JP2807246B2 - Simulation method of semiconductor device - Google Patents

Simulation method of semiconductor device

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JP2807246B2
JP2807246B2 JP622189A JP622189A JP2807246B2 JP 2807246 B2 JP2807246 B2 JP 2807246B2 JP 622189 A JP622189 A JP 622189A JP 622189 A JP622189 A JP 622189A JP 2807246 B2 JP2807246 B2 JP 2807246B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、半導体素子の耐圧等を数値計算により評価
するための、浮いた電位の拡散層を含む素子内部の電位
分布を求めるシミュレーション方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial application field) The present invention relates to a potential distribution inside a device including a floating potential diffusion layer for evaluating a withstand voltage and the like of a semiconductor device by numerical calculation. A simulation method for determining

(従来の技術) 半導体素子の耐圧は、素子の電位分布が与えられれ
ば、イオン化積分法等を用いて計算することができる。
従来、浮いた電位の拡散層を持つ素子の電位分布は次の
二つの方法で求められていた。
(Related Art) The breakdown voltage of a semiconductor device can be calculated by using an ionization integration method or the like, given the potential distribution of the device.
Conventionally, the potential distribution of an element having a floating potential diffusion layer has been obtained by the following two methods.

第1の方法は、半導体の基本方程式をニュートン法を
用いて解く方法である。この方法では、浮いた電位の拡
散層に仮想的な電極を置き、この電極を通して流れる電
流が零になるようにその電極の電位を決定することによ
り、求める電位分布を得る。半導体の基本方程式とは、
次のようなものである。
The first method is a method of solving a basic equation of a semiconductor using Newton's method. In this method, a virtual electrode is placed on a floating layer having a floating potential, and the potential of the electrode is determined so that the current flowing through the electrode becomes zero, thereby obtaining a desired potential distribution. The basic equation of a semiconductor is
It looks like this:

ここで、qは素電荷、pは正孔密度、nは電子密度、
ψは電位、Dpは正孔の拡散定数、Dnは電子の拡散定数、
μpは正孔の移動度、μnは電子の移動度、Ndはドナー
不純物濃度、Naはアクセプタ不純物濃度、εは半導体の
誘電率、Gpは単位時間当りの正孔の発生率、Gnは同じく
電子の発生率、Upは単位時間当りの正孔の消滅率、Unは
同じく電子の消滅率、 は正孔の電流密度ベクトル、 は電子の電流密度ベクトルである。
Where q is the elementary charge, p is the hole density, n is the electron density,
ψ is the potential, Dp is the diffusion constant of holes, Dn is the diffusion constant of electrons,
μp is the hole mobility, μn is the electron mobility, Nd is the donor impurity concentration, Na is the acceptor impurity concentration, ε is the dielectric constant of the semiconductor, Gp is the hole generation rate per unit time, and Gn is the same electron. Up is the hole annihilation rate per unit time, Un is the electron annihilation rate, Is the hole current density vector, Is the electron current density vector.

しかしこの第1の方法では、ニュートン反復1回当た
りの計算量が多い上、収束性もポアソンの方程式を解く
場合に比べて悪く、仮想的に与えた電極電位の予測が困
難であるためこれを試行錯誤で求めなければならず、結
果的にコンピュータのCPU時間が長くなるという問題が
あった。複数の浮いた電位の層がある半導体素子の計算
では、これらの問題が更に顕著になり、実際上この方法
で電位分布を求めることは不可能になる。また浮いた電
位の層が仮想的な電極付近まで空乏化する場合には、計
算上では仮想的な電極付近では空乏化が起こらないこと
になっているので実際とは異なった値を出すことにあ
る。たとえこの問題が回避できたとしても、収束性が著
しく悪くなる。
However, in the first method, the amount of calculation per Newton iteration is large, and the convergence is worse than when Poisson's equation is solved, and it is difficult to predict a virtually given electrode potential. There is a problem that the CPU time of the computer becomes longer as a result of having to find it by trial and error. In the calculation of a semiconductor device having a plurality of layers of floating potentials, these problems become more remarkable, and it is practically impossible to obtain the potential distribution by this method. If the floating potential layer is depleted near the virtual electrode, a different value from the actual value is calculated because the calculation indicates that depletion does not occur near the virtual electrode. is there. Even if this problem could be avoided, the convergence would be significantly worse.

