JPH03116385A - Particle simulation system - Google Patents

Particle simulation system

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Publication number
JPH03116385A
JPH03116385A JP1254892A JP25489289A JPH03116385A JP H03116385 A JPH03116385 A JP H03116385A JP 1254892 A JP1254892 A JP 1254892A JP 25489289 A JP25489289 A JP 25489289A JP H03116385 A JPH03116385 A JP H03116385A
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JP
Japan
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particles
simulation
particle
analysis
fluid
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Application number
JP1254892A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuya Matsuzawa
松沢 一也
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Publication of JPH03116385A publication Critical patent/JPH03116385A/en
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Abstract

PURPOSE:To attain analysis with physically high accuracy while sufficiently utilizing the feature of particle simulation by arranging super-particles in an analysis area where particle simulation is executed, and afterwards, handling the transportation of particles, which are remained in the area without being distributed to the super- particles, according to the transient analysis method of fluid simulation. CONSTITUTION:When the transportation of the plural particles is analyzed, the super- particles are arranged in the analysis area, to which the particle simulation is executed, and afterwards, the transportation of the particles, which are remained in the area without being distributed to the super-particles, is handled according to the transient analysis method of the fluid simulation. When the analysis is executed by using a window method, the transportation for the small number of the particles, which are remained in a window without being distributed to the super-particles, and the particles out of the window is handled by the transient analysis method of the fluid simulation and when the supplying source of the particles such as an ohmic electrode, etc., is included in the analysis area, the transient analysis is executed under a contour condition that the number of the particles is fixed in a contour with the supplying source. Thus, while effectively utilizing the feature of the particle simulation, the simulation can be executed with physically high accuracy.

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、複数の粒子の輸送特性解析方式に係り、特に
コンピュータを用いて解析対象内の各物理量を数値的に
求めて、特性解析を行なう手法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a method for analyzing the transport characteristics of a plurality of particles, and in particular uses a computer to numerically determine each physical quantity within an analysis target. This paper relates to a method for performing characteristic analysis.

(従来の技術) 輸送現象を計算機シミュレーションで解析する場合、2
つの手法がある。
(Conventional technology) When analyzing transport phenomena by computer simulation, 2
There are two methods.

1つは粒子シミュレーションと呼ばれ、解析領域内に存
在する粒子を実用的な個数の仮想的な粒子(以下、超粒
子と称す。)で代表させ、個々の超粒子の輸送を乱数を
用いて追跡する方式である(例えば、上村鉄夫 他著、
゛超粒子模型によるプラズマの計算機実験” 日本物理
学会誌 第28巻 第12号p1019,1973)。
One is called particle simulation, in which the particles existing in the analysis region are represented by a practical number of virtual particles (hereinafter referred to as superparticles), and the transport of each superparticle is calculated using random numbers. (For example, Tetsuo Uemura et al.,
``Computer experiments on plasma using a superparticle model'' Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 28, No. 12, p. 1019, 1973).

この手法は、場(電界、磁界など)内のドリフト、散乱
といった各超粒子の素過程を近似なしに扱うことから、
物理的精度は高い。しかし、限られた数の超粒子を乱数
によって動かすため、統計的に安定した物理量の分布を
得るには、十分多数の超粒子を用いるか、十分長い時間
超粒子を動かし、その時間平均をエルゴードの仮説に従
い集合平均とする必要がある。いずれも膨大な計算時間
を要する。
This method deals with the elementary processes of each superparticle such as drift and scattering in a field (electric field, magnetic field, etc.) without approximating it.
Physical accuracy is high. However, since a limited number of superparticles are moved using random numbers, in order to obtain a statistically stable distribution of physical quantities, one must use a sufficiently large number of superparticles, or move the superparticles for a sufficiently long period of time, and use the ergodic method to calculate the time average. It is necessary to take the collective average according to the hypothesis. Both require a huge amount of calculation time.

もう一つの手法は流体シミュレーションと呼ばれ、輸送
を流体の運動として扱い、各場所ごとの物理量の平均値
を微積分方程式で表現し、これを数値的に解く手法であ
る(例えば、S、5elberherr著、”Anal
ysis and sia+ulation or 5
eIlliconductordevices” 、S
pinger−Verlag、 1984)。この手法
は平均値の輸送を扱うので統計的な不安定性はなく、粒
子シミュレーションよりも短時間で解が得られるが、物
理量の情報が平均値しかないために、物理的に厳密な結
果が得られない。
Another method is called fluid simulation, which treats transport as fluid motion, expresses the average value of physical quantities at each location as a differential and integral equation, and solves this numerically (for example, by S. , “Anal
ysis and sia+lation or 5
eIlliconductor devices”, S
Pinger-Verlag, 1984). This method deals with the transport of average values, so there is no statistical instability, and a solution can be obtained in a shorter time than particle simulation. However, since the only physical quantity information is the average value, it does not provide physically accurate results. I can't.

