Projektovanje i simulacija mikroelektronskih komponenatamikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/Vezbe_Silvaco-18_19.pdf · Projektovanje i simulacija mikroelektronskih komponenata

Projektovanje i simulacija mikroelektronskih komponenata

-VEŽBE-

asistent: Miloš Marjanović

Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektroniku

Dioda – tehnološki niz

• Definisanje mreže

• # je komentar, ne kompajlira se

go athena

line x loc=0.0 spacing=0.5


line x loc=5 spacing=0.5

line y loc=0.0 spacing=0.01

line y loc=5 spacing=0.5


• Definisanje supstrata

• Si, kristalna orijentacija: 100, dopiran fosforom ND=1015cm-3

init silicon <100> c.phosphorus=1e15 two.d


• Oksidacija Si

• 40min na 1100°C u ambijentu bogatom vodenom parom

• analiza: O2 „jede“ Si pri stvaranju SiO2

diffuse time=40 temp=1100 weto2

structure outfile=prvadif.str

tonyplot prvadif.str


• Nagrizanje oksida etch oxide start x=2 y=-5

etch continue x=2 y=1


etch done x=3 y=-5

structure outfile=nagr.str

tonyplot nagr.str


• Implantacija bora (p-tip) + odžarivanje (stvara se novi sloj SiO2)

• analiza: prikazati konture

implant gauss boron dose=5e14 energy=60 tilt=0

diffuse time=45 temp=1050 dryo2

structure outfile=implant.str

tonyplot implant.str


• Otvor za kontakt anode

etch oxide start x=2.2 y=-5

etch continue x=2.2 y=1


etch done x=2.8 y=-5

structure outfile=con1.str

tonyplot con1.str


• Depozicija Al (1µm) deposit aluminum thick=1 div=20

structure outfile=metal.str

tonyplot metal.str


• Uklanjanje viška Al etch aluminum p1.x=1.5 left

etch aluminum p1.x=3.5 right

structure outfile=alum1.str

tonyplot alum1.str


• Definisanje elektroda

electrode x=2.5 y=0 name=anode

electrode backside name=cathode

structure outfile=dioda_final.str

tonyplot dioda_final.str

quit


• Treća dimenzija (z) je 1µm

• Naredbe se izvršavaju red po red

• Duža difuzija, dublje prodiru primese, dublji pn spoj, veći probojni napon

• Brisanje izlaznog prozora: File/Clear Output Win

Simulacija električnih karakteristika diode

• ATLAS se koristi za simulaciju električnih karakteristika

• Struktura formirana u ATHENA-i se simulira u ATLAS-u

go atlas

contact name=anode

models bipolar temp=300

method newton

• Kontakt na koji dovodimo napon

• Bipolarni model – na struju utiču i elektroni i šupljine

• Temperatura spoja (K)

• Metod rešavanja jednačina

Simulacija električnih karakteristika diode

• solve - naredba za rešavanje numeričkih jednačina • init – traženje početnog rešenja • log – otvaranje *.log fajla u kome će biti upisani rezultati sledeće solve

naredbe, ne čuva početna rešenja • vanode – naponska pobuda, početna vrednost napona • vstep – korak promene napona • vfinal – krajnja vrednost napona • name=anode – kontakt na koji se dovodi napon • Pobuda može biti i strujna • Tekuća solve naredba uzima zadnje rešenje iz prethodne solve naredbe

solve init

log outfile=nasadioda.log

solve vanode=0 vstep=0.1 vfinal=1 name=anode

tonyplot nasadioda.log

quit

Analiza izlaznog fajla

Analiza izlaznog fajla

• Analiza: početno rešenje, broj iteracija, struje u (A/um), struje anode i katode iste

Prikaz i analiza rezultata simulacije

• desni klik: Display

• Zumiranje: kursorom miša

Simulacija karakteristike diode pri inverznoj polarizaciji

• Pomoćna solve naredba da bi se došlo do početnog rešenja

solve init

solve vanode=0 vstep=-0.25 vfinal=-10 name=anode

log outfile=nasadioda1.log

solve vanode=-10 vstep=0.1 vfinal=1 name=anode

tonyplot nasadioda1.log

Raspodela struje unutar komponente

• save naredba – čuva rešenja jednačina različitih parametara u svakom čvoru mreže

• *.str je strukturni fajl, *.log je fajl koji sadrži numerička rešenja jednačina

save outfile=nasadioda.str

tonyplot nasadioda.str

Raspodela struje unutar komponente

• Tonyplot – desni klik: Display, prikažemo Contours, kliknemo na dugme Define, izaberemo Contours, otvara se novi prozor Tonyplot: Contours

• Quantity: Total Current Density

• Struja se gomila u dve tačke – zbog kontaktne otpornosti diode

Raspodela potencijala unutar komponente

• Quantity: Potential

Simulacija proboja diode

• PROBOJ: dovođenjem napona inverzne polarizacije dolazi do povećanja širine osiromašene oblasti, odnosno lavinske multiplikacije nosilaca – nekontrolisanog povećanja struje usled velike kinetičke energije elektrona