第2の方法は、ポアソンの方程式のみを解いて電位分
布を求めるもので、例えばM.S.Adlerなどによって提案
されている(M.S.Adier et al“Theory and Breakdown
Voltage for Planear Device with a Single Field−Li
miting Ring"IEEE Trans.ED−24,No.2,pp107(1977)参
照)。この方法では、浮いた層での多数キャリアの擬フ
ェルミ電位を次のように与える。即ち浮いた電位の層が
p型の場合は、正孔の擬フェルミ電位φpを浮いた電位
の層の半導体内の境界での電位の最小値と一致するよう
に、浮いた電位の層がn型の場合は、電子の擬フェルミ
電位φnを浮いた電位の層の境界での電位の最大値と一
致するように、それぞれ与える。この方法は第1の方法
に比べると簡便であるが、浮いた層がある程度以上空乏
化する場合、あるいは空乏層が広がることによって浮い
た電位の層ができる場合等には、実際の擬フェルミ電位
と前述の最大値あるいは最小値が大きく掛離れてしま
い、不都合が生じる。
The second method is to solve only Poisson's equation to obtain a potential distribution, and is proposed by, for example, MSAdler (MSAdier et al “Theory and Breakdown”).
Voltage for Planear Device with a Single Field-Li
In this method, the pseudo-Fermi potential of the majority carrier in the floating layer is given as follows: That is, the layer having the floating potential is given by the following formula: "mitting Ring" IEEE Trans. ED-24, No. 2, pp 107 (1977). In the case of the p-type, the pseudo-Fermi potential φp of the hole is equal to the minimum value of the potential at the boundary in the semiconductor of the layer of the floating potential. The pseudo-Fermi potential φn is given so as to coincide with the maximum value of the potential of the floating potential at the boundary between the layers.This method is simpler than the first method, but the floating layer is depleted to some extent. In such a case, or when a layer having a floating potential is formed due to the expansion of the depletion layer, the actual pseudo-Fermi potential greatly deviates from the above-described maximum value or minimum value, causing inconvenience.

第11図は、その様な不都合が生じる場合の例を示して
いる。図に示すのは、高耐圧プレーナダイオードの要部
構造とその逆バイアス時のシリコン層表面の電位分布で
ある。高抵抗のn-型シリコン層1の表面にアノード層と
してp+型層2、p-型層3が形成され、これにアノード電
極5がコンタクトしている。n-型層1の裏面にはn+型層
を介してカソード電極6が形成されている。アノード層
の周囲には所定距離おいてガードリングとして用いられ
る浮いた電位のp-型層4が形成されている。このダイオ
ードに大きい逆バイアスがかけられた時の耐圧を評価す
るには、浮いた電位のp-型層4の電位を求めることが必
要である。いまp型領域が斜線で示す中性領域7,8を残
して空乏化したとする。このとき、p-型層4の中性領域
8の擬フェルミ電位はφp0であるが、上述した第2の方
法によれば、p-型層4の境界上で電位が最小になる点9
の電位φp1を擬フェルミ電位として求めることになる。
FIG. 11 shows an example in which such an inconvenience occurs. The figure shows the main structure of the high breakdown voltage planar diode and the potential distribution on the surface of the silicon layer at the time of reverse bias. A p + -type layer 2 and a p -- type layer 3 are formed as an anode layer on the surface of a high-resistance n -type silicon layer 1, and an anode electrode 5 is in contact with this. A cathode electrode 6 is formed on the back surface of the n type layer 1 via an n + type layer. Around the anode layer, a floating potential p - type layer 4 used as a guard ring is formed at a predetermined distance. In order to evaluate the breakdown voltage when a large reverse bias is applied to this diode, it is necessary to obtain the floating potential of the p -type layer 4. Now, it is assumed that the p-type region is depleted except for the neutral regions 7 and 8 shown by oblique lines. At this time, the quasi-Fermi potential of the neutral region 8 of the p -type layer 4 is φp0, but according to the above-described second method, the point 9 where the potential is minimized on the boundary of the p -type layer 4
Is obtained as a pseudo-Fermi potential.

(発明が解決しようとする課題) 以上のように従来の半導体素子のシミュレーション法
では、浮いた電位の層の擬フェルミ電位を求めることは
容易ではなく、特に浮いた電位の層が空乏化する場合に
は正確な電位分布を求めることができない、という問題
があった。
(Problems to be Solved by the Invention) As described above, it is not easy to obtain the pseudo-Fermi potential of a layer having a floating potential in the conventional method of simulating a semiconductor device, particularly when the layer having a floating potential is depleted. Has a problem that an accurate potential distribution cannot be obtained.