従来、経済性よりも物理的精度が必要な場合、粒子シミ
ュレーションが用いられている(例えば、微細半導体デ
バイス内の電子、正孔の輸送特性の解析)。
Conventionally, particle simulation has been used when physical accuracy is required rather than economic efficiency (for example, analysis of transport characteristics of electrons and holes in microscopic semiconductor devices).

従来の粒子シミュレーションの問題点の一つとして、解
析領域内に極端に粒子数が少ない領域が含まれていると
、その領域内に1つも超粒子を配置できず、結果として
物理量ゼロという不自然な分布が生ずる。また、十分な
数の超粒子を配置した領域でも、限られた特定数の粒子
を代表している超粒子に分配できずに、余った粒子の数
、及びその粒子物理量の情報は失われる。
One of the problems with conventional particle simulations is that if the analysis region contains an extremely small number of particles, no superparticles can be placed in that region, resulting in an unnatural physical quantity of zero. A distribution occurs. Further, even in a region where a sufficient number of superparticles are arranged, a limited specific number of particles cannot be distributed to representative superparticles, and information on the number of remaining particles and their physical quantities is lost.

例えば、第4図(a)に示す電子伝導型の絶縁ゲート型
トランジスタ(以下、nMO8と称す)の特性解析に粒
子シミュレーションを適用する場合を考える。B−B’
の断面での電子濃度分布は、第4図(b)のようになる
。破線は流体シミュレーションの結果である。通常、粒
子シミュレーションは、流体シミュレーションの結果を
初期値として超粒子を配置する。計算時間の制約から超
粒子は1万個〜10万個程度しか扱えないので、1つの
超粒子で多くの電子を代表する必要があり、第4図(b
)中の斜線部のように超粒子に割り当てきれない少数の
電子が残ってしまう。特に第4図(b)中のB’−B’
の部分には、超粒子が1つも配置されないので電子濃度
はゼロとなるが、これは物理的にありえない。
For example, consider the case where particle simulation is applied to characteristic analysis of an electron conductive insulated gate transistor (hereinafter referred to as nMO8) shown in FIG. 4(a). B-B'
The electron concentration distribution in the cross section is as shown in FIG. 4(b). The dashed line is the result of fluid simulation. Normally, in particle simulation, superparticles are arranged using the results of fluid simulation as initial values. Due to calculation time constraints, only about 10,000 to 100,000 superparticles can be handled, so it is necessary to represent many electrons with one superparticle, as shown in Figure 4 (b).
) A small number of electrons that cannot be assigned to superparticles remain, as shown by the shaded area in ). In particular, B'-B' in Figure 4(b)
Since no superparticles are placed in the area, the electron concentration is zero, but this is physically impossible.

また、従来の粒子シミュレーションでは、計算時間を節
約するために粒子シミュレーションを適用する領域を限
定する手法がある(例えば、P、Venturt他著 
A general purpose of’ dev
ice slmulatlon coupHng po
lsson and Monte Carlo tra
nsport vlth application t
o deep submlcron N。
In addition, in conventional particle simulation, there is a method of limiting the area to which particle simulation is applied in order to save calculation time (for example, P. Venturt et al.
A general purpose of' dev
ice slmulatlon couphng po
lsson and Monte Carlo tra
nsports vlth application
o deep submlcron N.

5FET’s 、 IEEE Transaction
 on Con+puter−AidedDesign
、 Vol、8. No、8. p、3[io、 19
89) 、再び、第5図に示すようなn M OSの特
性解析を例にとる。
5FET's, IEEE Transaction
on Con+puter-Aided Design
, Vol. 8. No, 8. p, 3[io, 19
89) Again, let us take as an example the characteristic analysis of the nMOS as shown in FIG.

このデバイスの電気的特性を支配するのは、n+拡散層
804.605の間のゲート酸化膜[2直下における電
子の輸送特性である。従って、物理的に高精度な解析が
必要ならば、ウィンドウ609内の領域のみに粒子シミ
ュレーションを適用し、その他の領域には流体シミュレ
ーションを適用すれば経済的である。この手法は一般に
ウィンドウ法、あるいはハイブリッド法や領域モンテ・
カルロ法と呼ばれる。
What governs the electrical characteristics of this device is the electron transport characteristics directly under the gate oxide film [2] between the n+ diffusion layers 804 and 605. Therefore, if a physically highly accurate analysis is required, it is economical to apply particle simulation only to the area within the window 609 and apply fluid simulation to the other areas. This method is generally a window method, a hybrid method, or a domain Monte method.
This is called the Carlo method.

以下、ウィンドウ法の計算手順を第6図のフローチャー
トを用いて説明する。
Hereinafter, the calculation procedure of the window method will be explained using the flowchart of FIG.

まず、ステップP1で解析構造の情報を読み込む。First, in step P1, information on the analysis structure is read.

