JP3955723B2 - デバイスシミュレーション方法、デバイスシミュレーションシステム、およびシミュレーションプログラムを記録した記録媒体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置内部での可動電荷密度、半導体装置内に注入される不純物のイオン化率、およびエネルギーバンドギャップを計算するデバイスデバイスシミュレーション方法、デバイスシミュレーションシステム、およびシミュレーションプログラムを記録した記録媒体に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスの微細化に伴って、半導体のエネルギーバンドが減少する、いわゆるバンドギャップ・ナローウィング(BGN)や、不純物のイオン化率の変化が、素子特性に大きな影響を与えるようになってきた。BGNや不純物のイオン化率の実験データを数値計算的に再現する物理モデルはすでに提案されているが、このモデルをデバイスシミュレータに導入すると、デバイスがオン状態のときに計算が収束しないという問題が生じる。その理由は、従来のBGNモデルが、半導体デバイスの外部から伝達される電流や電位といった外部要因とは無関係に構築されていることと、半導体内部に電流が流れているような非平衡状態でBGNや不純物のイオン化率を計算することが原理的に不可能であるように構築されていることが原因となる。
【0003】
このため、制御係数の調整など、従来のデバイスシミュレータで用いられていた収束性向上の工夫がすべて無効になるという、これまで想定していなかった状況を生みだしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
半導体デバイスの微細化とともに、BGNや不純物のイオン化率を計算する物理モデルは、実験データを再現するためだけに考案されたものであり、電極を通じて半導体デバイスの内部に伝えられる電流や電位に応じて、半導体内部のBGNや不純物のイオン化率をセルフコンシステント(自己無撞着)に計算するものではなかった。
【0005】
次世代回路用のデバイスシミュレーションに必要な技術は、半導体デバイスの電極から与えられる電流や電位を境界条件とする、電荷の輸送方程式およびポアソン方程式とセルフコンシステントに、BGNと不純物のイオン化率を計算する技術である。
【0006】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、精度が高く、収束性のよいデバイスシミュレーション方法、デバイスシミュレーション・システムおよびシミュレーションプログラムを記録した記録媒体を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、格子点ごとに、平衡状態における不純物のイオン化率を計算する第1のステップと、量子多体効果を考慮に入れて、前記第1のステップで計算されたイオン化率を用いて、平衡状態における不純物のイオン化率を再計算するとともに、電子および正孔の密度を計算する第2のステップと、前記第2のステップで計算されたイオン化率と、電荷の連続式およびポアソン方程式を解いて得られた電子密度、正孔密度および静電ポテンシャルとに基づいて、非平衡状態における不純物のイオン化率を計算する第3のステップと、前記第3のステップにより計算された静電ポテンシャルと不純物のイオン化率とが収束したか否かを判定する第4のステップと、前記第4のステップにより収束したと判定されると、最終的な静電ポテンシャルと不純物のイオン化率を出力する第5のステップと、前記第4のステップにより収束しないと判定されると、静電ポテンシャルに対する不純物のイオン化率の変化の割合に不純物濃度を乗じて得られる値を、静電ポテンシャルに対する電子濃度の変化の割合または静電ポテンシャルに対する正孔濃度の変化の割合の一部として加えることによりポアソン方程式をいて、電子密度、正孔密度および静電ポテンシャルを計算する第6のステップと、を備えることを特徴とするデバイスシミュレーション方法が提供される。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るデバイスデバイスシミュレーション方法とデバイスシミュレーションシステムについて、図面を参照しながら具体的に説明する。
【0011】
図1は本発明に係るデバイスデバイスシミュレーション方法の処理手順を示すフローチャートである。まず、多体効果のない平衡状態で、格子点ごとに不純物濃度と温度を与える(ステップS1)。次に、格子点ごとに、平衡状態で不純物のイオン化率を計算する(ステップS2)。