本発明はこの様な点に鑑みなされたもので、浮いた電
位の拡散層の擬フェルミ電位をポアソンの方程式のみを
用いて簡便にかつ正確に求めることを可能としたシミュ
レーション方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such a point, and provides a simulation method that can easily and accurately obtain the pseudo-Fermi potential of a floating diffusion layer using only Poisson's equation. Aim.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明の方法は、浮いた電位の拡散層を含む半導体素
子の電位分布を求めるに際し、電流の式や連続の式を用
いず、電位分布の鞍点またはこれに準ずる特徴点と浮い
た電位の関係式をポアソンの方程式と連立させて解くこ
とにより、浮いた電位の層の擬フェルミ電位および電位
分布を求める。
[Constitution of the Invention] (Means for Solving the Problems) In the method of the present invention, the potential distribution of a semiconductor element including a floating layer of a floating potential is determined without using a current equation or a continuous equation. The pseudo-Fermi potential and the potential distribution of the layer of the floating potential are determined by simultaneously solving the relational expression between the saddle point or a feature point equivalent thereto and the floating potential with Poisson's equation.

より具体的には、浮いた電位の拡散層の擬フェルミ電
位の試行値φfを与えてポアソンの方程式を解き、求ま
った電位分布から電位分布の鞍点またはこれに準ずる特
徴点の電位ψを求め、この電位ψと試行値φfとが
所定の関係式を満たすか否かを判定し、所定の関係を満
たさない場合には試行値φfを修正して再度ポアソンの
方程式を解く、という過程を前記所定の関係を満たすま
で反復的に行う。
More specifically, the trial value φf of the pseudo-Fermi potential of the floating layer of the floating potential is given to solve the Poisson equation, and the potential のM of the saddle point of the potential distribution or a feature point equivalent thereto is obtained from the obtained potential distribution. , this potential [psi M and trial value φf it is determined whether a predetermined relationship equation, solving the equation again Poisson correct the trial value φf if not satisfy the predetermined relationship, the process is called The process is repeatedly performed until the predetermined relationship is satisfied.

(作用) 本発明によれば、電流の式や連続の式を用いず、ポア
ソンの方程式のみを解くので、ニュートン反復1回当り
の計算量が少なく、収束性が改善される。また浮いた電
位の層の擬フェルミ電位が自動的に求まるので、試行回
数が少なく、計算時間も大きく短縮される。複数の浮い
た層がある半導体素子の電位分布計算も可能である。ま
た浮いた電位の層が空乏化する場合にも、収束性の悪化
を招くことはなく正確な電位分布を求めることができ
る。
(Operation) According to the present invention, only Poisson's equation is solved without using the equation of current or the equation of continuity. Therefore, the amount of calculation per Newton iteration is small, and the convergence is improved. In addition, since the pseudo-Fermi potential of the floating potential layer is automatically obtained, the number of trials is small, and the calculation time is greatly reduced. Calculation of the potential distribution of a semiconductor element having a plurality of floating layers is also possible. In addition, even when the floating potential layer is depleted, an accurate potential distribution can be obtained without deteriorating the convergence.

(実施例) 以下、本発明の詳細を説明する。(Example) Hereinafter, the details of the present invention will be described.

一般に半導体素子の内部電位分布ψは、次のポアソン
の方程式(1)を解くことにより得られる。
Generally, the internal potential distribution ψ of a semiconductor element is obtained by solving the following Poisson's equation (1).

div(ε・gradψ)=−q(p−n+Nd−Na) …(1) 正孔密度p、電子密度nは、対応する擬フェルミ電位
φp,φnを用いてそれぞれ次式(2),(3)で与えら
れる。
div (ε · gradψ) = − q (pn + Nd−Na) (1) The hole density p and the electron density n are calculated by using the corresponding pseudo-Fermi potentials φp and φn in the following equations (2) and (3), respectively. ).

p=ni・exp[q(φp−ψ)/kT] …(2) n=ni・exp[q(ψ−φn)/kT] …(3) ここで、niは真性半導体のキャリア密度であり、kは
ボルツマン定数である。
p = ni · exp [q (φ−φ) / kT] (2) n = ni · exp [q (φ−φn) / kT] (3) where ni is the carrier density of the intrinsic semiconductor. , K are Boltzmann's constants.