次に、ステップP2で粒子シミュレーションを適用する
ウィンドウ609の座標を読み込む。
Next, in step P2, the coordinates of the window 609 to which particle simulation is applied are read.

次に、ステップP3f′C−全領域で流体シミュレーシ
ョンを実行する。
Next, step P3f'C--perform fluid simulation in the entire region.

次に、ステップP4で流体シミュレーションの結果を用
いて、ウィンドウ609の境界での超粒子の数、流入速
度などの境界条件を設定する。
Next, in step P4, boundary conditions such as the number of superparticles at the boundary of the window 609 and the inflow velocity are set using the results of the fluid simulation.

次に、ステップP5で、流体シミュレーションの結果を
用いて、ウィンドウ609内に存在する電子を超粒子で
代表させ、超粒子の初期状態を決める。
Next, in step P5, using the results of the fluid simulation, the electrons existing within the window 609 are represented by superparticles, and the initial state of the superparticles is determined.

次に、ステップP6でΔを秒間粒子シミュレーションを
実行する。
Next, in step P6, a particle simulation is executed for Δ seconds.

次に、ステップP7で、ウィンドウ809外に出た超粒
子を抹消し、ステップP4で決めた境界条件を満たすよ
うに、ウィンドウ609の境界に新たな超粒子を配置す
る。
Next, in step P7, the superparticles that have gone outside the window 809 are deleted, and new superparticles are placed at the boundary of the window 609 so as to satisfy the boundary conditions determined in step P4.

ステップP8で定常状態に達していなければ、ステップ
P9において、ステップP7で得られた超粒子分布を用
いてポアソン方程式を再計算し、ステップP6の処理に
戻る。
If the steady state has not been reached in step P8, the Poisson equation is recalculated in step P9 using the superparticle distribution obtained in step P7, and the process returns to step P6.

ステップP8で定常状態に達していれば、ステップPI
Oにおいて、移動度などの輸送係数を粒子シミュレーシ
ョンの結果から抽出する。
If the steady state has been reached in step P8, step PI
At O, transport coefficients such as mobility are extracted from the particle simulation results.

次に、ステップpHでそれらの輸送係数を用いて全領域
で流体シミュレーションを実行し、端子電流値を得る。
Next, perform a fluid simulation in the entire region using those transport coefficients at step pH to obtain the terminal current values.

なお、ステップP3、ステップpHの流体シミュレーシ
ョンの処理内容は、第7図に示すような、基本方程式の
組合せを連立させて、行列解法によって解くものである
The processing contents of the fluid simulation in step P3 and step pH are as shown in FIG. 7, in which combinations of basic equations are made to be simultaneous and solved by a matrix solution method.

また、ステップP6の粒子シミュレーションの処理内容
は、第8図に示すように、各超粒子の電界によるドリフ
トと格子や不純物との散乱を乱数によって追跡するもの
である。△Tは、粒子シミュレーションが実行される時
間間隔で、この△T秒内に、各超粒子は乱数によって決
まる61秒間の自由飛行(ドリフト)と散乱を複数回繰
り返す。
As shown in FIG. 8, the processing content of the particle simulation in step P6 is to track the drift of each superparticle due to the electric field and scattering with lattices and impurities using random numbers. ΔT is the time interval during which the particle simulation is performed, and within this ΔT seconds, each superparticle repeats free flight (drift) and scattering for 61 seconds determined by a random number multiple times.

Tは、61秒内の超粒子の運動の経過時間である。T is the elapsed time of the superparticle movement within 61 seconds.

ところが、上記のような、従来のウィンドウ法を用いて
解析を行うと、ウィンドウ境界で物理的に不自然な分布
が発生し、輸送特性全体に悪影響を及ぼすという問題点
がある。
However, when analysis is performed using the conventional window method as described above, there is a problem in that a physically unnatural distribution occurs at the window boundary, which adversely affects the overall transport characteristics.

例えば、第9図(a)中のA−A’の断面における超粒
子の分布とその速度分布は、ステップP5の処理が終了
した時点では、第9図(b) 、 (C)のようになる
。次に、ステップP6で△を秒間粒子シミュレーション
を実行した後は、第9図(d) 、 (e)のようにな
る。ウィンドウ境界付近で超粒子が減少し、ウィンドウ
外へ向かう大きな速度分布が生じ、不自然なものになる
。これは、ウィンドウ外部から粒子の流入がないためで
ある。
For example, the distribution of superparticles and their velocity distribution in the cross section AA' in FIG. 9(a) are as shown in FIGS. 9(b) and (C) at the time the process of step P5 is completed. Become. Next, after the particle simulation is executed for Δ seconds in step P6, the results are as shown in FIGS. 9(d) and 9(e). The number of superparticles decreases near the window boundary, resulting in a large velocity distribution toward the outside of the window, which becomes unnatural. This is because there is no inflow of particles from outside the window.

