集成电路器件与工艺CAD第五讲

集成电路器件与工艺CAD第五讲北京大学深圳研究生院林信南本讲目的•通过实例来学习研究方法、手段和技巧–首先弄清问题是什么(defineproblem)–将问题提炼清楚：要解决什么，需要弄清什么–探究问题的物理机制(studyproblem)–猜想-实验(模拟或实测)-肯定或否定-下一猜想–提出解决方案并验证–以上过程中，需要持续不断的讨论、沟通研究实例Metal？•研究实例：•单位A:研究所，牵头单位；单位B:代工厂•单位C:大学请同学们思考如何设计2天的工作以回答下面的问题A向C提出以下问题：•Standby的P+N反向电流达到选中P+N电流的的10%以上•Why?模拟错误还是实际会发生？•是BJT么？那如果N+换成Metal会有BJT么？C的思考历程1•C直觉上感觉是模拟错误，因少子会在N+区迅速被复合，询问A得知间距为0.15um，N+浓度1e20•C询问是否PN结反向击穿，得知N+为3V左右，反向击穿电压高于8V，否定反向击穿•C猜想漏电流应为过剩空穴，但怀疑模拟用的少子寿命模型有问题，实际反向漏电可能没有这么大，但值得进一步研究•C设计实验：改变间距和衬底N+浓度，若漏电流为过剩少子电流则与距离和浓度有关（少子复合）Metal？A的模拟和问题2-1•得到C简单回答后，A做了以下模拟并向C提问–在P+N-和P+N+上加3V正向偏压后，为什么电子空穴浓度都在PN交接处达到最高–为什么两边的少子浓度都如此之高，为什么case2比case1中少子浓度大很多？case2case1A的模拟和问题2-2•A又针对反向漏电中少子的流动轨迹做了追踪–为什么在1区域（N-与N+的边界处）的空穴浓度会突变？–为什么在2区域（P+与N-的边界处）的空穴浓度会突变？–为什么在3区域（P+区域）的空穴浓度会逐渐升高？–为什么区域4中的空穴下降速率比5区域中的速率慢？C的思考历程2-1•A2-1是大注入情况，所以少子浓度高不奇怪–猜想:超过0.7V后，结上电压基本不再增加，大部分电压加在P区和N区内造成载流子在PN结处积累–猜想:由于case2电子浓度增大，结处积累的电子及被电场扫入P区的电子浓度也增大，电中性条件下空穴浓度也增大，因此被电场扫入N区空穴浓度大于case1case2case10.00.20.40.60.81E111E121E131E141E151E161E171E181E191E201E21YAxisTitleXAxisTitleEden3VHden3VEden2VHden2VEden1VHden1VEden0p5VHden0p5VC的模拟验证2-1•分别加上0.5V，1V，2V，3V的电压–观察:0.5V时,模拟与经典PN结小注入理论吻合；–观察:1V时,N耗尽层明显变薄，多子、少子浓度都在结边缘达到峰值，随远离结而递减；–观察：2V,3V时,电子在P区的浓度甚至超过了电子在N-区的浓度,说明为了满足电中性条件有少子电子产生NPN区掺杂1e17，P区掺杂1e20C的思考历程2-2•A2-2是P1大注入，n接地，P2反偏漏电的情况–猜想1:由于电场不同，导致载流子定向速度不同，由电流连续性，载流子必然在速度慢的地方积累–猜想4，5:4处少子空穴浓度下降是被复合，而5处则是由于少子空穴处在耗尽的N-区，被电场迅速加速C的模拟验证2-2•.B的流片与测试结果•由于A为牵头单位，所以前面的交流仅限于A与B，或A与C，基于各方对模拟可信度的怀疑，A没有继续展开深入研究，由B直接进行流片•B经测试发现二极管阵列中,非选中diode漏电很大•基于流片成本、时间与项目进度的紧迫性，B要求A务必短期内找出漏电物理机制以帮助解决问题•A模拟结果与B测试趋势不符，向C询问哪里出错C的思考历程3-1•C模拟结果与A基本一致，猜测与实际不符可能是载流子寿命与实际不符，认为在大注入下载流子浓度高，俄歇复合决定载流子寿命•但加入俄歇复合模型进行模拟后，模拟漏电流变化趋势仍与实际不符•由于长时间无法给出与实际相符的模拟，B开始不信任A的模拟，A、B要求C给出能够准确模拟实际器件的模拟模型，并根据实际数据校准，以此指导解决漏电及其他工艺问题•C查阅了模拟器所用的复合速率公式以及各种文献，发现俄歇复合模拟已很成熟,不应与实际有大差别C的探索性模拟3-1•根据B的工艺，A进行了工艺模拟+器件模拟，但C内存不够，只能自己画出近似结构进行模拟•根据工艺模拟，STI不够导致N+上有一层N-cp1~cp16,选中的PN结为cp8间距：distance=0.21um掺杂：1、PN结：P+=1e20cm-3,N-=1e17cm-32、衬底：N-=1e17cm-3,N+=1e20cm-3N+N-尺寸：1、PN结：hp=0.2um,hn=0.43um2、衬底：hn-=0.2um,hn+=0.4umCnplus2Cnplus1Cp16Cp15Cp14Cp13Cp12Cp11Cp10Cp9Cp8Cp7Cp6Cp5Cp4Cp3Cp2Cp1C的探索性模拟3-2•在不改变尺寸及参数条件下，选中cp8加上4V电压，其余管子接0VIcp7/Icp8=11.14%Icp6/Icp7=14.76%Icp5/Icp6=12.73%模拟漏电流基本按10%规律递减而实测数据显示按1/2规律递减究竟哪里出了问题？I(A)4V3.1V1.9VCp81.035e-38.649e-45.153e-4Cp71.153e-49.933e-56.696e-5Cp61.697e-51.526e-51.088e-5Cp52.159e-62.105e-61.657e-6C的探索性模拟3-3•在改变衬底中N-层浓度，其余条件不变•模拟结果显示漏电流基本以1/10规律递减，但…•观察…(有什么值得注意的吗？)