一般に半導体素子のpn接合に逆バイアスがかけられて
いる場合には、擬フェルミ電位φp,φnを領域中一定と
みなし、それぞれ多数キャリア側の電極電位でその値を
与えて、(1),(2)および(3)式を解き、素子内
部の電位分布を求めることができる。しかし、浮いた電
位の拡散層がある場合には、そこでの擬フェルミ電位は
固定されないので、この方法はそのまま用いることはで
きない。そこで本発明では、浮いた電位の層がある場合
のその浮いた層の多数キャリアの擬フェルミ電位を電位
分布の様子から決定する次のような手法を用いる。
In general, when a reverse bias is applied to the pn junction of a semiconductor element, the pseudo-Fermi potentials φp and φn are regarded as constant in the region, and the values are given by the majority carrier side electrode potential, respectively, to obtain (1), ( By solving the equations (2) and (3), the potential distribution inside the element can be obtained. However, if there is a floating layer having a floating potential, the pseudo-Fermi potential there is not fixed, so this method cannot be used as it is. Therefore, in the present invention, the following method is used for determining the quasi-Fermi potential of majority carriers in a floating layer when the layer has a floating potential from the state of the potential distribution.

説明の便宜のため、浮いた層がp型拡散層である場合
として、第2図の素子モデルを考える。即ち、n型半導
体層11の表面にp型層12が形成され、このp型層12には
電極13が設けられ、n型半導体層11の裏面にも電極14が
設けられている。n型半導体層11の内部に電極に接続さ
れないp型層15が埋設されている。電極13を接地電位と
し、電極14にVRを与えてp型層12とn型層11の間に逆バ
イアスがかけられているとする。浮いたp型層15を除く
領域の擬フェルミ電位は少数キャリアを無視することに
より次のように与えられる。
For convenience of explanation, the element model shown in FIG. 2 is considered assuming that the floating layer is a p-type diffusion layer. That is, the p-type layer 12 is formed on the surface of the n-type semiconductor layer 11, the electrode 13 is provided on the p-type layer 12, and the electrode 14 is also provided on the back surface of the n-type semiconductor layer 11. A p-type layer 15 that is not connected to an electrode is buried inside the n-type semiconductor layer 11. The electrode 13 and the ground potential, and a reverse bias between the p-type layer 12 and the n-type layer 11 gives V R to the electrode 14 is applied. The quasi-Fermi potential in the region other than the floating p-type layer 15 is given as follows by ignoring minority carriers.

φp=VR (n型層11の領域) φn=0 (p型層12の領域) p型層15内での電位は固定されないが、ここでも擬フ
ェルミ電位φpは一定と見なし、これをφfで表わす。
この擬フェルミ電位φfを決定するには、次の二つの場
合分けが必要である。
.phi.p = V R potential at (n-type layer region of 11) φn = 0 (region of the p-type layer 12) p-type layer within 15 is not fixed, again quasi-Fermi potential .phi.p considers constant, .phi.f this Expressed by
In order to determine the pseudo-Fermi potential φf, the following two cases are required.

(I)p型層12とn型層11間のpn接合による空乏層と、
p型層15とn型層11間のpn接合による空乏層が互いに干
渉しない場合。
(I) a depletion layer formed by a pn junction between the p-type layer 12 and the n-type layer 11,
When the depletion layers formed by the pn junction between the p-type layer 15 and the n-type layer 11 do not interfere with each other.

(II)p型層12とn型層11間のpn接合による空乏層と、
p型層15とn型層11間のpn接合による空乏層が互いに干
渉する場合。
(II) a depletion layer formed by a pn junction between the p-type layer 12 and the n-type layer 11,
When the depletion layers due to the pn junction between the p-type layer 15 and the n-type layer 11 interfere with each other.

(I)のときには、φf=VR …(4) (II)のときには、φfは電位分布ψの鞍点またはそ
れに準ずる特徴点の電位の値と一致する。
When (I) is, when φf = V R ... (4) (II) is .phi.f is consistent with the value of potential feature points equivalent to saddle point or a potential distribution [psi.

(I)の場合は、p型層15の電位がn型層11の電位と
一致するのであるから、問題ない。(II)の場合の擬フ
ェルミ電位φfの設定の仕方について以下に詳しく説明
する。
In the case of (I), there is no problem because the potential of the p-type layer 15 matches the potential of the n-type layer 11. How to set the pseudo Fermi potential φf in the case of (II) will be described in detail below.