【0012】
以下、このステップS2の処理を詳しく説明する。平衡状態での電荷の中性条件は、(1)式で表される。
N+ D−N+ A−p0−n0=0 …(1)
【0013】
フェルミ・ディラック統計によると、量子多体効果を無視した電子濃度n0と正孔濃度p0は、それぞれ(2)、(3)式で表される。
【数1】
ただし、Ncは有効伝導帯状態密度、Nvは有効価電子帯状態密度、F1/2はフェルミ・ディラック積分、EF00は量子多体効果を無視したフェルミ準位、EC00は量子多体効果を無視した伝導帯端、EV00は量子多体効果を無視した価電子帯端であり、量子多体効果を無視したエネルギーギャップEGintを用いると、(4)式が成り立つ。
EV00=EC00−EGint …(4)
【0014】
ドナーイオン数N+ Dとアクセプターイオン数N- Aは、それぞれ(5)、(6)式で表される。
N+ D=rD00×ND …(5)
N- A=rA00×NA …(6)
ただし、NDはドナー濃度、NAはアクセプター濃度、rD00はドナーのイオン化率、rA00はアクセプターのイオン化率である。
【0015】
rD00とrA00は、フェルミ・ディラック統計に従って、それぞれ(7)、(8)式で表される。
【数2】
ただし、EDはドナー準位、EAはアクセプタ準位であり、ドナーのイオン化エネルギーεDと、アクセプタのイオン化エネルギーεAを用いると、(9)、(10)式が成り立つ。
ED=EC00−εD …(9)
EA=EV00+εA …(10)
(2)〜(10)式を用いて(1)式を解けば、フェルミエネルギー(EF00−EC00)が求まる。
【0016】
次に、量子多体効果の影響を考慮に入れて、電子および正孔の密度(準粒子密度)とイオン化率を計算する(ステップS3)。
まず、量子多体効果の影響を(11)、(12)式を用いて導入する。
EF−EC=EF00−EC00−Δe0(ef0) …(11)
EV−EF=EV00−EF00−Δh0(ef0) …(12)
ただし、Δe0は電子の準粒子エネルギーシフト、Δh0は正孔の準粒子エネルギーシフトであり、量子多体効果によるフェルミ面のシフト(ef0)を変数にもつ形で書き表すことができる。この準粒子エネルギーシフトにより、量子補正された電子および正孔の密度(準粒子密度)は、(13)、(14)式で表される。
【数3】
(13)、(14)式より、n0もp0もef0の関数であることがわかる。
【0017】
同様に、平衡状態でのイオン化率も、(15)、(16)式のように量子補正を受ける。
【数4】
EF00−EC00が既知なので、(11)〜(16)式を(1)式に代入すると、(1)式がef0を一変数とする方程式になることがわかる。こうして、Δe/h0(ef0)が数値的に求められる。
【0018】
実際のデバイスで電荷の中性条件が成り立つことは少ない。電荷の輸送があれば、メッシュで刻んだデバイスの各点で電荷の連続条件を満たすよう、電子濃度nと正孔濃度pは平衡状態での値n0、p0からそれぞれずれた局所平衡の値をもつ。
【0019】
また、ポテンシャルΨの存在によっても平衡状態からずれるので、デバイスシミュレータのために実際的なアルゴリズムを得るには、これらに準粒子エネルギーシフトを含めるよう、上述した理論を拡張しなければならない。
【0020】
次に、電荷の連続式とポアソン方程式を解いて、ポテンシャルΨ、電子密度nおよび正孔密度pを計算する(ステップS4)。
【0021】
ここで、電荷の連続式(輸送方程式)は、(17)、(18)式で表される。
【数5】
【0022】
一方、ポアソン方程式は、(19)、(20)式で表される。
【数6】
ρ=N+ D(Ψ)−N- A(Ψ)+p(Ψ)−n(Ψ) …(20)
(17)〜(20)式を同時に満たすように数値的に計算されたn,p,Ψが与えられる。ただし、Eは電界であり、ポテンシャルΨの傾きに比例している。εは半導体の誘電率で、μn/pは移動度、Dn/pは拡散係数、Gn/pはキャリアの生成率、Un/pはキャリアの再結合率である。
【0023】
こうして得られたn,p,Ψをもとに、ポテンシャルが存在することによる準粒子エネルギーシフトへの付加項(21)式を考慮に入れ、非平衡状態におけるイオン化率r'D,r'Aを計算する(ステップS5)。
δΔ1e/h(Ψ)=Δe/h(n,p,N'+ D,N'- A)
−Δe/h(n0,p0,N+ D,N- A) (21)
ただし、(22)、(23)式が成り立つため、非平衡状態におけるイオン化率r'D,r'Aの計算方法は、以下の通りである。
N'+ D=r'D×ND (22)
N'- A=r'A×NA (23)