次のステップP7の処理では、ウィンドウ境界において
ステップP4で決めた境界条件を満たすように、新たな
超粒子を第9図(r) 、 (g)のように配置するが
、物理的に妥当な粒子数と速度分布となるのは境界部の
みである。電界分布を更新するために第9図(f’)の
分布を用いてポアソン方程式を再計算すると、ウィンド
ウ境界付近の電界値が不自然になるのは明かである。こ
のウィンドウ境界付近の不自然な分布が最終的に得られ
る輸送特性全体に悪影響を与える。
In the next step P7, new superparticles are placed at the window boundary as shown in Figures 9(r) and (g) so as to satisfy the boundary conditions determined in step P4. Only the boundary part has particle number and velocity distribution. It is clear that when the Poisson equation is recalculated using the distribution shown in FIG. 9(f') in order to update the electric field distribution, the electric field value near the window boundary becomes unnatural. This unnatural distribution near the window boundary adversely affects the overall transport properties finally obtained.

上記のウィンドウ境界の問題を回避する方法としては、
粒子シミュレーションの計算時間Δtを短<シ(Δt〜
IQ−15秒)、ウィンドウ境界に極端に不自然な分布
が生じる前に、新たな超粒子を配置する方法が考えられ
る。しかし、定常に達するまでの反復回数が多くなり、
計算時間が増大する。また、本質的な解決にはならない
To avoid the window border issue mentioned above,
Shorten the calculation time Δt of particle simulation (Δt~
IQ - 15 seconds), a method can be considered to place a new superparticle before an extremely unnatural distribution occurs at the window boundary. However, the number of iterations required to reach steady state increases,
Computation time increases. Moreover, it is not a fundamental solution.

また、同様の問題点は、粒子シミュレーションの解析領
域内にオーミック電極などの粒子の供給源を含む場合に
も生じる。
A similar problem also occurs when a particle supply source such as an ohmic electrode is included in the particle simulation analysis area.

例えば、半導体デバイスの特性を解析する場合、半導体
とオーミック電極が接する境界では、電子と正孔の数を
一定とするのが、物理的に妥当である。流体シミュレー
ションでは、電極において電子数及び正孔数を一定とす
る固定境界条件を用いればよいが、従来の粒子シミュレ
ーションで、この電極条件を実現するためには、△を秒
間粒子シミュレーションを実行した後、ポアソン方程式
を再計算する前に、必要な数の超粒子を電極部に配置し
なければならない。△を秒間、超粒子は電極へ向かって
一方的に流出するだけなので、従来のウィンドウ境界部
と同様に超粒子の分布、速度分布とも不自然なものにな
る。
For example, when analyzing the characteristics of a semiconductor device, it is physically appropriate to keep the number of electrons and holes constant at the boundary where the semiconductor and ohmic electrode are in contact. In fluid simulation, it is sufficient to use a fixed boundary condition in which the number of electrons and holes are constant at the electrode, but in order to achieve this electrode condition in conventional particle simulation, after running the particle simulation for △ seconds, , the required number of superparticles must be placed at the electrode section before recalculating the Poisson equation. For Δ seconds, the superparticles only flow out unilaterally toward the electrode, so the distribution and velocity distribution of the superparticles become unnatural, similar to the conventional window boundary.

(発明が解決しようとする課題) 以上のように、従来の粒子シミュレーション技術では、
粒子数が少ない領域で超粒子を配置できず、物理量がゼ
ロになったり、ウィンドウ境界や粒子の供給源付近で物
理量の分布が不自然になるという問題があった。
(Problem to be solved by the invention) As described above, in the conventional particle simulation technology,
There were problems in that superparticles could not be placed in areas where the number of particles was small, resulting in physical quantities becoming zero, and the distribution of physical quantities becoming unnatural near window boundaries and particle sources.

本発明は、以上の問題点を解決するために、粒子シミュ
レーションにおいて超粒子に分配できない少数の粒子も
計算に取り入れ、ウィンドウ外、及び粒子の供給源から
の粒子の流入を合理的に実現する方法を提供することを
目的とする。
In order to solve the above problems, the present invention incorporates into the calculation a small number of particles that cannot be distributed into superparticles in particle simulation, and provides a method for rationally realizing the inflow of particles from outside the window and from the particle source. The purpose is to provide

[発明の構成コ (課題を解決するための手段) 本発明の粒子シミュレーション方式は、輸送現象を解析
するために、乱数を用いて粒子を追跡するコンピュータ
による粒子シミュレーション方式であって、解析構造の
情報を読み込むステップと、前記解析構造内において流
体シミュレーションを実行するステップと、前記解析構
造内において物理現象に主に寄与する部分については粒
子シミュレーションを実行すると共に、前記解析構造内
において物理現象に主に寄与しない部分においては、計
算領域内に存在する複数の粒子を代表する仮想的な粒子
に分配されない粒子の輸送を流体シミュレーションによ
って計算するステップとを具備することを特徴とする。
[Configuration of the Invention (Means for Solving the Problems) The particle simulation method of the present invention is a computer-based particle simulation method that tracks particles using random numbers in order to analyze transport phenomena. a step of reading information; a step of executing a fluid simulation within the analysis structure; and a step of executing a particle simulation for a part that mainly contributes to physical phenomena within the analysis structure; The present invention is characterized by comprising the step of calculating, by fluid simulation, the transport of particles that are not distributed among virtual particles representing a plurality of particles existing in the calculation region in a portion that does not contribute to the calculation.