一般にpn接合では、逆方向の電流は殆ど零であり、順
方向は僅かなバイアスで大きな電流が流れる。第2図の
素子モデルにおいて、p型層12とn型層11間に逆バイア
スが印加された時の耐圧を考え、浮いた電位のp型層15
がガードリングとして働いてこのp型層15とn型層11間
のpn接合に電流が流れ始める瞬間を考えると、このpn接
合の殆どは逆バイアスであってある一点が順バイアスに
なる。この順バイアスとなっている点をFとし、第3図
に示すようにこの点Fを通る(正孔)電流の曲線ABを想
定する。このとき曲線AB上の電位分布は、第4図のよう
になる。曲線AB上で電位ψが極大になる点をMとし、そ
の極大値をψとすると、順バイアス電流が流れる始め
る境界条件は、p型層15の擬フェルミ電位φpがφp=
ψとなる。この関係を本発明ではより一般化して、次
の関係式を導入する。
Generally, in a pn junction, the reverse current is almost zero, and a large current flows in the forward direction with a slight bias. In the device model of FIG. 2, considering the withstand voltage when a reverse bias is applied between the p-type layer 12 and the n-type layer 11, the p-type layer 15 having a floating potential is considered.
Considering the moment when a current starts to flow through the pn junction between the p-type layer 15 and the n-type layer 11 by acting as a guard ring, most of the pn junction is reverse-biased and one point is forward-biased. This forward biased point is defined as F, and a curve AB of (hole) current passing through this point F is assumed as shown in FIG. At this time, the potential distribution on the curve AB is as shown in FIG. Assuming that the point on the curve AB where the potential ψ becomes maximum is M and the maximum value is MM , the boundary condition at which the forward bias current starts to flow is that the pseudo Fermi potential φp of the p-type layer 15 is φp =
It becomes M. In the present invention, this relation is generalized, and the following relational expression is introduced.

φf=ψ+α …(5) ここでαは補正項であり、通常0とする。φf = ψ M + α (5) Here, α is a correction term and is usually set to 0.

この様な関係式(5)を導入して、耐圧計算に当たっ
てはφfの試行値を与えながら関係式(5)を満たすよ
うに、ポアソンの方程式を反復的に解く。
Introducing such a relational expression (5), when calculating the withstand voltage, iteratively solving Poisson's equation so as to satisfy the relational expression (5) while giving a trial value of φf.

ここまでは、p型層15とn型層11間のpn接合のうち一
点で順バイアスになり、その点を含む電流曲線ABを考え
たが、そこでの電位分布の極大値を示す特徴点Mは次の
ような条件により設定される。即ち一般の素子モデルで
は、上述のように順方向電流が流れ始める場所(曲線A
B)が分っているとは限らない。そこで、次の条件
(a)または(b)により電位分布の特徴点Mを定義
し、そこでの極大値電位ψを与える。
Up to this point, one point of the pn junction between the p-type layer 15 and the n-type layer 11 has a forward bias, and the current curve AB including that point has been considered. The characteristic point M indicating the maximum value of the potential distribution there is considered. Is set according to the following conditions. That is, in the general element model, the place where the forward current starts to flow as described above (curve A
B) is not always known. Therefore, the characteristic point M of the potential distribution is defined by the following condition (a) or (b), and the maximum value potential MM thereat is given.

(a)電位分布の鞍点がある場合には、これを特徴点M
とする。例えば第2図の素子モデルでは、逆バイアス時
の第2図の面内での電位分布は第5図のように表わされ
る。p型層15とn型層11間に順方向電流が流れ始める場
所は、第5図の電位分布の鞍点Mとなっている。
(A) If there is a saddle point in the potential distribution,
And For example, in the element model of FIG. 2, the potential distribution in the plane of FIG. 2 at the time of reverse bias is represented as shown in FIG. The place where the forward current starts flowing between the p-type layer 15 and the n-type layer 11 is the saddle point M in the potential distribution in FIG.

(b)浮いた電位の層が半導体領域の境界上にある場合
には、その境界上にあって次の条件を満たす点を特徴点
Mとする。
(B) When the layer of the floating potential is on the boundary of the semiconductor region, a point on the boundary that satisfies the following condition is defined as the feature point M.

