实验报告4MOSFET工艺器件仿真Word格式.docx
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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
（1）在N沟道MOSFET中，当栅极电压为零时，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VGS<
VT时，ID=0。
当VGS>
VT时，漏集电流ID>
0。
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ID。
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VGS>
VT时才有IDS>
0。
图3为增强型NMOSFET的转移特性曲线。
图中转折点位置处的VGS（th）值为闻值电压。
3.MOSFET的输出特性
MOSFET输出特性是当VGS>
VT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。
（1）当VDS>
0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。
（2）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。
（3）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。
（4）当VDS>
VDSal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。
（5）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迅速上升。
如图5中CD
段所示，该区为击穿区。
4.影响阈值电压的因素
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⑤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MOSFET工艺流程，运用Athene工艺仿真软件设计器件，设计目标参数；
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NMOS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
MOS管，
在
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，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。
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=0.0spac=0.1linexloc=0.2spac=0.006linexloc=0.4spac=0.006linexloc=0.6spac=0.01#定义Y方向网格lineyloc=0.0spac=0.002lineyloc=0.2spac=0.005lineyloc=0.5spac=0.05lineyloc=0.8spac=0.15
#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
#
#pwellformationincludingmaskingoffofthenwell
#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=3
#刻蚀掉厚度为0.02um的氧化物薄膜etchoxidethick=0.02
#P-wellImplant
#对表面进行B离子注入，离子剂量为8e12，能量为100KeV
implantborondose=8e12energy=100pears
#对表面进行湿氧处理，温度为950度，时间为100分钟diffustemp=950time=100weto2hcl=3
#N-wellimplantnotshown-
#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
#welldrivestartshere
diffustime=50temp=1000t.rate=4.000dryo2press=0.10hcl=3
#在1200温度下的氮气进行220分钟的扩散后退火diffustime=220temp=1200nitropress=1
#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etchoxideall
#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%#sacrificial"
cleaning"
oxide
diffustime=20temp=1000dryo2press=1hcl=3
#在925度和一个大气压条件下进行11分钟干氧扩散，氯酸气体含量为3%#gateoxidegrownhere:
-
diffustime=11temp=925dryo2press=1.00hcl=3
#提取参数（gateox栅氧化层厚度）
#Extractadesignparameter
extractname="
gateox"
thicknessoxidemat.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）#vtadjustimplant
implantborondose=9.5e11energy=10pearson
#用division参数设置淀积厚度为0.2um的多晶硅depopolythick=0.2divi=10
#fromnowonthesituationis2-D
#蚀掉左边不要的多晶硅，长度为0.35um，高为0.2umetchpolyleftp1.x=0.35
#method语句用以分别调用fermi扩散模型和compress氧化模型methodfermicompress
diffusetime=3temp=900weto2press=1.0
#表面进行磷注入，浓度为3.0e13,能量为20kevimplantphosphordose=3.0e13energy=20pearson
depooxidethick=0.120divisions=8
#干蚀法蚀掉厚度为0.12um的氧化层薄膜etchoxidedrythick=0.120
#AS离子注入，浓度为5.0e15，离子能量为50KeVimplantarsenicdose=5.0e15energy=50pearson
#在氮气条件下900度进行一分钟扩散methodfermicompress
diffusetime=1temp=900nitropress=1.0
#刻蚀左边的氧化物，长度为
0.2um
#patterns/dcontactmetal
etchoxideleftp1.x=0.2
depositaluminthick=0.03divi=2etchaluminrightp1.x=0.18
#Extractdesignparameters
#提取参数
#提取参数结深nxj
#extractfinalS/DXj
nxj"
xjsiliconmat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1
#提取方块电阻
#extracttheN++regionssheetresistance
n++sheetrho"
sheet.resmaterial="
Silicon"
mat.occno=1x.val=0.05region.occno=1
#extractthesheetrhounderthespacer,oftheLDDregion
lddsheetrho"
\mat.occno=1x.val=0.3region.occno=1
#extractthesurfaceconcunderthechannel.
chansurfconc"
surf.concimpurity="
NetDoping"
\material="
mat.occno=1x.val=0.45
#extractacurveofconductanceversusbias.extractstartmaterial="
Polysilicon"
mat.occno=1\
bias=0.0bias.step=0.2bias.stop=2x.val=0.45
extractdonename="
sheetcondvbias"
\
curve（bias,1dn.conductmaterial="
mat.occno=1region.occno=1）\outfile="
extract.dat"
#提取长沟道阈值电压
#extractthelongchanVt
n1dvt"
1dvtntypevb=0.0qss=1e10x.val=0.49#镜像语句，器件左右对称
structuremirrorright
structureoutfile=mos1ex01_0.str
#plotthestructure
tonyplotmos1ex010.str-setmos1ex010.set
#############VtTest:
ReturnsVt,BetaandTheta################goatlas
#设置模型
#setmaterialmodelsmodelscvtsrhprint#设置接触类型contactname=gaten.polyinterfaceqf=3e10#牛顿算法
methodnewtonsolveinit
#求解初始化
#Biasthedrain
solvevdrain=0.1
#对漏极曲线追踪
#Rampthegate
logoutf=mos1ex01_1.logmaster
solvevgate=0vstep=0.25vfinal=3.0name=gate
saveoutf=mos1ex01_1.str
保存输出文件绘画出文件
#plotresults
tonyplotmos1ex01_1.log-setmos1ex01_1_log.set
#提取阈值电压参数
#extractdeviceparameters
nvt"
（xintercept（maxslope（curve（abs（v."
gate"
）,abs（i."
drain"
））））\
-abs（ave（v."
））/2.0）
nbeta"
slope（maxslope（curve（abs（v."
*（1.0/abs（ave（v."
）））
ntheta"
（（max（abs（v."
））*$"
）/max（abs（i."
）））\
-（1.0/（max（abs（v."
））-（$"
）））quit
（二）对比分析
（1）改变衬底掺杂浓度
表3-1改变衬底掺杂浓度的实验结果图
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（Ω）
栅氧化层浓度
（μm）
9e10
0.216853
0.353586
28.6833
100.433
9e12
0.553618
0.631426
28.8934
100.181
9e13
1.353970
1.280100
28.4957
100.329
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
methodfermicompress
表3-3改变退火时间的实验结果图
表3-4改变退火时间的实验数据
时间
1
0.502406
0.590885
29.8178
100.165
2
0.511077
0.601869
29.2412
3
0.534723
0.614873
28.8825
（3）改变调整阈值电压时离子注入的浓度implantborondose=9.5e11energy=10pearson表3-5改变衬底阈值电压的实验结果图
由图表可知，其他条件不变，改变工艺退火的时间，器件结构和杂质分布都会发生变化，栅氧化层厚度不变，阈值电压值随着退火的时间升高而升高，从转移特性曲线和表可知长沟道阈值电压值也随着升高，方块电阻变小然后变大。
表3-6改变衬底阈值电压的实验数据
浓度
9.5e11
0.5347230
0.6148730
10e11
0.549037
0.629251
28.8828
9.5e12
2.16324
1.86911
28.9261
由图表可知，其他条件不变，改变调整阈值电压时离子注入的浓度，随着注入离子的浓度升高，
栅氧化层厚度不变，阈值电压值也增加，从特性转移曲线看到长沟道阈值电压值也随着注入离子浓度的
升高而升高。
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