eng
Выпуск #9/2018
Яшин Георгий Алексеевич, Глушко Андрей Александрович, Чистяков Михаил Геннадьевич, Макарчук Владимир Васильевич, Новоселов Антон Сергеевич, Амирханов Алексей Владимирович, Зинченко Людмила Анатольевна
Разработка и исследование SPICE-модели 0,35 мкм КНИ МОП-транзистора с геометрией затвора F-типа с применением системы приборно-технологического моделирования TCAD
Разработка и исследование SPICE-модели 0,35 мкм КНИ МОП-транзистора с геометрией затвора F-типа с применением системы приборно-технологического моделирования TCAD
Просмотры: 3188
С применением системы приборно-технологического моделирования TCAD разработана и исследована SPICE-модель МОП-транзистора с геометрией затвора F-типа, производимого по технологии КНИ с минимальной проектной нормой 0,35 мкм. На основе полученных в результате приборно-технологического моделирования данных объяснены физические эффекты, проявившиеся при его функционировании, и разработана концепция создания его SPICE-модели.
УДК 004.942
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.430.434
УДК 004.942
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.430.434
Теги: f-type f-тип instrument-process modelling mos-transistor spice моп-транзистор приборно-технологическое моделирование
К настоящему времени известно достаточно большое число топологических реализаций МОП-транзисторов, имеющих весьма сложную геометрию затвора, которые по своим характеристикам существенно отличаются от обладающих линейной зависимостью тока стока от отношения W/L, где W — ширина, а L — длина затвора МОП-транзисторов с затвором прямоугольной формы. Эти МОП-транзисторы, в отличие от КНИ МОП-транзисторов Н-типа, электрические характеристики которых довольно точно описываются их стандартными SPICE-моделями [1, 2], имеют нелинейную зависимость электрических характеристик от отношения W/L. Подобная нелинейная зависимость приводит к тому, что имеющиеся SPICE-модели МОП-транзистора применительно к транзисторам со сложной геометрией затвора дают большую погрешность при расчетах функциональных параметров фрагментов СБИС даже с учетом встроенных в них нелинейных зависимостей электрических характеристик элементов модели от геометрических размеров областей МОП-транзисторов.
Подобным поведением обладают так называемые КНИ МОП-транзисторы F-типа, топология которых показана на рис. 1.
По сравнению с МОП-транзисторами, имеющими H- и T-конфигурации затвора [3], данная топологическая реализация имеет ряд преимуществ, заключающихся, в частности, в меньшей занимаемой площади на кристалле, а также в удобстве разводки при проектировании топологии кристалла СБИС. Однако вольт-амперные характеристики стандартной SPICE-модели такого МОП-транзистора, как оказалось, существенно отличаются от данных измерений, что становится особенно важным в случае моделирования характеристик МОП-транзисторов с затвором F-типа при малой ширине канала W.
На рис. 2 точками показано семейство измеренных сток-затворных характеристик n-канального транзистора F-типа с размерами W = 0,4 мкм и L = 0,35 мкм, а сплошными линиями — аналогичное семейство характеристик, полученное в результате моделирования. При этом параметры модели были экстрагированы из данных измерений функциональных параметров транзисторов F-типа с большим значением W. На рис. 3 показаны результаты численного дифференцирования кривых рис. 2. Следует отметить, что представленные кривые отличаются от зависимости тока от напряжения как по форме, так и по пиковому значению. Это свидетельствует о том, что при малой ширине канала W существенное влияние начинают оказывать краевые эффекты, связанные с боковыми участками поликремния, благодаря наличию которых осуществляется контакт к карману транзистора.
Для исследования отличий между данными измерений и характеристиками стандартной SPICE-модели МОП-транзистора данной конфигурации и их объяснения с позиций физики полупроводников было проведено моделирование его функциональных параметров в среде приборно-технологического моделирования системы Sentaurus TCAD.