∂ψ/∂n<0,∂ψ/∂σ =0,∂ψ/∂σ<0 但し、∂/∂nは、境界の外向き法線方向微分を、∂
/∂σおよび∂2/∂σはそれぞれ境界の接線方向の1
階および2階微分を表す。これは例えば、第2図の素子
モデルにおいてp型層15がp型層12と並んでn型層表面
(即ちSi/SiO2界面)にある場合であり、そのときの電
位分布は第5図に対して第6図にように表わされるか
ら、(a)の鞍点に準ずる点はn型層の境界上にあって
上記式を満たす点Mということになる。
∂ψ / ∂n <0, ∂ψ / ∂σ = 0, ∂ 2 ψ / ∂σ 2 <0 where, ∂ / ∂n is an outward normal derivative of the boundary, ∂
/ ∂σ and ∂ 2 / ∂σ 2 are 1 in the tangential direction of the boundary.
Represents the first and second derivatives. This is, for example, the case where the p-type layer 15 is located on the surface of the n-type layer (that is, the Si / SiO 2 interface) along with the p-type layer 12 in the device model of FIG. 2 , and the potential distribution at that time is shown in FIG. Therefore, the point corresponding to the saddle point in (a) is a point M on the boundary of the n-type layer and satisfying the above equation.

実際の数値計算に当たっては、上述の(I),(II)
の場合のそれぞれの条件式(4),(5)をまとめて、
次の関係式(6)を用いる。
In actual numerical calculations, the above (I) and (II)
The conditional expressions (4) and (5) in the case of
The following relational expression (6) is used.

φf=min (ψ+α,VR) …(6) この関係式(6)と前述のポアソンの方程式(1)
(2)および(3)を連立させて解くことにより、浮い
た電位の層の電位φfが求まる。具体的には、第1図に
示すように素子パラメータと共にまず浮いた層の擬フェ
ルミ電位φfの試行値を与えてポアソンの方程式(1)
(2)および(3)を解き、これにより求まった電位分
布から鞍点位置またはこれに準ずる特徴点位置の電位ψ
を求める。与えられた試行値φfと求まった電位ψ
とが前述の関係式(6)を満たすか否かを収束判定の条
件とする。φfがmin(ψ+α,VR)より大きい場合に
は、φfを下方修正し、逆に小さい場合は上方修正して
新たなφfの試行値を与え、再度ポアソンの方程式を解
く、という過程を関係式(6)が満たされるまで反復的
に行う。
φf = min (ψ M + α , V R) ... (6) the aforementioned Poisson equation this equation (6) (1)
By simultaneously solving (2) and (3), the potential φf of the floating potential layer is obtained. Specifically, as shown in FIG. 1, a trial value of the pseudo-Fermi potential φf of the floating layer is first given together with the device parameters, and Poisson's equation (1)
(2) and (3) are solved, and the potential ψ at the saddle point position or a characteristic point position equivalent thereto is obtained from the potential distribution obtained by this.
Find M. Given trial value φf and determined potential ψ M
Whether or not satisfies the above-mentioned relational expression (6) is set as a condition for convergence determination. .phi.f is min (ψ M + α, V R) is greater than the revised downward .phi.f, if small reversed revised given trial value of the new .phi.f, solving the equation again Poisson process is called Is repeatedly performed until the relational expression (6) is satisfied.

以上では、浮いた電位のp型層pfが空乏化しないと仮
定して説明したが、空乏化する場合でも電位φfが定義
される範囲を、p型層pfのうちキャリア密度がni以上の
領域とすることにより、同様に計算することができる。
In the above description, it is assumed that the floating potential of the p-type layer pf is not depleted. However, even in the case of depletion, the range in which the potential φf is defined is defined as the region of the p-type layer pf where the carrier density is ni or more. By doing so, the calculation can be similarly performed.

本発明の方法が従来法(第1の方法)と比較して精度
的に問題ないことを、いくつか素子構造に対して適用し
た場合について以下に説明する。従来法では、仮想的な
電極まで空乏層が広がる可能性あるものは、電極での境
界条件を擬フェルミ電位で与えている。即ち、半導体領
域中ではポアソンの方程式と連続の式を解き、仮想的な
電極上では、φn,φpを電極電位VFで与えてポアソンの
方程式と次の2本の式 p=ni・exp[q(VF−ψ)/kT] n=ni・exp[q(ψ−VF)/kT] を解くようにした。これにより、本来存在しない電極で
の境界条件が、その回りのキャリア密度を制限するのを
防ぐことができる。
The fact that the method of the present invention has no problem in accuracy as compared with the conventional method (first method) will be described below in the case where it is applied to some element structures. In the conventional method, in the case where the depletion layer may extend to the virtual electrode, the boundary condition at the electrode is given by the pseudo Fermi potential. In other words, solving the equation of the continuous and Poisson's equation is in the semiconductor region, virtual on electrodes, .phi.n, expression of two of Poisson given in electrode potential V F equations and the following φp p = ni · exp [ q (V F −ψ) / kT] n = ni · exp [q (ψ−V F ) / kT]. Thereby, it is possible to prevent a boundary condition at an electrode which does not exist originally from limiting the carrier density around the electrode.