本発明は、複数の粒子の輸送を解析するに当たって、粒
子シミュレーションを行う解析領域に超粒子を配置した
後、超粒子に分配されず領域内に残された粒子の輸送は
流体シミュレーションの過渡解析手法によって扱うこと
を特徴とする〇また、ウィンドウ法を用いて同様の解析
を行う場合、超粒子に分配されずウィンドウ内に残され
た少数の粒子とウィンドウ外の粒子の輸送は流体シミュ
レーションの過渡解析手法によって扱うことを特徴とす
る。
In analyzing the transport of multiple particles, the present invention uses a fluid simulation transient analysis method to analyze the transport of particles that are not distributed to the superparticles and remain within the region after placing superparticles in the analysis region where particle simulation is performed. 〇Also, when performing a similar analysis using the window method, the transport of a small number of particles that are not distributed into superparticles and remain within the window, and particles outside the window, is handled by the transient analysis of fluid simulation. It is characterized by being handled by methods.

また、粒子シミュレーションの解析領域内にオーミック
電極などの粒子の供給源が含まれる場合、供給源との境
界で粒子数を一定とする境界条件で流体シミュレーショ
ンの過渡解析を行うことを特徴とする。
Furthermore, when a particle supply source such as an ohmic electrode is included in the particle simulation analysis area, a transient analysis of the fluid simulation is performed under a boundary condition in which the number of particles is constant at the boundary with the supply source.

なお、各場所ごとに分配可能な最大数の超粒子を配置し
てもよいし、最大数の一部を配置してもよい。
Note that the maximum number of superparticles that can be distributed may be arranged at each location, or a part of the maximum number may be arranged.

(作 用) 本発明によれば、複数の粒子の輸送を解析するに当たっ
て、粒子シミュレーションを行う解析領域に超粒子を配
置した後、超粒子に分配されず領域内に残された粒子の
輸送は流体シミュレーションの過渡解析手法によって扱
う。従って、粒子シミュレーションの解析領域内に超粒
子が配置されないことによって生じる物理量がゼロの分
布は生じない。
(Function) According to the present invention, when analyzing the transport of a plurality of particles, after placing superparticles in the analysis region where particle simulation is performed, the transport of particles that are not distributed to the superparticles and remain in the region is reduced. It is handled using the transient analysis method of fluid simulation. Therefore, a distribution in which the physical quantity is zero due to no superparticles being placed within the analysis region of the particle simulation does not occur.

ウィンドウ法を用いて同様の解析を行う場合、超粒子に
分配されずウィンドウ内に残された少数の粒子とウィン
ドウ外の粒子の輸送は流体シミュレーションの過渡解析
手法によって扱し、また、粒子シミュレーションの解析
領域内にオーミック電極などの粒子の供給源が含まれる
場合、供給源との境界で粒子数を一定とする境界条件で
流体シミュレーションの過渡解析を行うので、ウィンド
ウ境界や粒子の供給源近傍で不自然な分布が生じない。
When performing a similar analysis using the window method, the small number of particles that are not distributed into superparticles and remain within the window, and the transport of particles outside the window are handled by the transient analysis method of fluid simulation, and the transport of particles outside the window is handled by the transient analysis method of fluid simulation. When a particle supply source such as an ohmic electrode is included in the analysis domain, a transient analysis of the fluid simulation is performed under a boundary condition in which the number of particles is constant at the boundary with the supply source. No unnatural distribution occurs.

従って、粒子シミュレーションの特徴を活かした物理的
に高精度なシミュレーションが実行できる。
Therefore, it is possible to perform a physically highly accurate simulation that takes advantage of the characteristics of particle simulation.

(実施例) 以下に、本発明の実施例を第1図、第2図を用いて説明
する。
(Example) An example of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2.

この実施例はn M OS内部における電子の輸送現象
をウィンドウ法を用いて解析する例を示す。
This example shows an example of analyzing an electron transport phenomenon inside an nMOS using a window method.

