论文SilvacoTCAD基CMOS器件仿真.doc

本科毕业论文<设计>题 目：Silvaco TCAD基CMOS器件仿真 学 院：物理科学学院专 业：姓 名：指导教师：20XX 5 月 16 日..青岛大学毕业论文<设计>任务书 院 系: 物理科学学院 专 业: 微电子学 班 级: 学生姓名: 同组学生: 无 指导教师:下发日期: 2014 年 3 月 15 日MOS场效应晶体管的结构与性能模拟研究摘要：本文主要介绍了N沟道增强型MOSFET的发展历程、基本结构和工作原理,定性的分析了导电沟道的形成过程和本质；简单介绍了silvaco TCAD的发展；以NMOS为例,描述了软件的主要组件、原理、仿真过程及仿真结果通过对器件的特性的TCAD仿真,使我们深化了对器件在工艺和特性方面的物理研究silvaco TCAD仿真软件可以有效缩短IC工艺和器件的开发周期,降低开发成本,体现出了TCAD对半导体器件的开发与优化具有重要的作用。

关键词: MOSFET TCAD 工艺仿真 器件仿真 Abstract:This paper mainly introduces the development history, basic structure and working principle of N channel enhancement MOSFET.A qualitative analysis of the forming process and the nature of the conducting channelare pointed out. It introduces the development of SILVACO TCAD and, taking NMOS as an example, describes the main components, the principle of the software, the simulation process and simulation results. Through the simulation on device characteristics, and we deepen the physical study of process and properties of the devices. SILVACO TCAD simulation software can shorten the development cycleof IC process and device effectively, reduce the cost of development. TCAD plays an important role in development and optimization on semiconductor device.Keywords:MOSFET TCAD process simulationdevice simulation目录1 引言11.1 MOSFET的发展11.2 TCAD的发展32 MOSFET的基本构造及工作原理42.1 MOSFET的基本原理及构造42.2 MOSFET的基本工作原理52.3 MOSFET的特性93 TCAD工具的构成、仿真原理、仿真流程及仿真结果113.1 TCAD工具的结构与仿真原理113.2 用TCAD工具仿真NMOS的步骤113.3 TCAD工具的仿真结果154 结论16谢辞17参考文献19附录21正文：1 引言在当今时代,集成电路发展十分迅猛,其工艺的发杂度不断提高,开发新工艺面临着巨大的挑战。

传统的开发新工艺的方法是工艺试验,而现在随着工艺开发的工序细化,流片周期变长,传统的方法已经不能适应现在的需要,这就需要寻找新的方法来解决这个问题幸运的是随着计算机性能和计算机技术的发展,人们结合所学半导体理论与数值模拟技术,以计算机为平台进行工艺与器件性能的仿真现如今仿真技术在工艺开发中已经取代了工艺试验的地位采用TCAD仿真方式来完成新工艺新技术的开发,突破了标准工艺的限制,能够模拟寻找最合适的工艺来完成自己产品的设计此外,TCAD仿真能够对器件各种性能之间存在的矛盾进行同时优化,能够在最短的时间内以最小的代价设计出性能符合要求的半导体器件进行新工艺的开发,需要设计很多方面的内容,如：进行器件性能与结构的优化、对器件进行模型化、设计进行的工艺流程、提取器件模型的参数、制定设计规则等等为了设计出质量高且价格低廉的工艺模块,要有一个整体的设计目标,以它为出发点将工艺开发过程的各个阶段进行联系,本着简单易造的准则,系统地进行设计的优化TCAD支持器件设计、器件模型化和工艺设计优化,使得设计思想可以实现全面的验证TCAD设计开发模拟是在虚拟环境下进行的,缩短了开发周期,降低了开发成本,是一条高效低成本的进行新工艺研究开发的途径。

TCAD软件拥有FAB虚拟系统,借助它可以完成器件的设计、器件模型的参数提取和其他各个工艺开发的步骤TCAD的应用使得开发新工艺不用受到冗长的工艺制造周期和资金投入的限制,开发条件简单快捷,使得无生产线的公司也有机会参与到工艺开发中来,根据特定特点为自己的产品进行量身定做特定的工艺在实际生产中,TCAD还可用来进行工艺监测,可以发现工艺过程中出现的问题,提高产品的成品率1.1 MOSFET的发展自从晶体管发明以来,电子器件与社会得到了迅猛的发展1906年,德福雷斯特〔Lee de Forest发明了真空三极管,并把专利卖给了AT&T,使其业务有了大幅度的提升,他被誉为真空三极管之父但是随着社会的发展,真空三极管对信号放大的可靠性差、能量消耗和热量产生多等缺点暴露了出来,真空三极管已经不能满足人们的需要1930年,默文凯利〔Mervin Kelly作为贝尔实验室的领导者清楚的知道,要支撑AT&T的业务,就必须研发一种新的器件,一种依赖于半导体材料的器件1939年2月,拉塞尔欧勒〔Russell Ohl拿一个带有缝隙的硅晶来研究有多大的电流可以通过缝隙,他发现这个缝隙只允许电流单向导通,另外方向电流几乎为零,在导电缝隙的地方还能够发光。

