应地求解二、三维方程组。求解思路：求解思路：由由工艺模拟工艺模拟得到或得到或自定义自定义的杂质浓度分布输入到器件模拟程的杂质浓度分布输入到器件模拟程序，从电子和空穴的输运方程、连续性方程、泊松方程出发，序，从电子和空穴的输运方程、连续性方程、泊松方程出发，解出器件中的电势分布和载流子分布，从而得到器件解出器件中的电势分布和载流子分布，从而得

33、到器件I IV V特特性等电特性。性等电特性。42半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS经典输运模型包括：经典输运模型包括：1.1.扩散扩散-漂移模型漂移模型该模型以上述基本半导体方程组（包括连续性、输运、泊松该模型以上述基本半导体方程组（包括连续性、输运、泊松等方程）作为理论基础。等方程）作为理论基础。这是目前器件物理求解方法的主这是目前器件物理求解方法的主流，已在常规器件的模拟或流，已在常规器件的模拟或CADCAD设计中实用化。设计中实用化。电流密度只有满足扩散电流密度只有满足扩散-漂移形式，才称为扩散漂移形式，才称为扩散-漂移模型漂移模型.xpqxpqDJpppxnq

34、xnqDJnpn需要强调的是需要强调的是:在扩散在扩散-漂移模型中，空穴的净电流密度为漂移模型中，空穴的净电流密度为dxdpqDpEqJppp1dxdppDEpqppp其中其中dxdEqEi1利用利用KTiFEiEenpqKTDPP半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS44半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSISpqpdxdEpdxdEdxdEqdxdEqpqJFPFiipp)(11称为准费米势，同理称为准费米势，同理nnnnqJ45半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS扩散扩散-漂移模型的基本假设有：漂移模型的基本假设有：（1 1）多

35、次碰撞假设：）多次碰撞假设：载流子在外电场下的漂移用迁移率表示，载流子运动平均行载流子在外电场下的漂移用迁移率表示，载流子运动平均行为偏离用扩散系数表示。它们都是电场为偏离用扩散系数表示。它们都是电场E E的函数。多次碰撞的函数。多次碰撞的含义是：无论电场变化多快，载流子都能在新的电场值上的含义是：无论电场变化多快，载流子都能在新的电场值上达到新的平衡态，从而具有新的平均漂移速度和扩散系数，达到新的平衡态，从而具有新的平均漂移速度和扩散系数，这就只有通过载流子经受多次碰撞才能实现。这就只有通过载流子经受多次碰撞才能实现。多次碰撞假设要求载流子在器件特征尺寸之内（如多次碰撞假设要求载流子在器件特

36、征尺寸之内（如MOSMOS栅栅长，长，PNPN结耗尽层结耗尽层宽度等）经受多次随机的碰撞。宽度等）经受多次随机的碰撞。46半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS目前的超大规模目前的超大规模ICIC、超高速、超高速ICIC和微波技术发展，已把器件的和微波技术发展，已把器件的特征尺寸推到深亚微米乃至纳米级，特征尺寸推到深亚微米乃至纳米级，电子渡越电子渡越MOSFETMOSFET栅下沟栅下沟道的时间可与电子平均自由时间相比拟，这时电子经多次碰道的时间可与电子平均自由时间相比拟，这时电子经多次碰撞达到动态平衡的条件就不成立。撞达到动态平衡的条件就不成立。(2)(2)低电场条件：低电

37、场条件：在漂移扩散模型中，在漂移扩散模型中，J Jn n、J Jp p的表达式和爱因的表达式和爱因斯坦关系实际上是玻尔兹曼方程在低场假设条件下采用微扰斯坦关系实际上是玻尔兹曼方程在低场假设条件下采用微扰法所得的近似解。如果器件有很强的不均匀电场、时间上快法所得的近似解。如果器件有很强的不均匀电场、时间上快速变化的场强，就与低场假设不相容。速变化的场强，就与低场假设不相容。47半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS(3)(3)单能谷假设：单能谷假设：在漂移扩散模型中，使用平均漂移和扩散在漂移扩散模型中，使用平均漂移和扩散的概念描述电荷输运，没有涉及多能谷半导体的情况。对于的概

38、念描述电荷输运，没有涉及多能谷半导体的情况。对于象象GaAsGaAs之类器件，多能谷输运现象往往对器件的工作特性起之类器件，多能谷输运现象往往对器件的工作特性起决定性作用，以扩散漂移模型就很难处理。决定性作用，以扩散漂移模型就很难处理。总之，扩散漂移模型适合小功率密度器件模拟，同时适应尺总之，扩散漂移模型适合小功率密度器件模拟，同时适应尺寸大、具有长激活区（例如寸大、具有长激活区（例如MOSMOS沟道沟道,三极管的基区）的器件三极管的基区）的器件模拟。模拟。48半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS2.2.热力学模型（非等温模型）热力学模型（非等温模型）如果设计、分析功率器

39、件，除求解半导体基本方程组外，如果设计、分析功率器件，除求解半导体基本方程组外，通常还要模拟热、电之间的相互作用：通常还要模拟热、电之间的相互作用：因为在器件内温度及其分布的变化会显著地影响器件的电特因为在器件内温度及其分布的变化会显著地影响器件的电特性，为此还需解热流方程，这种模型称为热力学模型（非性，为此还需解热流方程，这种模型称为热力学模型（非等温模型）。等温模型）。半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS当考虑到温度变化，而利用热力学模型时，需将扩散漂移当考虑到温度变化，而利用热力学模型时，需将扩散漂移方程组中的电流密度改写为：方程组中的电流密度改写为：49Pn、Pp