まず、第2図(a)に示されたn M OSの構造を説
明する。P型半導体基板201内にはn+拡散層として
のソース204、ドレイン205が設けられ、ソース2
04にはソース電極206、ドレインにはドレイン電極
207がオーミックコンタクトしている。ソース204
とドレイン205との間のチャネル領域上にはゲート絶
縁膜202が設けられ、ゲート絶縁膜202上にはゲー
ト電極203が設けられている。電極206.207と
ゲート電極203は、酸化膜208により絶縁されてい
る。
First, the structure of the nMOS shown in FIG. 2(a) will be explained. A source 204 and a drain 205 as an n+ diffusion layer are provided in the P-type semiconductor substrate 201.
A source electrode 206 is in ohmic contact with the source electrode 04, and a drain electrode 207 is in ohmic contact with the drain. source 204
A gate insulating film 202 is provided on the channel region between and the drain 205, and a gate electrode 203 is provided on the gate insulating film 202. The electrodes 206 and 207 and the gate electrode 203 are insulated by an oxide film 208.

第1図は、本発明の粒子シミュレーション方式の具体的
な計算手順を示すフローチャートである。
FIG. 1 is a flowchart showing a specific calculation procedure of the particle simulation method of the present invention.

まず、ステップM1において解析構造の情報を読み込む
First, in step M1, information on the analysis structure is read.

次に、ステップM2において粒子シミュレーションを適
用するウィンドウ209の座標を読み込む。
Next, in step M2, the coordinates of the window 209 to which particle simulation is applied are read.

次に、ステップM3において全領域で流体シミュレーシ
ョンを実行する。
Next, in step M3, a fluid simulation is performed in the entire region.

次に、ステップM4において、流体シミュレーションの
結果を用いて、ウィンドウ209内に存在する電子を超
粒子で代表させ、超粒子の初期状態を決める。
Next, in step M4, using the results of the fluid simulation, the electrons existing within the window 209 are represented by superparticles, and the initial state of the superparticles is determined.

次に、ステップM5において、△を秒間粒子シミュレー
ションを実行する。
Next, in step M5, particle simulation is executed for Δ seconds.

また、一方で、ステップM6において、ウィンドウ20
9内外に残された電子分布の△を秒後の分布を流体シミ
ュレーションの過渡解析によって求める。
On the other hand, in step M6, the window 20
The distribution of electrons left inside and outside 9 after a second is determined by transient analysis of fluid simulation.

ステップM7において、必要に応じて、ステップM5、
M6の結果を足し合わせて出力する。
In step M7, if necessary, step M5,
Add up the results of M6 and output.

ステップM8において出力値が定常状態に達していなけ
れば、ウィンドウ209外に出た超粒子を流体化しくス
テーツブM9)、ウィンドウ209内に流入した電子流
体の内、超粒子1つ分以上の電子数が存在する場所で流
体を超粒子化する(ステップM10)。
If the output value has not reached a steady state in step M8, the superparticles that have come out of the window 209 are fluidized (state M9), and the number of electrons in the electronic fluid that has flowed into the window 209 is equal to or more than one superparticle. The fluid is made into superparticles at the location where the fluid is present (step M10).

次に、ステップM9、MIOの結果を足し合わせ、その
分布を用いてポアソン方程式を再計算し、電界分布を更
新して(ステップM11)、ステップM5、M6の処理
に戻る。
Next, the results of step M9 and MIO are added together, the Poisson equation is recalculated using the distribution, the electric field distribution is updated (step M11), and the process returns to steps M5 and M6.

ステップM8において定常状態に達していれば、ステッ
プM12において、移動度などの輸送係数を粒子シミュ
レーションの結果から抽出し、ステップM13で全領域
で流体シミュレーションを実行し、端子電流値を得る。
If a steady state has been reached in step M8, transport coefficients such as mobility are extracted from the particle simulation results in step M12, and fluid simulation is executed in the entire region in step M13 to obtain terminal current values.

以上の処理の様子を、第2図(a)のA−A’の断面で
みたときの超粒子、及び流体の動きによって、説明する
The above processing will be explained using the movement of superparticles and fluid when viewed in a cross section taken along line AA' in FIG. 2(a).

ステップM3の処理の結果、第2図(b)のような電子
分布が得られる。
As a result of the process in step M3, an electron distribution as shown in FIG. 2(b) is obtained.

ステップM4の処理の結果、第2図(e) 、 (d)
のような超粒子と流体の分布に分けられる。
As a result of the processing in step M4, FIGS. 2(e) and (d)
It can be divided into superparticle and fluid distributions.

ステップM5、M6の結果、△を秒後の超粒子と流体の
分布は、第2図(e) 、 (f)のようになる。
As a result of steps M5 and M6, the distribution of superparticles and fluid after Δ seconds is as shown in FIGS. 2(e) and 2(f).

ステップM7でウィンドウ209外に出た超粒子を第2
図(e)のように流体化し、ステップM8でウィンドウ
209内に流入した流体を第2図(r)のように超粒子
化する。
The superparticles that went outside the window 209 in step M7 are
The fluid is made into a fluid as shown in FIG. 2(e), and the fluid flowing into the window 209 in step M8 is made into superparticles as shown in FIG. 2(r).

第2図(g) 、 (h)のように再分配された超粒子
と流体を、再び、ステップM5、M6で△を秒間計算す
る。
For the superparticles and fluid redistributed as shown in FIGS. 2(g) and (h), Δ is again calculated for seconds in steps M5 and M6.