【0024】
まず、(24)、(25)式を解いて、Δ'nとΔ'pを数値的に演算する。
【数7】
【0025】
ここで、(26)、(27)式として、(28)、(29)式を計算すればよい。
Δ'D=Δ'n+εD+Δe0(ef0)+ef0 (26)
Δ'A=Δ'p+εA+Δh0(ef0)−ef0 (27)
【数8】
【0026】
次に、ポテンシャルΨとイオン化率が収束したか否かを判定(ステップS6)し、収束すれば計算結果を出力し(ステップS7)、収束しなければ、以下の手順でポアソン方程式のG項を計算し(ステップS8)、再度ステップS4以降の処理を行う。
【0027】
ここで、デバイスシミュレータにおけるポアソン方程式は、Y=0の2次元解析の場合には、(30)式で表される。
【数9】
【0028】
ところが、(30)式を直接解くのはCPUに負荷がかかりすぎるので現実的ではない。そこで、(31)式のような微分形が用いられている。
【数10】
【0029】
ただし、(31)式中のGは、(32)式で表される。
【数11】
ここで、もしG=0としたら、計算が収束しないことに注意しなければならない。図2はポアソン方程式の収束性を示す図である。
【0030】
(32)式に示したG項は、収束点方向を向く法線ベクトルである。もしこれをゼロに仮定すると、制御係数を導入してベクトルのサイズを調節するなどの工夫をしても、接線方向のベクトルの大きさが変更されるだけで収束点に近づくことはない。
【0031】
このように、不純物のイオン化率がポテンシャルとともに変化する関数として扱うことが、非定常状態でポアソン方程式を収束させるために不可欠である。
【0032】
以下、上述した計算手法によりBGNを計算した結果を示す。
図3はシミュレーションに用いたnMOSFETの断面図である。Z=-2μmからZ=0μmに配置されたSi基板1には、イオン化エネルギー48.3meVのボロンが101 8cm-3だけドープされ、Z=0nmからZ=5nmの間に酸化膜2が形成されている。
【0033】
拡散層3の不純物は、イオン化エネルギー45meVのリンで、濃度は最大1020cm-3から裾部で1018cm-3になるようにした。ゲートポリシリコン4には、拡散層3と同じく、リンをドープし、濃度は1020cm-3である。
【0034】
図4は、ゲート中央で界面に垂直に切断した断面(X=0μm)で見た、BGNのゲート電圧依存性を示す図である。
【0035】
Z=0.005μm付近でBGNがゲート電圧の印加に伴って減少しているのは、ゲート空乏化によってキャリア数が減少するのを反映している。逆に、基板界面(Z=0μm)近傍では、ゲート電圧印加に伴ってBGNが増大している。これは、反転層ができることによって電子数が増大するのを反映している。
【0036】
このように、本実施形態によるBGNの計算結果は、キャリア数の変化に敏感である。これは、従来達成できなかったことである。
【0037】
図5は図4と同じ断面で見たドナーイオン化率の計算結果を示す図である。Z=0.005μm付近でイオン化率がゲート電圧の印加に伴って増大しているのは、ゲート空乏化によってキャリア数が減少するのを反映している。
【0038】
このように、ドナーのイオン化率は、ドナー周辺に電子が多数存在すると下がる傾向にある。逆に、基板界面(Z=0μm)近傍では、ゲート電圧の印加に伴ってイオン化率が急激に低減している。これは、反転層ができることによって、電子数が増大するのを反映している。
【0039】
このように、本実施形態によるイオン化率の計算結果は、キャリア数の変化に敏感である。これは、従来技術では達成できなかったことである。
【0040】
図6は図3に示すnMOSFETの電流特性を表す図である。同図では、ドレイン電圧を0.05Vとし、酸化膜厚が2nmのものの計算結果も併せて掲載している。
【0041】
膜厚5nmの場合、サブスレッショルド領域が0.5V付近に存在し、2nmの場合は0.2V付近に存在する。比較のため、BGNを無視した場合の計算結果(黒丸)と、従来の標準的なBGNモデル(実線)の計算結果を掲載している。また、図7は図6の電気特性を片ログプロットで表したものである。
【0042】
図7からわかるように、低バイアス領域で3本のドレイン電流I−ゲート電圧Vが平行な直線になっている。これら直線の横軸の差がしきい値電圧の差として見なせる。この部分を拡大したデータ(膜厚5nmとする)を図8に示す。
【0043】