40、 电子、空穴的热电势，由于温度不同而导致的电子、空穴的热电势，由于温度不同而导致的电势差电势差半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS50若计算温度分布，需要求解若计算温度分布，需要求解如用热力学模型，如用热力学模型，在在Physics节中加节中加Thermodynamic关键词关键词51半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS3.3.流体力学传输模型（流体力学传输模型（Hydrodynamic Transport Model)当器件尺寸进入到深亚微米以下时，扩散漂移模型失效。当器件尺寸进入到深亚微米以下时，扩散漂移模型失效。此时，除需要此时，除需要泊松方程

41、泊松方程和和载流子连续性载流子连续性方程外，还需方程外，还需温度相关温度相关的载流子输运方程的载流子输运方程和和电子、空穴、晶格的能量守恒电子、空穴、晶格的能量守恒方程。方程。其中，其中，EC、Ev是导带底和价带顶能量。第一项考虑了静电势、电子是导带底和价带顶能量。第一项考虑了静电势、电子亲和势以及带隙的空间变化，剩余的三项考虑了载流子浓度梯度、亲和势以及带隙的空间变化，剩余的三项考虑了载流子浓度梯度、温度梯度、以及有效质量的空间变化。温度梯度、以及有效质量的空间变化。52半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS能量守恒方程为：能量守恒方程为：53半导体器件电学特性仿真半导体

42、器件电学特性仿真 DESSIS54半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS 该模型适合仿真该模型适合仿真0.18um0.18um以下深亚微米以下深亚微米MOSFETMOSFET器件、异质结器件、异质结器件、部分耗尽器件、部分耗尽SOI MOSFETs.SOI MOSFETs.另外一种应用是仿真器件的击穿，可避免扩散另外一种应用是仿真器件的击穿，可避免扩散-漂移模型漂移模型中的过早击穿，还可用于仿真衬底电流。中的过早击穿，还可用于仿真衬底电流。如果使用流体力学模型，在如果使用流体力学模型，在Physics节中，必须加节中，必须加Hydrodynamic关键词。关键词。同时，在同

43、时，在Solve一节中的一节中的Couple命令中，加命令中，加eTemperature 或者或者hTemperature关键词。关键词。如果，某一种载流子不使用流如果，某一种载流子不使用流体力学模型，体力学模型，Dessis用晶格温度代替该种载流子温度。用晶格温度代替该种载流子温度。55半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS量子理论模拟量子理论模拟 当半导体器件的尺寸进一步缩小到小于当半导体器件的尺寸进一步缩小到小于100 nm以下时，需要考虑量子效应，以下时，需要考虑量子效应，对传统的经典理论作量子对传统的经典理论作量子力学修正，力学修正，相应的模拟方法称为量子理论模拟

44、法。相应的模拟方法称为量子理论模拟法。56半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS量子力学模拟量子力学模拟 The scaling rules for modern submicron devices require a thinner oxide and higher level of channel doping.Some features of current MOSFETs (oxide thickness,channel width)have reached quantum mechanical length scales.Therefore,the wave na

45、ture of electrons and holes can no longer be neglected.The most basic quantization effects in MOSFETs are the shift of the threshold voltage and reduction of the gate capacity.半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS To include quantization effects in a classical device simulation,a simple approach is to intro

46、duce an additional potential-like quantity in the classical density formula,which reads:where n is the electron densityT is the carrier temperature kB is the Boltzmann constantNc is the conduction band density of statesEc is the conduction band energy,EFn is the electron Fermi energy.58半导体器件电学特性仿真半导

47、体器件电学特性仿真 DESSIS根据根据取不同的形式，可以分为：取不同的形式，可以分为：（1）van Dort quantum correction model（2）Density gradient model半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS59van Dort quantum correction modelDensity gradient model半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSISMonte Carlo法法的的优点优点是能对器件的物理过程作深入了解，是能对器件的物理过程作深入了解，同时不受器件维数的限制，是目前模拟小尺寸半导体器同时不受器

48、件维数的限制，是目前模拟小尺寸半导体器件的件的最 有 力 工 具。最 有 力 工 具。缺 点缺 点 是 计 算 冗 繁，需 要 机 时 多。是 计 算 冗 繁，需 要 机 时 多。IST_TCAD软软件利用件利用SPARTA模块进行模块进行Monte Carlo模拟模拟.6061半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS迁移率模型迁移率模型Physics Mobility(DopingDependence HighFieldSaturation)Recombination(Auger SRH(DopingDependence)加入迁移率模型，必须是在加入迁移率模型，必须是在 P

49、hysics Physics 节中，利用节中，利用MobilityMobility 关键词。关键词。Physics Mobility()62半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS 如果影响迁移率的因素不止一个，则不同因素对总迁移率如果影响迁移率的因素不止一个，则不同因素对总迁移率的贡献按的贡献按 Mathiessens 规则规则:1.掺杂浓度相关迁移率掺杂浓度相关迁移率关键词：关键词：Physics Mobility(DopingDependence)加入掺杂相关表示考虑了带电杂质离子散射导致的载流加入掺杂相关表示考虑了带电杂质离子散射导致的载流子迁移率的衰减。子迁移率的衰

50、减。63半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS杂质浓度相关主要类型杂质浓度相关主要类型1)Masetti model(硅缺省模型）硅缺省模型）其中其中Ni 表示电离杂质总浓度，即表示电离杂质总浓度，即Ni=NA+ND64半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS65半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS66半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS2)Arora model（GaAs缺省模型）缺省模型）67半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSIS68半导体器件电学特性仿真半导体器件电学特性仿真 DESSI