なお、ウィンドウ209内にオーミック電極が含まれて
いれば、電極と半導体が接する部分で電子濃度を固定す
る境界条件を用いて、ステップM6を実行する。
Note that if an ohmic electrode is included in the window 209, step M6 is executed using a boundary condition that fixes the electron concentration at the portion where the electrode and the semiconductor are in contact.

また、ステップM2で解析領域全体の座標を読み込んで
もよい。その場合、ステップM6においては、解析領域
内で超粒子に分配しきれずに残された電子分布とオーミ
ック電極部を流体として扱うことになる。そして、ステ
ップM6の流体シミュレーションの結果、超粒子に分配
できる程、多数の電子分布が発生したら、ステップM9
で超粒子化する。
Alternatively, the coordinates of the entire analysis area may be read in step M2. In that case, in step M6, the electron distribution and the ohmic electrode portion that are left behind without being completely distributed into superparticles within the analysis region are treated as a fluid. Then, as a result of the fluid simulation in step M6, if a large number of electron distributions are generated that can be distributed to superparticles, step M9
to make it into super particles.

また、ステップM2の処理は、ステップM3の後に行っ
てもよい。すなわち、ステップM3の流体シミュレーシ
ョンの結果から解析領域で重要な輸送現象が発生してい
る領域を検出し、ウィンドウを設定する方法もある。そ
の検出処理は人間が行ってもよいし、計算機で自動的に
行ってもよい。
Moreover, the process of step M2 may be performed after step M3. That is, there is also a method of detecting a region where an important transport phenomenon occurs in the analysis region from the results of the fluid simulation in step M3 and setting a window. The detection process may be performed by a human or automatically by a computer.

ステップM3、M6、Ml 3の流体シミュレーション
の処理内容は、第7図に示すような基本方程式の組合せ
を時間微分項を含めて行列解法によって解くものである
。即ち、ステップF1において、基本方程式であるポア
ソン方程式、電子電流連続式、正孔電流連続式の離散式
の係数行列を作成する。ステップF2において、上記連
立−次方程式を行列解法で解く。次に、ステップF3に
おいて、ポテンシャル、電子濃度、正孔濃度を更新する
。ステップF4において、ステップF3における結果が
収束しないなら、ステップF1に戻り、上記ステップを
繰り返し、ステップF4において収束するまで繰り返す
The processing content of the fluid simulation in steps M3, M6, and Ml3 is to solve the combination of basic equations as shown in FIG. 7 by matrix solving, including time differential terms. That is, in step F1, coefficient matrices of the discrete equations of the basic equations, such as the Poisson equation, the continuous electron current equation, and the continuous hole current equation, are created. In step F2, the above-mentioned simultaneous-order equations are solved by a matrix solution method. Next, in step F3, the potential, electron concentration, and hole concentration are updated. In step F4, if the result in step F3 does not converge, return to step F1 and repeat the above steps until convergence occurs in step F4.

また、ステップM5の粒子シミュレーションの処理内容
は、第8図に示す通りである。ステップR1においてT
を0とし、ステップR2において粒子の自由飛行時間δ
Tを乱数で求める。そして、ステップR3でδTの間粒
子を自由飛行させる。
Further, the processing contents of the particle simulation in step M5 are as shown in FIG. In step R1, T
is set to 0, and in step R2, the free flight time δ of the particle
Find T using a random number. Then, in step R3, the particles are allowed to fly freely for a period of δT.

次に、ステップR4において粒子の散乱機構を乱数で求
め、ステップR5において散乱後の状態を乱数で決める
。ステップR6において、T+ΔTをTとし、ステップ
R7において粒子シミュレーションが実行される時間間
隔ΔTがT(61秒内の超粒子の運動の経過時間)より
大でないならステップR2に戻り、TくΔTとなるまで
繰り返す。
Next, in step R4, the particle scattering mechanism is determined using random numbers, and in step R5, the state after scattering is determined using random numbers. In step R6, T + ΔT is set to T, and in step R7, if the time interval ΔT during which the particle simulation is executed is not greater than T (the elapsed time of superparticle motion within 61 seconds), the process returns to step R2, and T becomes ΔT. Repeat until.

ステップR7においてTくΔTとなると、ステップR8
に進み、全粒子について粒子シミュレーションが終了し
ていないならステップR1に戻り、全粒子についてステ
ップR1からステップR7までを実行する。
When T becomes ΔT in step R7, step R8
If the particle simulation has not been completed for all particles, the process returns to step R1, and steps R1 to R7 are executed for all particles.

第3図は、第2図のA−A’の断面における電子濃度分
布と速度分布とについて、第1図のような処理を用いる
本発明による結果と、第4図に示すような従来手法によ
る結果を比較したものである。
FIG. 3 shows the results obtained by the present invention using the process shown in FIG. 1 and the results obtained by the conventional method shown in FIG. This is a comparison of the results.