• Uvodi se model proboja selb – Zelbeherov model proboja diode • Proboj se dešava odjednom, da bi se videlo koleno karakteristike

treba „usitniti“ korake pri rešavanju jednačina Njutonovim metodom podešavanjem parametra climit

go atlas

contact name=anode


impact selb

method newton climit=1e-4


• Da bi prikazali napon proboja potrebno je da simulacija bude od pozitivnih ka negativnim naponima na anodi

• Da bi ubrazali simulaciju iskoristićemo dve solve naredbe sa različitim korakom vstep

solve init


log outfile=nasadioda.log

solve vanode=1 vstep=-0.5 vfinal=-20 name=anode

solve vanode=-20 vstep=-0.25 vfinal=-40 name=anode


quit


• Rezultati simulacije pokazuju da je napon proboja projektovane diode veći od -40V

• Da bi se smanjio napon proboja treba povećati koncentraciju dopanata u supstratu, time će se dobiti plići pn spoj i manji napon proboja, menjamo u Athena-i:

• pokrenuti ponovo simulaciju...

c.phosphorus=1e18


• Deckbuild javlja grešku, kliknemo OK

• Analiziramo izlazni fajl: javlja se problem konvergencije, što znači da je došlo do proboja

Warning: Newton algorithm did not converge in 25 iterations.

Warning: Convergence problem. Taking smaller bias

step(s). Bias step reduced 4 times.

Warning: Newton algorithm did not converge in 25 iterations.

Warning: Bias step cut back more than 4

times. Cannot trap.


• Pokrenemo „ručno“ tonyplot i učitamo poslednji log fajl nasadioda.log: vidi se da je došlo do proboja (koleno karakteristike pri naponu -9.741V)


• Da bi prikazali raspodelu struje pri proboju treba napraviti i prikazati strukturni fajl, pri čemu postaviti napon vfinal blizu vrednosti proboja, kako bi podaci bili upisani u fajl

• Ukoliko ne izvršimo ove modifikacije, doći će do prekida programa zbog problema konvergencije i podaci neće biti upisani u fajl

...

solve vanode=1 vstep=-0.5 vfinal=-9.5 name=anode

save outfile=nasadioda.str


tonyplot nasadioda.str

quit


• Quanntity: e- Current Density

• Vidi se da je nagomilavanje elektrona (najveća gustina struje) u jednoj tački

Simulacija temperaturnih karakteristika diode

• Ponoviti simulacije iz II termina na različitim temperaturama, izbaciti naredbu za proboj

• Dati smislena imena log fajlovima: nasadioda_300.log, nasadioda_370.log, nasadioda_400.log

• Naredbu za pozivanje tonyplot-a komentarisati sa # kako se ne bi otvarao u svakoj simulaciji ...


....

log outfile=nasadioda_300.log


#tonyplot nasadioda_300.log

...


....




...


....




Simulacija temperaturnih karakteristika diode

• Pokrenuti „ručno“ tonyplot: File/Open, iz padajućeg menija Action izabrati Overlay Plot, prikazati tri .log fajla za različite temperature

• Zaključujemo da se sa povećanjem temperature smanjuje napon vođenja diode (dioda se može koristiti kao senzor temperature jer je VD=f(T) linearna zavisnost, s tim što je potreban precizan strujni izvor za napajanje diode)

MOS tranzistor – tehnološki niz

• Definisanje dimenzija i mreže strukture NMOS tranzisotra, zato je supstrat dopiran borom (p-supstrat)

• Napravićemo strukturu dve diode, druga polovina n+ oblasti je neaktivna, jer se „sve dešava“ u kanalu...

• Nakon definisanja supstrata deponujemo oksid, u praksi se vrši oksidacija na povišenoj temperaturi, debljinom oksidnog sloja određen je napon praga MOS tranzistora

go athena







init silicon <100> c.boron=1e15 two.d

deposit oxide thickness=0.01


• Napon praga podešava se dodatnom implantacijom bora kroz oksid

• Koristimo Pearson-ov model implantacije, energija implantacije je mala jer je potrebna plitka implantacija (dopiranje oblasti kanala)

implant pearson boron dose=3e12 energy=25 tilt=0


• Formiranje gejta nanošenjem polisilicijuma

deposit polysilicon thickness=0.2

etch polysilicon p1.x=0.5 left

etch polysilicon p1.x=1 right

etch oxide p1.x=0.5 left

etch oxide p1.x=1 right

• Kada su gejtovi pravljeni od metala, metelizacija se radila na kraju procesa. Danas je tehnologija samopodešavajuća, tako da se polySi koristi kao maska za formiranje oblasti sorsa i drejna, nakon što se otklone polySi i oksid van oblasti gejta


• Formiranje oblasti sorsa i drejna. Nakon implantacije neophodno je odžarivanje u inertnoj sredini kako ne bi bilo dodatnog rasta oksida.

implant gauss arsenic dose=1e15 energy=30 tilt=0

diffuse time=60 temp=1000 nitrogen


• Minimalne dimenzije tranzistora određene su tehnologijom

• Kritična dimenzija je dužina kanala tranzistora, da ne bi došlo do preklapanja sorsa i drejna usled lateralne difuzije (nekoliko desetina, do nekoliko nm)