На рис. 4 показана топология приборно-технологической модели МОП-транзистора. Необходимо заметить, что в данном случае поликремниевый затвор легирован примесями обоих типов проводимости, и часть канала транзистора, находящаяся под легированным примесью p-типа затвором, также участвует в процессе инверсии типа проводимости и появления канала. Для оценки влияния легированного примесями разных типов поликремния была искусственно сгенерирована приборно-технологическая модель, в которой поликремний был легирован только примесью n-типа. А затем были получены сток-затворные характеристики искусственно сгенерированной и исходной моделей. Результат численного дифференцирования полученных сток-затворных характеристик представлен на рис. 5, из которого видно, что вследствие дополнительного легирования затвора примесью противоположного типа проводимости характер зависимости тока от напряжения меняется. Такое изменение наиболее существенно при напряжении на затворе большем, чем сумма порогового напряжения и некой константы, численно равной ширине запрещенной зоны кремния.
Кроме того, последовательное сопротивление областей стока/истока у МОП-транзистора с малой шириной затвора меньше последовательного сопротивления стока/истока транзистора с большой шириной затвора из-за наличия дополнительных проводящих участков у контактов к карману.
Для построения SPICE-модели, которая бы адекватно описывала данный тип транзистора, было предложено добавить параллельно основному транзистору два дополнительных транзистора. Первый дополнительный МОП-транзистор имеет пороговое напряжение, одинаковое с пороговым напряжением основного транзистора, и используется для правильного учета эффекта масштабирования. А второй дополнительный транзистор имеет большее пороговое напряжение на величину, численно соответствующую значению ширины запрещенной зоны [4]. Отличие в пороговом напряжении было получено посредством проведения оптимизации с последующей экстракцией параметров новой SPICE-модели. Ширины и длины затворов дополнительных транзисторов, а также значения их последовательного сопротивления были получены в процессе оптимизации по критерию минимума суммы квадратов расхождения между расчетной и измеренной характеристиками для транзисторов с разной шириной и одинаковой длиной канала, равной L = 0,35 мкм.
В результате была получена SPICE-модель МОП-транзистора с затвором F-типа, сток-затворные характеристики которой показаны на рис. 6–9.
Поводя итог изложенному, авторы считают, что научным результатом представленной работы является полученная в виде подсхемы SPICE-модель МОП-транзистора F-типа, которая адекватно описывает особенности поведения его электрических характеристик при малых значениях ширины затвора W.
Приборно-технологическое моделирование выполнялось с помощью системы TCAD Sentaurus, установленной на вычислительном сервере МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант 15-07-03116).
ЛИТЕРАТУРА
1. Yuhua Cheng, Chenming Hu: MOSFET MODELING & BSIM3 USER’S GUIDE — NY.: Kluwer Academic Publishers. 2002 — 478 p.
2. Yannis Tsividis: Operation & Modeling of the MOS Transistor — Third Edition — NY.: Oxford University Press. 2011 — 750 p.
3. BSIM GROUP: BSIMSOIv4.5.0 MOSFET MODEL Users’ Manual — Berkeley: The Regents of the University of California, 2013 — 129 p.
4. Donald A. Neamen: Semiconductor Physics & Devices: Basic Principles — Fourth Edition, — New York: McGraw-Hill, 2011 — 760 p.
Подобным поведением обладают так называемые КНИ МОП-транзисторы F-типа, топология которых показана на рис. 1.
По сравнению с МОП-транзисторами, имеющими H- и T-конфигурации затвора [3], данная топологическая реализация имеет ряд преимуществ, заключающихся, в частности, в меньшей занимаемой площади на кристалле, а также в удобстве разводки при проектировании топологии кристалла СБИС. Однако вольт-амперные характеристики стандартной SPICE-модели такого МОП-транзистора, как оказалось, существенно отличаются от данных измерений, что становится особенно важным в случае моделирования характеристик МОП-транзисторов с затвором F-типа при малой ширине канала W.