N-(cm-3)cp8(A)cp7(A)cp6(A)cp5(A)cnplus1(A)cnplus2(A)0.7e170.999e-31.13e-41.715e-52.427e-63.656e-43.688e-41.0e171.035e-31.15e-41.697e-52.160e-63.815e-43.850e-41.3e171.059e-31.172e-41.694e-51.990e-63.918e-43.955e-41e181.129e-31.225e-41.186e-55.789e-74.276e-44.322e-41e191.076e-30.9518e-42.218e-64.157e-84.384e-44.432e-44e190.997e-30.5303e-44.045e-75.412e-94.426e-44.475e-47e190.957e-30.3188e-41.343e-71.534e-94.442e-44.492e-41e200.935e-30.1978e-55.109e-85.220e-104.451e-44.503e-4C的思考历程4-1•研究宝典1:遇到极值或交叉点,应仔细考虑其意义why?N-(cm-3)cp8(A)cp7(A)cp6(A)cp5(A)cnplus1(A)cnplus2(A)0.7e170.999e-31.13e-41.715e-52.427e-63.656e-43.688e-41.0e171.035e-31.15e-41.697e-52.160e-63.815e-43.850e-41.3e171.059e-31.172e-41.694e-51.990e-63.918e-43.955e-41e181.129e-31.225e-41.186e-55.789e-74.276e-44.322e-41e191.076e-30.9518e-42.218e-64.157e-84.384e-44.432e-44e190.997e-30.5303e-44.045e-75.412e-94.426e-44.475e-47e190.957e-30.3188e-41.343e-71.534e-94.442e-44.492e-41e200.935e-30.1978e-55.109e-85.220e-104.451e-44.503e-4C的思考历程4-2•研究宝典2:请注意一个物理量的各个组成部分•由此得到:随N-浓度增加，cp6～cp1漏电流减小(空穴电流)，电子电流增加，但cp7与cp8类似N-(cm-3)cp8(A)cp7(A)cp6(A)cp5(A)cnplus1(A)cnplus2(A)0.7e170.999e-31.13e-41.715e-52.427e-63.656e-43.688e-41.0e171.035e-31.15e-41.697e-52.160e-63.815e-43.850e-41.3e171.059e-31.172e-41.694e-51.990e-63.918e-43.955e-41e181.129e-31.225e-41.186e-55.789e-74.276e-44.322e-41e191.076e-30.9518e-42.218e-64.157e-84.384e-44.432e-44e190.997e-30.5303e-44.045e-75.412e-94.426e-44.475e-47e190.957e-30.3188e-41.343e-71.534e-94.442e-44.492e-41e200.935e-30.1978e-55.109e-85.220e-104.451e-44.503e-4C的思考历程4-3•既然有：随N-浓度增加，cp7,9以外的漏电流(空穴电流)减小，电子电流增加–猜测1：cp8电流为其余所有电极电流之和，其中两个Cnplus主要靠电子传输电流，其余靠过剩空穴传输电流(漏电流)–猜测2：电子电流主要流经N+层，空穴电流主要流经N-层，(原因是N+复合率高，大量空穴电流在N+层转变为电子电流）因此N+层厚度变得很薄时会影响总电阻从而影响电流，把N-层变为N+可减小漏电流(增大复合）N+N-Cnplus2Cnplus1Cp16Cp15Cp14Cp13Cp12Cp11Cp10Cp9Cp8Cp7Cp6Cp5Cp4Cp3Cp2Cp1C的探索性模拟4-1•上图：电子与空穴电流分布(N-=1e17cm-3)•下图：电子与空穴电流分布(N-=1e20cm-3)•C的猜想被验证了电子电流分布空穴电流分布N-=1e17cm-3N-=1e17cm-3N-=1e20cm-3N-=1e20cm-3C的探索性模拟4-2•不同N+层厚度下漏电流的变化（0.1um～2um）•模拟显示：N+厚度较大时，不会对电流造成严重影响，而在0.5um以下时，漏电流将上升漏电流值漏电流比率B的问题•B问:–根据C前面的模拟，N-区从1e17变化到1e19时主漏电流变化都不大(该模拟结果见下图)是否表明俄歇复合不占据主导地位–如果俄歇复合不占据主导地位,那么是那种复合主导？俄歇复合在什么情况下会占据主导地位？1E171E181E191E201E-91E-81E-71E-61E-51E-41E-3Current(A)ConcentrationofN-(cm-3)cp8cp7cp6cp5衬底N-区浓度C的回答1陷阱中心复合=SRHrecombination; 俄歇复合=Auger recombinationC的回答2衬底N‐层浓度为1e17时SRH与Auger的复合率比较左图为Auger复合速率，右图为SRH两条数据线分别截于Y=0.4和Y=0.5；Y=0.4对应衬底N+层，y=0.5对应衬底N‐层从图中可以看出，在N+区，Auger复合占主导地位，而在我们最关心的N‐层(该层少子浓度决定漏电)，在选中管子处Auger复合占据主导但Auger复合率随着过剩空穴浓度下降而下降的速度远超SRH复合，因此在两边第一个主漏电diode处(cp7与cp9)，SRH复合已经高于Auger复合，该路程的复合由Auger与SRH复合共同决定。而自第二个漏电diode(cp6与cp10)及其以外，