• Korišćenjem Tools/Cutline (F2) analizirati profil primesa u kanalu, u sorsu, horizontalni presek strukture



• Depozicija aluminijuma za sors i drejn kontakte i otklanjanje viška aluminijuma

deposit aluminum thickness=0.1 dy=0.02

etch aluminum start x=0.3 y=-5





• Definisanje elektroda, čuvanje i prikaz strukture

electrode x=0.8 y=-0.1 name=gate

electrode x=0.2 y=-0.05 name=source

electrode x=1.4 y=-0.05 name=drain

electrode backside name=supstrate

structure outfile=mos.str

tonyplot mos.str

quit


• U praksi se često koristi HF oksid (εr=12) umesto SiO2 (εr=3.9). Kako je Milerova kapacitivnost C=εrεrS/d, dobija se veća kapacitivnost sa HF oksidom. Tanji oksidi (d=2nm) doprinose povećanju struje curenja, tranzistor se greje, zato je potrebno povećati debljinu oksida (d=10nm), kako se C ne bi promenilo, a da se curenje smanji.

Milerova kapacitivnost

Milerova kapacitivnost

G D

S

MOS tranzistor – električne karakteristike

Prenosna karakteristika: ID=f(VGS)

• VT – napon praga MOS tranzistora (minimalni napon koji je potrebno dovesti na gejt tranzistora da bi proveo)

• ZTC (Zero Temperature Coefficient): tranzistor treba da radi u ovoj radnoj tački kako struja ne bi zavisila od temperature

MOS tranzistor – električne karakteristike

Izlazne karakteristike: ID=f(VDS) • Izlazna otpornost tranzistora r=dVDS/dID

• Karakteristike treba da budu što „ravnije“ – za velike promene napona, struja treba da se vrlo malo menja, tako da r→∞. U tom slučaju, potrošač troši celokupnu struju, nema samozagrevanja

• Ako je dužina kanala mala, na karakteristikama se može uočiti nagib, r opada

• Da bi karakteristike bile što ravnije, širina kanala treba da bude što manja, a dužina kanala što veća

Simulacija prenosne karakteristike

• Model mos uključuje jednačine za pokretljivost nosilaca, generaciju i rekombinaciju nosilaca, uzima u obzir promenu pokretljivosti sa promenom napona na gejtu, ...

• Sa povećanjem napona na gejtu, opada pokretljivost – manje rastojanje između izlaznih karakteristika

• Napon na drejnu fiksiramo na 1V i izvršimo simulaciju pri promeni napona na gejtu od 0V – 3V...

go atlas

models mos temp=300

method newton

solve init

solve vdrain=0 vstep=0.2 vfinal=1 name=drain

log outfile=prenosna.log

solve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3 name=gate

tonyplot prenosna.log

quit


• Napon praga simuliranog tranzistora je VT=0.8V

• Napon praga odredili su debljina oksida i koncentracija primesa u supstratu u oblasti kanala. Sa povećanje koncentracije nosilaca u kanalu, povećava se napon praga MOS tranzistora

• Smanjićemo dozu implantacije bora za podešavanje napona praga 3 puta i ponoviti simulaciju. Sada je napon praga VT=0.5V


• Za simulaciju ZTC tačke, promenićemo parametar temp (300K, 380K, 450K) i „preklopiti“ simulirane karakteristike sačuvane u različitim fajlovima (File/Open, Action: Overlay)

• VZTC > VT

...

models mos temp=380

...

log outfile=prenosna_380.log

...

Simulacija izlaznih karakteristika

• Napon na gejtu fiksiramo na 1V i izvršimo simulaciju pri promeni napona na drejnu od 0V – 3V

• Ponovimo simulaciju za različite napone na gejtu (1V, 2V, 3V) i „preklopićemo“ simulirane karakteristike sačuvane u različitim fajlovima

...

models mos temp=300

...


log outfile=IV_1.log


Simulacija izlaznih karakteristika

• Za prikaz karakteristika - desni klik: Display, izaberemo za X Quantity: Drain Voltage

• Karakteristike imaju nagib, da bi se povećala izlazna otpornost tranzistora (smanjio nagib) treba povećati dužinu kanala (smanjiti dozu implantacije arsena)

Simulacija proboja MOS tranzistora • Sa povećanjem napona na drejnu, širi se prelazna oblast pn spoja, skraćuje

se kanal i nastupa proboj MOS tranzistora

• Koristimo Zelbeherov model proboja, sa uvođenjem koraka usitnjavanja intervala prilikom rešavanja jednačina Newton-ovim metodom

• Simulaciju ponavljamo za napon na gejtu (1-3)V, pa vršimo preklapanje dobijenih rezulata simulacije. Voditi računa da nazivi izlaznih fajlova budu različiti

go atlas

models mos temp=300

method newton climit=1e-4

impact selb

solve init


log outfile=proboj_1.log


tonyplot proboj_1.log

quit

• Očigledno je da je za veće napone na gejtu veći napon proboja jer je maksimalna vrednost električnog polja dublje u strukturi