比較を行った素子モデルは4種であり、その結果を以
下に示す。
Four types of element models were compared, and the results are shown below.

一般的なカードリング構造のプレーナダイオードの
場合。計算結果を第7図(a)に示し、素子構造と素子
パラメータを第7図(b)に示す。
For a planar diode with a general card ring structure. The calculation results are shown in FIG. 7 (a), and the element structure and element parameters are shown in FIG. 7 (b).

ガードリングであるp型層15の不純物濃度がより
低い場合。計算結果を第8図(a)に示し、その素子構
造と素子パラメータを第8図(b)に示す。
The case where the impurity concentration of the p-type layer 15 as the guard ring is lower. The calculation results are shown in FIG. 8 (a), and the device structure and device parameters are shown in FIG. 8 (b).

耐圧が1000V程度の高耐圧プレーナダイオードの場
合。計算結果を第9図(a)に示し、その素子構造と素
子パラメータを第9図(b)に示す。
For a high voltage planar diode with a withstand voltage of about 1000V. The calculation results are shown in FIG. 9 (a), and the device structure and device parameters are shown in FIG. 9 (b).

以上の〜におけるガードリング層であるp型層
15が、n型層11内に埋設された状態(第2図のモデ
ル)、即ち浮いた電位のp型層15からの順方向電流がど
こを流れるか分らない場合。計算結果を第10図(a)に
示し、その素子構造と素子パラメータを第10図(b)に
示す。
P-type layer which is a guard ring layer in the above
15 is buried in the n-type layer 11 (the model in FIG. 2), that is, where it is not known where the forward current from the p-type layer 15 of the floating potential flows. The calculation results are shown in FIG. 10 (a), and the device structure and device parameters are shown in FIG. 10 (b).

以上の計算結果から明らかなように、本発明の方法に
よる結果は従来の第1の方法による場合とほぼ同じであ
り、従って高い精度で電位が求まる。そして本発明の方
法では、ニュートン反復1回当りの計算量は従来法に比
べて1/3〜1/9であり、収束性も大きく改善される。また
浮いた電位の層の擬フェルミ電位で自動的に決定される
ので、試行回数は少なくて済み、結果として計算時間が
大きく減少する。本発明によれば、複数の浮いた層を有
する素子の計算も可能である。また浮いた電位の層が空
乏化する場合や空乏層が拡がることにより浮いた電位の
層ができる場合も本発明を適用することができ、従来の
第2の方法による場合の不都合も解決される。
As is clear from the above calculation results, the results obtained by the method of the present invention are almost the same as those obtained by the first conventional method, and thus the potential can be obtained with high accuracy. In the method of the present invention, the amount of calculation per Newton iteration is 1/3 to 1/9 as compared with the conventional method, and the convergence is greatly improved. In addition, since it is automatically determined by the pseudo-Fermi potential of the layer of the floating potential, the number of trials is small, and as a result, the calculation time is greatly reduced. According to the present invention, it is possible to calculate an element having a plurality of floating layers. The present invention can also be applied to a case where a layer having a floating potential is depleted or a layer having a floating potential is formed due to expansion of a depletion layer, and the inconvenience of the second conventional method can be solved. .