На рис. 2 точками показано семейство измеренных сток-затворных характеристик n-канального транзистора F-типа с размерами W = 0,4 мкм и L = 0,35 мкм, а сплошными линиями — аналогичное семейство характеристик, полученное в результате моделирования. При этом параметры модели были экстрагированы из данных измерений функциональных параметров транзисторов F-типа с большим значением W. На рис. 3 показаны результаты численного дифференцирования кривых рис. 2. Следует отметить, что представленные кривые отличаются от зависимости тока от напряжения как по форме, так и по пиковому значению. Это свидетельствует о том, что при малой ширине канала W существенное влияние начинают оказывать краевые эффекты, связанные с боковыми участками поликремния, благодаря наличию которых осуществляется контакт к карману транзистора.
Для исследования отличий между данными измерений и характеристиками стандартной SPICE-модели МОП-транзистора данной конфигурации и их объяснения с позиций физики полупроводников было проведено моделирование его функциональных параметров в среде приборно-технологического моделирования системы Sentaurus TCAD.
На рис. 4 показана топология приборно-технологической модели МОП-транзистора. Необходимо заметить, что в данном случае поликремниевый затвор легирован примесями обоих типов проводимости, и часть канала транзистора, находящаяся под легированным примесью p-типа затвором, также участвует в процессе инверсии типа проводимости и появления канала. Для оценки влияния легированного примесями разных типов поликремния была искусственно сгенерирована приборно-технологическая модель, в которой поликремний был легирован только примесью n-типа. А затем были получены сток-затворные характеристики искусственно сгенерированной и исходной моделей. Результат численного дифференцирования полученных сток-затворных характеристик представлен на рис. 5, из которого видно, что вследствие дополнительного легирования затвора примесью противоположного типа проводимости характер зависимости тока от напряжения меняется. Такое изменение наиболее существенно при напряжении на затворе большем, чем сумма порогового напряжения и некой константы, численно равной ширине запрещенной зоны кремния.
Кроме того, последовательное сопротивление областей стока/истока у МОП-транзистора с малой шириной затвора меньше последовательного сопротивления стока/истока транзистора с большой шириной затвора из-за наличия дополнительных проводящих участков у контактов к карману.
Для построения SPICE-модели, которая бы адекватно описывала данный тип транзистора, было предложено добавить параллельно основному транзистору два дополнительных транзистора. Первый дополнительный МОП-транзистор имеет пороговое напряжение, одинаковое с пороговым напряжением основного транзистора, и используется для правильного учета эффекта масштабирования. А второй дополнительный транзистор имеет большее пороговое напряжение на величину, численно соответствующую значению ширины запрещенной зоны [4]. Отличие в пороговом напряжении было получено посредством проведения оптимизации с последующей экстракцией параметров новой SPICE-модели. Ширины и длины затворов дополнительных транзисторов, а также значения их последовательного сопротивления были получены в процессе оптимизации по критерию минимума суммы квадратов расхождения между расчетной и измеренной характеристиками для транзисторов с разной шириной и одинаковой длиной канала, равной L = 0,35 мкм.
В результате была получена SPICE-модель МОП-транзистора с затвором F-типа, сток-затворные характеристики которой показаны на рис. 6–9.
Поводя итог изложенному, авторы считают, что научным результатом представленной работы является полученная в виде подсхемы SPICE-модель МОП-транзистора F-типа, которая адекватно описывает особенности поведения его электрических характеристик при малых значениях ширины затвора W.
Приборно-технологическое моделирование выполнялось с помощью системы TCAD Sentaurus, установленной на вычислительном сервере МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант 15-07-03116).
ЛИТЕРАТУРА
1. Yuhua Cheng, Chenming Hu: MOSFET MODELING & BSIM3 USER’S GUIDE — NY.: Kluwer Academic Publishers. 2002 — 478 p.
2. Yannis Tsividis: Operation & Modeling of the MOS Transistor — Third Edition — NY.: Oxford University Press. 2011 — 750 p.
3. BSIM GROUP: BSIMSOIv4.5.0 MOSFET MODEL Users’ Manual — Berkeley: The Regents of the University of California, 2013 — 129 p.
4. Donald A. Neamen: Semiconductor Physics & Devices: Basic Principles — Fourth Edition, — New York: McGraw-Hill, 2011 — 760 p.
Отзывы читателей