Simulacija proboja MOS tranzistora

• Za prikaz raspodela polja unutar strukture potrebno je dodati save naredbu za čuvanje strukturnog fajla. Dobijeni presek biće za finalne napone na gejtu i drejnu, zadate u solve naredbi

• Prikaz mesta najveće generacije nosilaca: Tonyplot sa strukturom – desni klik/Display/Contours/Quantity: Impact Gen Rate

• Proboj u kanalu blizu oblasti drejna, neposredno ispod gejta


save outfile=proboj.str

tonyplot proboj.str

• Prikaz raspodele potencijala u preseku strukture: Tonyplot sa strukturom – desni klik/Display/Contours/Quantity: Potential

• Potencijal opada od drejna prema sorsu


• Prikaz raspodele gustine struje u preseku strukture: Tonyplot sa strukturom – desni klik/Display/Contours/Quantity: Total Current Density

• Range za skalu sa automatskog prebaciti na Fix: 5e5

• Vidi se da struja teče kroz kanal, kao i da pri proboju struja „curi“ ka masi tako da ID nije jednako IS.



• Punch-through efekat se javlja kada se oblast sorsa i drejna spoje usled širenja oblasti osiromašenja, tada tranzistor nema napon praga.

• POVEĆANJE NAPONA PROBOJA: smanjenjem dopiranja oblasti sorsa i drejna dobijaju se plići pn spojevi, tako da je kanal duži i manja je koncentracija nosilaca u ovim oblastima, što dovodi do povećanja napona proboja.

• S druge strane, smanjenje dopiranja utiče na povećanje parazitne kontaktne otpornosti od kraja kanala do metalnog kontakta za sors i drejn, tako da se smajuje struja drejna.

• U novim tehnologijama, dužina metalnog kontakta je veća (bliža gejtu) i dopiranje oblasti sorsa i drejna veće, tako da se ova parazitna otpornost smanjuje, pa i kola sa MOS brže rade jer je vreme porasta (0→1) i opadanja (1→0) određeno vremenskom konstantom τ=RkontaktnoCgejta.

Simulacija proboja MOS tranzistora • Promenićemo dozu implantacije (1e14) i simulirati probojnu

karakteristiku za VG=1V. Promeniti naziv izlaznog fajla.

implant gauss arsenic dose=1e14 energy=30 tilt=0

...


log outfile=proboj_1_novo.log


tonyplot proboj_1_novo.log

• Povećan napon proboja • Smanjena struja drejna

PMOS tranzistor

• Kada bismo u strukturi NMOS zamenili dopante dobili bismo strukturu PMOS tranzistora ali ne bi ispravno radio

• Bor dublje prodire od fosfora, pa treba podesiti energiju implantacije

• Kada se integriše CMOS, proces difuzija se odvija istovremeno na celoj pločici (sve implantirane primese difunduju), tako da se podešavanje konačnih dubina pn spojeva vrši podešavanjem parametara jonske implantacije. Implantacija je podesiva, preko maski moguće je dopirati svaki deo strukture pojedinačno.

PMOS tranzistor ...

init silicon <100> c.phos=1e15 two.d

...

implant pearson arsenic dose=3e12 energy=25 tilt=0

...

implant gauss boron dose=1e14 energy=10 tilt=0

...

solve vdrain=0 vstep=-0.05 vfinal=-3 name=drain

log outfile=pmos.log

solve vgate=0 vstep=-0.1 vfinal=-3 name=gate

tonyplot pmos.log

quit

PMOS tranzistor

Okretanje osa: desni klik/Annotation

Postoji struja i kada je napon na gejtu manji od napona praga zbog kratkog kanala

PMOS tranzistor – tehnološki niz

go athena








init silicon <100> c.phos=2e16 two.d

Formiranje silicijumskog supstrata dimenzija (2x2)μm dopiranog fosforom koncentracije 2·1016cm-3. Kristalografska orijentacija supstrata je (100). Mreža treba da bude gusta u oblasti kanala (između 0.3μm-1.6μm).

Definisanje supstrata


Oksidacija se vrši na temperaturi 900°C u trajanju od 17 minuta u ambijentu bogatom kiseonikom (dryo2).

Narastanje oksida gejta

implant phos dose=1.2e12 energy=25 pearson

Napon praga podešava se jonskom implatacijom fosfora doze 1.2·1012cm-2. Energija implantacije je 25keV. Koristiti Pearsonov model implantacije.

Podešavanje napona praga

deposit polysilicon thickness=0.25 div=3

etch polysilicon p1.x=0.35 left

etch polysilicon p1.x=1.65 right

Depozicijom naneti sloj polisilicijuma debljine 0.25μm. Parametar div je 3. Procesom ecovanja otkloniti višak polisilicijuma (levo od 0.35μm i desno od 1.65μm).

