次微米金氧半元件熱電子效應的二維流體動力模擬與模式

Abstract

隨著金氧半元件的縮小至次微米，衍生的熱載子效應，對於目前超大型積體電路的 設計益顯得重要。其中基片電流和閘極電流乃為探討熱載子行為，及分析元件可靠 性的重要指標之一。傳統模擬方法多採用以熱平衡為假設基準的漂移擴散法來求解 ，它將撞擊離化率(impact ionization rate)表示成區域電場的函數，這和實際次 微米元件非熱平衡的載子傳輸現象不相符合。 本論文發展出一套可供次微米金氧半電晶體準確計算基片電流的整合性熱載子模擬 系統，本系統含有製程模擬(SUPREMIV)及元件模擬器(MINIMOS 4.2) ，它係建立在 現有0.8μm CMOS 製程並經實驗值校正。元件模擬器中於傳統的漂移擴散法外，加 入了能量守恆方程式於現有的二維元件模擬器(MINIMOS 4.1) ，解出元件內部的能 量分佈及基於非熱平衡假設下修正了幸運電子模式(lucky electron model)，用來 準確評估撞擊離化率，並將其結合以建立起研究熱電子效應的二維流體動力模式。 在二維流體動力模式下，我們採用了一種簡單且有效率的方法經由能量影射以獲得 二維等效電場，進而求得撞擊離化率和基片電流。模擬結果顯示了傳統的漂移擴散 法在高閘極電壓下往往高估了基片電流，而流體動力模式則能正確預估熱載子行為 ，計算出和量測值符合的汲極電流和基片電流。 本熱載子分析及模擬系統，除深具有學術研究外亦具有相當的工業應用價值，對於 次微米元件的設計實為一不可或缺的工具。