[発明の効果] 以上述べたように本発明によれば、新しい関係式を導
入してこれとポアソンの方程式を連立させて解くことに
より、浮いた電位の拡散層を持つ半導体素子のその拡散
層電位を、それが空乏化する場合であっても簡便にかつ
正確に数値計算により求めることができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a new relational expression is introduced and a Poisson equation is simultaneously solved to solve the relational expression, whereby the diffusion layer of a semiconductor element having a floating potential diffusion layer is obtained. The potential can be easily and accurately obtained by numerical calculation even when the potential is depleted.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明による数値計算の基本的なアルゴリズム
を示す図、第2図は本発明の実施例を説明するための素
子構造を示す図、第3図はその電位分布を求めるための
順方向電流に沿う曲線を示す図、第4図はその曲線上の
電位分布を示す図、第5図はその曲線上の電位分布の極
大値を示す点が半導体領域内の電位分布の鞍点になって
いる電位分布例を示す図、第6図は同じく極大値を示す
点が半導体領域境界にある電位分布例を示す図、第7図
(a)(b)はある素子構造に対する具体的な計算結果
とその素子構造を示す図、第8図(a)(b)は他の素
子構造に対する計算結果とその素子構造を示す図、第9
図(a)(b)は更に他の素子構造に対する計算結果と
その素子構造を示す図、第10図(a)(b)は更に他の
素子構造に対する計算結果とその素子構造を示す図、第
11図は従来法による問題点を説明するための図である。 11……n型層、12……p型層、13,14……電極、15……
電位の浮いたp型層。
FIG. 1 is a diagram showing a basic algorithm of numerical calculation according to the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an element structure for explaining an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing a curve along the directional current, FIG. 4 is a diagram showing a potential distribution on the curve, and FIG. 5 is a point showing a maximum value of the potential distribution on the curve is a saddle point of the potential distribution in the semiconductor region. FIG. 6 is a diagram showing an example of a potential distribution, and FIG. 6 is a diagram showing an example of a potential distribution in which a point showing a maximum value is at the boundary of the semiconductor region. FIGS. 7 (a) and 7 (b) show specific calculations for a certain element structure. FIGS. 8 (a) and 8 (b) are diagrams showing results and their element structures, and FIGS.
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing calculation results for still another element structure and their element structures, and FIGS. 10A and 10B are diagrams showing calculation results for still another element structure and their element structures. No.
FIG. 11 is a diagram for explaining a problem with the conventional method. 11 ... n-type layer, 12 ... p-type layer, 13, 14 ... electrode, 15 ...
P-type layer with floating potential.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】浮いた電位の拡散層を含む半導体素子内部
の電位分布を求めるに際し、前記拡散層が構成するpn接
合の順バイアス電流に沿った電位分布の極大値ψと前
記拡散層の擬フェルミ電位φとの関係式φ=ψ
α(但し、αは補正項)を導入し、前記φの試行値を
与えながら前記関係式を満たすようにポアソンの方程式
を反復的に解くことを特徴とする半導体素子のシミュレ
ーション方法。
When determining a potential distribution inside a semiconductor device including a floating layer having a floating potential, a maximum value ψ M of a potential distribution along a forward bias current of a pn junction formed by the diffusion layer and a maximum value of the diffusion layer. Relational expression φ f = ψ M + with pseudo-Fermi potential φ f
alpha (where, alpha is the correction term) was introduced, the simulation method of a semiconductor device characterized by solving the Poisson's equation to satisfy the relational expression while giving trial value of the phi f iteratively.
【請求項2】浮いた電位の拡散層を含む半導体素子内部
の電位分布を求めるに際し、前記拡散層の擬フェルミ電
位の試行値φを与えてポアソンの方程式を解き、求ま
った電位分布から電位分布の鞍点位置M、または前記拡
散層が境界領域上にある場合にはその境界上にあって∂
ψ/∂n<0、∂ψ/∂σ=0、∂ψ/∂σ<0
(但し、∂/∂nは境界の外向き法線方向微分を、∂/
∂σおよび∂2/∂σはそれぞれ境界の接線方向の1階
および2階微分を表す)を満たす特徴点Mの電位ψ
求め、求まった電位ψと前記試行値φとが関係式φ
=min(ψ+α,VR)(但し、αは補正項、VRは前記
素子にかけられた逆バイアス電圧)を満たすか否かを判
定し、前記関係式を満たさない場合には前記試行値φ
を修正して再度ポアソンの方程式を解くという過程を、
前記関係式を満たすまで反復的に行うことを特徴とする
半導体素子のシミュレーション方法。
2. A method for determining a potential distribution inside a semiconductor device including a diffusion layer having a floating potential, by applying a trial value φ f of a pseudo-Fermi potential of the diffusion layer, solving Poisson's equation, and determining a potential from the obtained potential distribution. The saddle point position M of the distribution, or if the diffusion layer is on a boundary region, on the boundary, ∂
ψ / ∂n <0, ∂ψ / ∂σ = 0, ∂ 2 ψ / ∂σ 2 <0
(However, ∂ / ∂n is the derivative of the boundary in the outward normal direction, ∂ / ∂n
∂σ and ∂ 2 / ∂σ 2 represent the first and second order derivatives in the tangential direction of the boundary, respectively). The potential M of the feature point M is obtained, and the obtained potential M M and the trial value φ f are obtained. Relational expression φ
f = min (ψ M + α , V R) ( where, alpha is the correction term, V R is the reverse bias voltage applied to the device) or not satisfied, said when not satisfy the relation Trial value φ f
, And solve Poisson's equation again,
A method of simulating a semiconductor device, wherein the method is repeatedly performed until the relational expression is satisfied.
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