Formiranje gejta

PMOS tranzistor – tehnološki niz


Difuzija primesa izvodi se u trajanju od 5 minuta na temperaturi od 900°C u ambijentu bogatom vodenom parom (weto2)

Difuzija primesa

implant bf2 dose=1.5e15 energy=80 pearson

diffuse time=25 temp=1000 nitro

Izvršiti jonsku implantaciju BF2 doze 1.5·1015cm-2. Energija implantacije je 80keV. Koristiti Pearsonov model implantacije. Nakon toga sledi odžarivanje primesa u trajanju od 25 minuta na 1000°C u inertnoj sredini.

Formiranje sorsa i drejna

etch oxide p1.x=0.16 left

etch oxide p1.x=1.84 right

deposit aluminum thickness=0.1

etch aluminum start x=0.16 y=-5




electrode x=0.5 name=gate

electrode x=0 name=source

electrode x=2 name=drain

electrode backside name=supstrate

structure outfile=pmos.str

tonyplot pmos.str

Izvršiti nagrizanje oksida gde će biti kontakt sorsa (0<sors<0.16μm) i drejna (1.84μm<drejn<2μm). Sledi depozicija aluminijuma debljine 0.1μm, a zatim otklanjenje viška aluminijuma (između 0.16μm do 1.84μm). Definisati elektrode PMOS tranzistora, sačuvati i prikazati dobijenu strukturu

Formiranje kontakta

sors/drejn

PMOS tranzistor – simulacija prenosne karakteristike

go atlas

models mos

contact name=gate n.poly

solve init

Korišćenjem atlas simulatora odrediti prenosnu karakteristiku PMOS tranzistora, korišćenjem mos modela. Definisati kontakt i naći početno rešenje jednačina.

Definisanje simulacije

solve vdrain=0 vstep=-0.05 vfinal=-0.1 name=drain

log outfile=prenosna_pmos.log

solve vgate=0 vstep=-0.1 vfinal=-3 name=gate

tonyplot prenosna_pmos.log

quit

Prvo napon na drejn dovesti na -0.1V. Zatim se otvara novi log fajl u koji će biti upisani rezultati simulacije. Sledi rešavanje jednačina pri promeni napona na gejtu od 0 do -3V sa korakom -0.1V. Na kraju se prikazuju rezultati simulacije.

Simulacija prenosne

karakteristike

PMOS tranzistor – simulacija prenosne karakteristike

Bipolarni tranzistor – tehnološki niz

go athena

line x loc=0 spac=0.5



line y loc=0 spac=0.01

line y loc=5 spac=0.5

init silicon orientation=100 c.phos=3e16 two.d

Definisaćemo dimenzije komponente (12x5)μm sa određenom gustinom mreže. Formiraćemo silicijumski supstrat kristalografske orijentacije (100) dopiran fosforom, tako da se dobija supstrat n tipa. Supstrat predstavlja kolektor npn bipolarnog tranzistora.

Definisanje supstrata

deposit oxide thick=0.5 div=10

etch oxide start x=2 y=10


etch continue x=10 y=-10

etch done x=2 y=-10

Pre svega deponujemo sloj oksida debljine 0.5μm sa parametrom div=10. Oksidni sloj ne formiramo korišećenjem naredbe diffuse da bi smo skratili vreme simulacije. Nakon toga otklanjamo oksid između (2-10)μm jer će kroz ovaj otvor u oksidu biti izvršena implantacija bora da bi se formirala baza bipolarnog tranzistora. Dakle, ovaj oksidni sloj predstavlja masku u procesu formiranja baze.

Definisanje oksida kao maske u procesu

formiranja baze


implant boron dose=1e14 energy=60 tilt=0


Da bi smo dobili bazu bipolarnog tranzistora neophodna je implantacija bora, tako da se dobije oblast p tipa. U ovom slučaju implantiraćemo bor sa ukupnom dozom 1·1014cm-2 pri čemu će implatacija biti pod uglom od 0° u odnosu na normalu pločice. Energija implantacije je 60keV. Nakon toga sledi difuzija i odžarivanje implantiranih primesa u trajanju od 40 minuta na temperaturi od 1150°C u ambijentu bogatom vodenom parom.

Formiranje baze

Pre implantacije: Posle implantacije i difuzije: narastao sloj oksida





etch done x=5 y=-10

U prethodnom procesu kao nus-produkt narastao je okisd koga ćemo sada iskoristiti kao masku u procesu formiranja emitora bipolarnog tranzistora. Otvaramo oksid između (5-9)μm.

Definisanje maske u procesu

formiranja emitora

implant arsenic dose=1e15 energy=40 tilt=0


Da bi smo dobili emitor npn bipolarnog tranzistora neophodna je jonska implantacija petovalentne primese. U ovom slučaju implantiraćemo arsen jer ne prodire duboko, ukupne doze 1·1015cm-2 pod uglom 0° u odnosu na normalu pločice. Energija implantacije je 40keV. Sledi difuzija i odžarivanje implantiranih primesa u trajanju od 40 minuta, na temperaturi 1050°C u ambijentu bogatom kiseonikom.