図8において、BGNを無視した場合(黒丸)に比べ、従来の標準的なBGNモデルを採用した場合(黒実線)、しきい値電圧は30mV程度上昇していることがわかる。これは、BGNによって拡散層での伝導帯端が下降してpn接合の障壁が高くなることを反映しているが、本実施形態による計算結果(白丸)では、しきい値電圧はさらに30mVほど高くなっている。
【0044】
これは、従来のBGNモデルを用いた計算では、拡散層における不純物のイオン化率を「1」に仮定して、電子数を過剰に見積もっていたことが原因である。このイオン化率の不正確さによるしきい値電圧のずれを補正するため、イオン化率を調節パラメータとしてIV特性(ゲート電圧−ドレイン電流特性)をフィッティングしたとしても、イオン化率自体が定数になるため、(32)式に示したG項はゼロになる。このとき、非平衡状態でポアソン方程式を収束させることはきわめて困難になる。
【0045】
この困難を避けるため、与えられたバイアスや電流の条件下で平衡状態としてBGNを計算し、ポアソン方程式を収束させたとしても、電極での電流や電位といった境界条件を変化させると、同じイオン化率でIV特性をフィッティングすることは不可能になる。これは、シミュレーションの信頼性を大きく損なうことになる。
【0046】
このように、高濃度に不純物がドープされた半導体デバイスでは、BGNや不純物のイオン化率がシミュレーション精度に与える影響を無視できない。
【0047】
一方、本実施形態では、(32)式に示したG項を考慮に入れてポアソン方程式を解くため、電極での境界条件を任意に変化させながら、デバイスに電流が流れている状態でシミュレーションを行うことになり、BGNや不純物のイオン化率を正確に計算することができる。
【0048】
上述したデバイスシミュレーション方法は、ハードウェアで実現してもソフトウェアで実現してもよい。例えば、図9は上述したデバイスシミュレーション方法をハードウェアで実現したデバイスシミュレーション・システムの概略構成を示すブロック図である。
【0049】
図9のデバイスシミュレーション・システムは、量子多体効果を無視した平衡状態における半導体のバンドギャップ・ナローウィングと不純物のイオン化率とを計算する初期計算部11と、半導体内部での電荷の輸送を担う可動電荷密度を計算する可動電荷密度計算部12と、可動電荷密度計算部で計算された可動電荷密度に基づいて、ポテンシャルの存在による準粒子エネルギーシフトを考慮に入れて、非平衡状態におけるバンドギャップ・ナローウィングとイオン化率とを計算する非平衡状態計算部13と、非平衡状態におけるイオン化率が収束したか否かを判定する判定部14と、非平衡状態計算部の計算結果を出力する出力部15とを備えている。
【0050】
図9のデバイスシミュレーション・システムは、判定部により収束したと判定されると計算結果を出力部から出力し、判定部により収束していないと判定されると非平衡状態計算部の計算を繰り返し行う。
【0051】
また、上述したデバイスシミュレーション方法をソフトウェアで実現する場合には、シミュレーションプログラムを、フロッピーディスクやCD−ROM等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させればよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の携帯可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。また、この種のシミュレーションプログラムを、インターネット等の通信回線(無線通信も含む)を介して頒布してもよい。さらに、この種のシミュレーションプログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。
【0052】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、半導体装置の内部に伝えられる電流や電位に応じて、半導体内部のバンドギャップ・ナローウィングや不純物のイオン化率を自己無撞着に計算するため、精度が高くて収束性のよいデバイスシミュレーションが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るデバイスデバイスシミュレーション方法の処理手順を示すフローチャート。
【図2】ポアソン方程式の収束性を示す図。
【図3】シミュレーションに用いたnMOSFETの断面図。
【図4】ゲート中央で界面に垂直に切断した断面で見た、BGNのゲート電圧依存性を示す図。
【図5】図4と同じ断面で見たドナーイオン化率の計算結果を示す図。
【図6】図3に示すnMOSFETの電流特性を表す図。
【図7】図6の電気特性を片ログプロットで表した図。
【図8】図7の一部を拡大した図。