正是这个发现产生了对半导体器件至关重要的PN结1942年,西摩尔本泽〔Seymour Benzer发现锗单晶具有其他半导体所不具备的非常好的整流特性1945年,二战结束后,默文凯利任命威廉肖克利〔William Shockley与斯坦利摩根〔Stanley Morgan共同领导一个固体物理研究组,主要任务是研制一种新的电子器件用来取代真空三极管当时,高纯的锗单晶引起了普遍的关注,肖克利也将注意力投向了锗单晶,同时提醒大家关注他提出了一种新概念的器件,即利用一个强电场使半导体表面产生一种电流,通过控制电场的强度来调节半导体表面电流大小的器件,也就是现在的场效应器件1947年圣诞节前夕,肖克利演示了一个命名为"晶体管〔transistor"的小原型器件给贝尔实验室的几个同僚,,他将一个n型锗单晶放置在金属板上,在单晶上形成一个P反型层,将一个塑料楔子放在反型层上,用金箔包住楔子并切开连接处并固定,以确保金箔间的缝隙非常的小点接触晶体管的发明在人类微电子行业具有无比重大的意义,它由肖克利发明,并获得了第一个晶体管专利但是肖克利制造的晶体管有很多缺点,比如它的噪声很大,晶体管的电极摇摆不定,制作的时候没有重复性可言。

在1948年,肖克利找到了一种全新的方法用来解决这些问题,他将P型半导体和N型半导体堆叠在一起,形成一个三层结构,这个三层结构没两个同型半导体中间会夹杂着另一种半导体,这就形成了npn型和pnp型结构这种结构相当于两个背靠背的pn结,在两个的半导体可以提供丰富的半导体,中间的半导体则含有很稀少的载流子,成为耗尽层,只要能够控制中间层载流子的数量,就能够控制期间的开关,起到真空管的作用这种器件电流不在是只流过表面,而是流过器件本体这对于点接触式晶体管来说是一个很大的进步于是肖克利命令课题组的理查德海恩斯〔Richard Haynes、约瑟夫贝克尔和约翰夏夫〔John Shive根据这个理论做了一个实验,当晶体光中间的半导体层非常薄而且非常纯时实验结果与理论惊人的一致当时在晶体方面有很深研究的戈登深信,理想的晶体管不可能是由很多晶体组成,只能是用一个单晶体来制作,否则的话晶界会产生散射电流1950年4月,蒂尔和摩根斯帕克斯证明了这个理论,他们在单个的锗晶体上制作了一个双极型晶体管,这种晶体管具有将信号放大的功能1951年,斯帕克斯想到减小双极晶体管的中心夹层的厚度可能会提过晶体管性能,事实证明他成功了。

1952年肖克利根据双极结型晶体管的理论提出了单极结型晶体管,这就是现在我们接触的结型晶体管由于锗在高温下不能工作,蒂尔在进入XX仪器公司后一直想解决这个问题,只有征服这个问题才能给晶体管性能进一步提升的空间,否则的话器件工作一段时间后就必须休息,这是很影响效率和可靠性的终于在1954年蒂尔发明了硅晶体管,硅耐温高,能够在较高的温度下稳定工作,这一发明为晶体管的研究带来了希望肖克利在1945年就曾经提出过场效应晶体管的概念,即可以加一个强电场来起到控制半导体表面的电流的作用,由于当时普遍使用的是双极型晶体管,他这个想法从来没有付诸行动,也就是说场效应晶体管的器件从来没有实现制造过而在肖克利离开贝尔实验室之后,贝尔实验室才开始着手做出了第一个场效应晶体管1959年,贝尔实验室的科学家马丁阿塔拉发现了一个现象,通过热氧化硅表面通过热氧化可以形成一层很好的二氧化硅氧化层1960年,阿塔拉和实验室科学家大原研究了肖克利的的成效应管的概念他们在硅上制造了世界上第一个场效应晶体管,而且在参加匹兹堡固体物理器件研究会时宣布了这一消息1961年,美国无线电公司保罗魏玛通研究组过研究阿塔拉场效应管提出了他们对于开发薄膜晶体管的看法。

他们发现,如果将半导体材料蒸镀到绝缘层上来制造晶体管这个想法是能行得通的这项技术给集成电路的发展带来了生机,它可以使工程师在手指甲盖大小的基片上构筑上千个晶体管,并互联起来形成特定功能这项重要的发明促使美国无线电公司发明了另一样为集成电路贡献巨大的器件：金属氧化物半导体晶体管,即MOS管1962年美国无线电公司托马斯斯坦利、弗雷德里克海鳗和史蒂芬霍夫斯坦等人发现,通过扩散和热氧化在硅基板上形成导电带,氧化层,高阻沟道区来构筑晶体管,即MOS管可以形成良好性能的管子MOSFET

最后,MOSFET占用区域小、集成度高、功率低、制作工艺简单,非常适合于制造高密度大规模集成电路,MOSFET的发明对电子行业的发展贡献不可估量1.2 Silvaco TC。