Formiranje emitora


etch oxide start x=6.5 y=10


etch continue x=7.5 y=-10


Otklanjamo oksid između (6.5-7.5)μm gde će biti kontakt za emitor. Nije dozvoljeno kontaktiranje metalom iznad samog pn spoja, jer se na taj način kratkospajaju p i n oblasti. Kontakt treba da bude što dalje od pn spoja kako bi se smanjile struje curenja.

Otvaranje kontakata za

emitor u oksidu




etch done x=3 y=-10

Otklanjamo oksid između (3-4)μm gde će biti kontakt za bazu. U praksi se prave dva kontakta za bazu sa obe strane emitora kako bi se dobro raspodelila struja kroz strukturu.

Otvaranje kontakata za

bazu u oksidu

deposit aluminum thick=0.1 div=10 Nanosimo sloj aluminijuma debljine 0.1μm za kontakte preko cele površine pločice.

Depozicija aluminijuma

Bipolarni tranzistor – tehnološki niz etch aluminum start x=4 y=10


etch continue x=6.5 y=-10

etch done x=4 y=-10

etch aluminum p1.x=3 left

etch aluminum p1.x=7.5 right

Sledi otklanjanje viška aluminijuma kako bi metal ostao samo na mestima elektrode emitora i baze. U ovom slučaju ecuje se aluminijum između (4-6.5) μm, kao i levo od 3μm i desno od 7.5μm.

Ecovanje viška

aluminijuma

electrode x=3.5 name=base

electrode x=7 name=emitter

electrode backside name=collector

structure outfile=bjt.str

tonyplot bjt.str

quit

Na kraju definišemo elektrode. U ovom slučaju elektroda baze biće region određen koordiantom x=3.5, elektroda emitora biće region određen koordinatom x=7, dok će cela zadnja strana supstrata predstavljati elektrodu kolektora bipolarnog tranzistora. Ostaje još napraviti strukturni fajl bjt.str i prikazati dobijenu strukturu.

Formiranje elektroda i

prikaz finalne

strukture



Tools/Cutline: presečemo strukturu vertikalno u oblasti emitora (oko x=7) od vrha do dna supstrata i prikažemo raspodelu koncentracija u strukturi npn bipolarnog tranzistora. Zaključujemo da je koncentracija najveća u oblasti emitora (n+), manja u oblasti baze (p) i najmanja u oblasti kolektora (n).

Električne karakteristike bipolarnog tranzistora

Izlazna strujno naponska karakteristika Gummel-ova karakteristika • U potpragovskom režimu struja eksponencijalno raste dok se BE spoj ne polariše

direktno – struja curenja • * dolazi do saturacije struje • Odnos ovih karakteristika daje pojačanje tranzistora: β=IC/IB, što je veći razmak

između karakteristika veće je pojačanje

Električne karakteristike bipolarnog tranzistora

• Dobar tranzistor treba da ima pojačanje nazavisno od struje kolektora i što manju struju curenja.

• Pojačanje je manje zavisno (nezavisno) kod bipolarnih tranzistora snage jer imaju široku bazu, dok je kriva β=f(logIC) zvonasta kod tranzistora za male signale – nestabilno pojačanje. Ova karakteristika izvedena je iz Gummel-ove k-ke.

Simulacija električnih karakteristika bipolarnih tranzistora

go atlas

models bipolar temp=300 print

method newton

solve init

solve vcollector=0 vstep=0.1 vfinal=1 name=collector

log outfile=bjt.log

solve vbase=0 vstep=0.1 vfinal=1.2 name=base

tonyplot bjt.log

Uključićemo bipolarni model i simulirati rad tranzistora na sobnoj temperaturi. Naredbom print u izlaznom prozoru štampaju se parametri simulacije. Za rešavanje jednačina koristi se Njutnov metod. Nakon početnog rešenja, napon na kolektoru postavlja se na 1V, otvara se log fajl i vrši snimanje karakteristike pri promeni baznog napona od 0 – 1.2V sa korakom 0.1V. Na kraju se prikazuje karakteristika.

Simulacija električnih

karakteristika


Desni klik/ Display

Gummel-ova karakteristika

Desni klik/ Display



Baza formiranog tranzistora je široka, dolazi do velike rekombinacije nosilaca pa se javlja velika struja curenja u potpragovskom režimu (pik)


go atlas


method newton

solve init


log outfile=bjt_0.6.log


tonyplot bjt_0.6.log

Nakon početnog rešenja, napon na bazi se dovodi do 0.6V, otvara se fajl pod novim nazivom i napon na kolektoru se menja od 0 – 3V sa korakom 0.05V. Ponavljamo simulaciju za napon na bazi 0.7V, 0.8V, 0.9V i 1V i preklapamo rezultate simulacije.