【図9】デバイスシミュレーション・システムの概略構成を示すブロック図。
【符号の説明】
1 Si基板
2 酸化膜
3 拡散層
4 ゲートポリシリコン
11 初期計算部
12 可動電荷密度計算部
13 非平衡状態計算部
14 判定部
15 出力部
Claims (4)
- 格子点ごとに、平衡状態における不純物のイオン化率を計算する第1のステップと、
量子多体効果を考慮に入れて、前記第1のステップで計算されたイオン化率を用いて、平衡状態における不純物のイオン化率を再計算するとともに、電子および正孔の密度を計算する第2のステップと、
前記第2のステップで計算されたイオン化率と、電荷の連続式およびポアソン方程式を解いて得られた電子密度、正孔密度および静電ポテンシャルとに基づいて、非平衡状態における不純物のイオン化率を計算する第3のステップと、
前記第3のステップにより計算された静電ポテンシャルと不純物のイオン化率とが収束したか否かを判定する第4のステップと、
前記第4のステップにより収束したと判定されると、最終的な静電ポテンシャルと不純物のイオン化率を出力する第5のステップと、
前記第4のステップにより収束しないと判定されると、静電ポテンシャルに対する不純物のイオン化率の変化の割合に不純物濃度を乗じて得られる値を、静電ポテンシャルに対する電子濃度の変化の割合または静電ポテンシャルに対する正孔濃度の変化の割合の一部として加えることによりポアソン方程式を解いて、電子密度、正孔密度および静電ポテンシャルを計算する第6のステップと、を備えることを特徴とするデバイスシミュレーション方法。 - 前記第3〜第6のステップの処理は、半導体に電流が流れている状態、あるいは半導体に電圧が印加されている状態にて実行されることを特徴とする請求項1に記載のデバイスシミュレーション方法。
- 格子点ごとに、平衡状態における不純物のイオン化率を計算する第1の処理部と、
量子多体効果を考慮に入れて、前記第1の処理部で計算されたイオン化率を用いて、平衡状態における不純物のイオン化率を再計算するとともに、電子および正孔の密度を計算する第2の処理部と、
前記第2の処理部で計算されたイオン化率と、電荷の連続式およびポアソン方程式を解いて得られた電子密度、正孔密度および静電ポテンシャルとに基づいて、非平衡状態における不純物のイオン化率を計算する第3の処理部と、
前記第3の処理部により計算された静電ポテンシャルと不純物のイオン化率とが収束したか否かを判定する第4の処理部と、
前記第4の処理部により収束したと判定されると、最終的な静電ポテンシャルと不純物のイオン化率を出力する第5の処理部と、
前記第4の処理部により収束しないと判定されると、静電ポテンシャルに対する不純物のイオン化率の変化の割合に不純物濃度を乗じて得られる値を、静電ポテンシャルに対する電子濃度の変化の割合または静電ポテンシャルに対する正孔濃度の変化の割合の一部として加えることによりポアソン方程式を解いて、電子密度、正孔密度および静電ポテンシャルを計算する第6の処理部と、を備えることを特徴とするデバイスシミュレーション・システム。 - 格子点ごとに、平衡状態における不純物のイオン化率を計算する第1のステップと、
量子多体効果を考慮に入れて、前記第1のステップで計算されたイオン化率を用いて、平衡状態における不純物のイオン化率を再計算するとともに、電子および正孔の密度を計算する第2のステップと、
前記第2のステップで計算されたイオン化率と、電荷の連続式およびポアソン方程式を解いて得られた電子密度、正孔密度および静電ポテンシャルとに基づいて、非平衡状態における不純物のイオン化率を計算する第3のステップと、
前記第3のステップにより計算された静電ポテンシャルと不純物のイオン化率とが収束したか否かを判定する第4のステップと、
前記第4のステップにより収束したと判定されると、最終的な静電ポテンシャルと不純物のイオン化率を出力する第5のステップと、
前記第4のステップにより収束しないと判定されると、静電ポテンシャルに対する不純物のイオン化率の変化の割合に不純物濃度を乗じて得られる値を、静電ポテンシャルに対する電子濃度の変化の割合または静電ポテンシャルに対する正孔濃度の変化の割合の一部として加えることによりポアソン方程式を解いて、電子密度、正孔密度および静電ポテンシャルを計算する第6のステップと、を備えるシミュレーション・プログラムを実行可能なコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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