Simulacija izlaznih strujno

naponskih karakteristika


• Legenda se pomera kursorom, pri čemu se drži SHIFT taster

• Desni klik/Diplay: X-Quantity – Collector Voltage • File/Open – Action: Overlay Plot, selektujemo karakteristike i otvorimo ih • Desni klik/Annotation – x axis: Specify Min: 0; y axis: Specify Min: 0


• Da bi se povećalo pojačanje tranzistora potrebno je suziti bazu, tj. proširiti oblast emitora. U procesom koraku formiranja baze, smanjićemo dozu i energiju implantacije kao i vreme i temperaturu odžarivanja primesa:

• Ponoviti simulaciju i uporediti zavisnost pojačanja od struje kolektora




go atlas


method newton

solve init


log outfile=bjt.log


save outfile=bjt_str.str

tonyplot bjt_str.str

quit

Dovešćemo napona na kolektoru (1V) i napon na bazi (0.8V) kako bi bipolarni tranzistor radio u normalnoj aktivnoj oblasti. Kreiramo strukturni fajl i prikazujemo ga kako bi smo analizirali raspodelu struja i napona u strukturi bipolarnog tranzistora.

Simulacija električnih

karakteristika


Desni klik, Display: biramo Contours i Junctions. Klikom na dugme Define biramo opciju Contours i postavljamo Quantity: Total Current Density

U ovoj oblasti je pojačana injekcija nosilaca zbog kontaktne otpornosti baze, tako da će se u ovoj oblasti tranzistor grejati. Prave se tranzistori sa dva kontakta za bazu da bi se struja ravnomerno raspodelila.


Kada bi se kontakt za emitor izdelio na više delova, preko iste baze, jedan od tranzisotra bi se više zagrevao (zavisno od raspodele primesa), povukao bi veću struju (T↗, β↗) i pregoreo, celokupna struja bi se raspodelila kroz ostale tranzistore koji ne bi mogli da je podnesu i pregorela bi cela komponenta.

Quantity: h+ Current Density → struja koja protiče kroz bazu bipolarnog tranzistora


Quantity: e- Current Density → najveća gustina struje u emitoru

• Napon na kolektoru: 1V • Napon na emitoru: 0.2V • Napon na bazi: 0.6V, a ne 0.8V zbog

unutrašnjeg potencijala pn spoja • Osiromašena oblast B-C nije široka


Ponoviti simulaciju za napon na kolektoru 15V (korak 0.5V) i uporediti raspodelu potencijala

1V 15V

Širi se osiromašena oblast B-C na stranu kolektora jer je ova oblast manje dopirana.


Posmatraćemo raspodelu električnog polja kada je napon na kolektoru 15V (Fix: 1e5)

Uočava se da je električno polje koncentrisano između kolektora i baze (105V/cm) u tzv. kvazi – neutralnoj oblasti


• Kod bipolarnih tranzistora struja mnogo zavisi od temperature. Kako je bipolarni tranzistor sastavljen od dva pn spoja, dobro je poznato da je struja pn spoja eksponencijalno zavisna od temperature.

• Nedostatak bipolarnog tranzistora u poređenju sa MOS je i to što nema ZTC tačku. • Menjati temperaturu u modelu: 300K, 360K, 390K, 425K. Ponoviti simulaciju pri čemu

voditi računa o nazivu log fajlova. Naći rešenja za VC=1.2, VB=1V. Preklopiti dobijene karakteristike: IC=f(VBE), logIC=f(VBE) i β=f(logIC).

T↗ IC↗ Nema ZTC


• Sa povećanjem temperature, raste pojačanje • Za velike vrednosti kolektorske struje, pojačanje opada i ne zavisi od temperature: u

emitoru velika koncentracija nosilaca usled povećane temperature, veća od koncentracije donorskih primesa u emitoru; tada tranzistor ne radi kao pojačavač, greje se, pa ga u takvim uslovima ne treba koristiti.

* Prikazan rezultat kada je smanjiena doza i energija implantacije kao i vreme i temperaturu odžarivanja primesa u procesu formiranja baze sa ciljem povećanja pojačanja

IGBT – tehnološki niz

• IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor – komponenta snage: kombinacija MOS tranzistora u ulaznom stepenu i pnp bipolarnog tranzistora na izlazu.

• Naponom kontrolisana komponenta (napon na gejtu) - nema struje gejta, time se smanjuje disipacija, što je prednost u odnosu na bipolarni tranzistor snage.

• MOS tranzistor uključuje bipolarni tranzistor koji daje veliku struju. Struja teče od kolektora ka emitoru.

• Simetrična komponenta – u simulaciji radimo jednu polovinu strukture – time se štedi na vremenu. G

C

E

G

C

E


• Formiramo p+ supstrat i epitaksijalni n- sloj u kome će kada IGBT radi doći do širenja osiromašene oblasti, tako da se dobija veliki probojni napon. Epitaksijalni sloj formiramo iz dva podsloja sa različitom gustinom mreže – time skraćujemo vreme simulacije.

go athena

line x loc=0 spac=1

line x loc= 25 spac=1

line y loc=0 spac=5

line y loc=30 spac=5

init silicon orientation=100 c.boron=1e19 two.d

deposit silicon thick=50 div=30 c.phos=1.5e14

deposit silicon thick=10 dy=0.25 ydy=0 div=30 c.phos=1.5e14

• dy - razmaci po y-osi, ydy – da ugušćavanje mreže krene „odozgo“


Gušća mreža

Ređa mreža

p- supstrat

n- epitaksijalna oblast

Široka epi oblast, ovde će se širiti osiromašena oblast, veliki probojni napon


• Nanosimo sloj oksida koji će služiti kao maska u procesu formiranja kolektora bipolarnog tranzistora, tj. bulka MOS strukture, otvaramo „prozor“ za implantaciju primesa bora, nakon implantacije sledi difuzija- odžarivanje primesa:

deposit oxide thick=2 div=20




p oblast: kolektor BJT strukture i balk MOS strukture

IGBT – tehnološki niz • Nanosimo sloj oksida koji će služiti kao maska u procesu formiranja sorsa

MOS strukture, otvaramo prozor i vršimo implantaciju arsena, nakon čega sledi difuzija primesa:

deposit oxide thick=1 div=20

etch oxide start x=12.5 y=75




implant arsenic dose=2e15 energy=40 tilt=0


n- epitaksijalna oblast

p oblast

n oblast


• Formiranje okisda gejta i gejta MOS strukture. Prvo otklanjamo oksid koji je služio kao maska i formiramo novi sloj oksida gejta MOS strukture u IGBT-u. Nakon toga sledi nanošenje polySi i ecovanje viška polySi i okisda.

etch oxide p1.x=13 left

deposit oxide thick=0.08 dy=0.02 div=20

deposit poly thick=1 div=20

etch poly p1.x=13 right


poly Si gejt oksid gejta

n oblast: drejn

p oblast: balk

n oblast: sors


• Nanošenje aluminijuma za formiranje kontakta za emitor IGBT-a, definisanje elektroda, čuvanje strukturnog fajla i prikaz strukture.

deposit aluminum thick=2 div=20

etch aluminum p1.x=15 left

electrode x=1 name=gate

electrode x=23 name=emitter

electrode backside name=collector

structure outfile=igbt.str

tonyplot igbt.str

quit


drejn

gejt

sors

Ovde se vrši akumulacija nosilaca – smanjuje se otpornost oblasti

p n

n

Ovde se vrši inverzija – formira se kanal


p

n

p

BJT emitor

baza

BJT kolektor

Emituju se šupljine iz emitora, u epitaksijalnoj n oblasti se stvaraju elektroni da kompenzuju šupljine, što dodatno smanjuje otpornost ove oblasti. Šupljine bivaju zahvaćene u bazi i prebačene u kolektor. Smer struje poklapa se sa smerom kretanja šupljina. Dakle, dovođenjem napona na gejt i usled polarizacije CE protiče struja od kolektora ka emitoru.

G

C

E

G

C

E


Smer kretanja elektrona

Dovođenjem napona na gejt, uključuje se NMOS struktura, koja dalje uključuje PNP bipolarni tranzistor, struja tog bipolarnog tranzistora je izlazna struja IGBT-a

IGBT – električne karakteristike

• Izlazne karakteristike IGBT-a

IGBT – električne karakteristike go atlas

contact num=1 n.poly

models mos bipolar

method newton trap

solve init

solve vgate=0.1 vstep=0.1 nstep=9 name=gate


solve vgate=5.0 outfile=VG5.str master


solve vgate=10.0 outfile=VG10.str master

• n.poly u naredbi contact definiše da je materijal elektrode n+ polisilicijum • Parametar trap u naredbi method znači da ako rešenje počne da divergira, dolazi

do smanjenja napajanja na elektrodi, u cilju rešenja problema konvergencije • Napon na gejtu menja se kroz solve naredbu (definisana startna vrednost, korak i

broj koraka), nakon rešenja za napon na gejtu 5V i 10V, strukutra se čuva u posebnim *.str fajlovima.

• Parametar master u solve naredbi označava format strukturnog fajla

IGBT – električne karakteristike log outfile=5V.log master

load inf=VG5.str master

solve vcollector=0.1 vstep=0.1 vfinal=0.9 name=collector


log outfile=10V.log master

load inf=VG10.str master



tonyplot -overlay 5V.log 10V.log

quit

• Otvara se *.log fajl u koji će biti upisani rezultati, učitava se strukturni fajl sa primenjenom polarizacijom gejta od 5V, sledi rešavanje jednačina pri promeni napona na kolektoru od 0.1V – 20V. Ista procedura se ponavlja za napon na gejtu od 10V. Na kraju se pomoću tonyplota prikazuju rezultati simulacije.


• Desni klik: Display/X Quantity: Collector Voltage


go atlas

contact num=1 n.poly

models mos bipolar

method newton trap

solve init

solve vcollector=0 vstep=0.1 vfinal=9.9 name=collector

solve vcollector=10.0 outfile=VCE10.str master

log outfile=IGBT.log master

load inf=VCE10.str master

solve vgate=0.1 vstep=0.1 vfinal=5 name=gate

tonyplot IGBT.log

quit

• Prenosna karakteristika IGBT-a


• Prenosna karakteristika IGBT-a

Documents

Projektovanje i simulacija mikroelektronskih komponenatamikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/Vezbe_Silvaco-18_19.pdf · Projektovanje i simulacija mikroelektronskih komponenata