第3図(a)は、電子濃度分布の比較で、第3図(b)
は、電子速度分布の比較である。実線が本発明、破線が
従来手法の結果である。本発明では、ウィンドウ209
境界付近で不自然な分布が生じないことがわかる。従っ
て、従来法のようにウィンドウ209境界付近の不自然
な分布が輸送特性全体に悪影響することもない。
Figure 3(a) is a comparison of electron concentration distribution, and Figure 3(b)
is a comparison of electron velocity distributions. The solid line is the result of the present invention, and the broken line is the result of the conventional method. In the present invention, the window 209
It can be seen that no unnatural distribution occurs near the boundary. Therefore, unlike the conventional method, the unnatural distribution near the boundary of the window 209 does not adversely affect the overall transport characteristics.

本発明について、半導体デバイス内の電子、正孔の輸送
特性の解析を例にとって説明したが、本発明の粒子シミ
ュレーション方式は、半導体装置の製造方法にも適用で
きる。例えば、半導体層の成長において、半導体表面に
反応ガスが接触する部分には粒子シミュレーションを適
用し、その他の部分には流体シミュレーションを適用す
ることができる。また、半導体層をエツチングする場合
、エツチングが行われている間は粒子シミュレーション
を実行し、その他の工程では流体シミュレーションを実
行することができる。
Although the present invention has been explained by taking as an example the analysis of transport characteristics of electrons and holes within a semiconductor device, the particle simulation method of the present invention can also be applied to a method of manufacturing a semiconductor device. For example, in the growth of a semiconductor layer, particle simulation can be applied to a portion where a reactive gas contacts the semiconductor surface, and fluid simulation can be applied to other portions. Furthermore, when etching a semiconductor layer, particle simulation can be performed while etching is being performed, and fluid simulation can be performed during other steps.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば複数の粒子の輸送
特性を解析する粒子シミュレーションにおいて、解析領
域内に物理量が存在しない分布が生じたり、ウィンドウ
境界や粒子の供給源付近で不自然な分布が生じることが
なく、粒子シミュレーションの特徴を十分に活かした物
理的に高精度な解析が可能である。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, in a particle simulation that analyzes the transport characteristics of a plurality of particles, a distribution in which no physical quantity exists within the analysis region or a distribution near the window boundary or a particle supply source occurs. This eliminates the occurrence of unnatural distributions and enables highly accurate physically analysis that takes full advantage of the characteristics of particle simulation.

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

第1図は本発明の一実施例による計算手順を示すフロー
チャート、第2図は実施例における超粒子と流体の動き
を示す図、第3図(a) 、 (b)は実施例によって
求められた電子濃度分布と、電子速度分布を従来技術と
比較した図、第4図(a) 、 (b)は9MO8に従
来の粒子シミュレーション技術を適用した場合の9MO
8の構造断面図と中央断面における超粒子の配置を示す
図、第5図は従来の粒子シミュレーションのウィンドウ
法を適用する9MO8の構造断面図とウィンドウ座標を
示す図、第6図は従来の粒子シミュレーションのウィン
ドウの計算手順を示すフローチャート、第7図は流体シ
ミュレーション手法の概要を示す図、第8図は粒子シミ
ュレーション手法の概要を示す図、第9図は従来の粒子
シミュレーションのウィンドウ法を適用する場合の超粒
子の動きと速度分布の変化の様子を示す図である。 201.501.801・・・P型半導体基板、202
,502.602・・・ゲート酸化膜、203,503
,603・・・ゲート電極、204.504.BO4−
−−n+拡散層(ソース) 、205,505,805
・・・n+拡散層(ドレイン)、206 、506.6
08・・・ソース電極、 207.507,607・・
・ドレイン電極、 208.508,608・・・酸化
膜、209.809・・・ウィンドウ。
Fig. 1 is a flowchart showing the calculation procedure according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a diagram showing the movement of superparticles and fluid in the embodiment, and Fig. 3 (a) and (b) are calculated by the embodiment. Figures 4(a) and 4(b) are diagrams comparing the electron concentration distribution and electron velocity distribution with the conventional technology.
Figure 5 is a structural cross-sectional view of 9MO8 to which the window method of conventional particle simulation is applied and a diagram showing the window coordinates, and Figure 6 is a diagram showing the arrangement of superparticles in the central cross section. A flowchart showing the simulation window calculation procedure, Figure 7 is a diagram showing an overview of the fluid simulation method, Figure 8 is a diagram showing an overview of the particle simulation method, and Figure 9 is a diagram showing the application of the conventional particle simulation window method. FIG. 3 is a diagram showing the movement of superparticles and changes in velocity distribution in the case of FIG. 201.501.801...P-type semiconductor substrate, 202
,502.602...gate oxide film, 203,503
, 603... gate electrode, 204.504. BO4-
--n+ diffusion layer (source), 205,505,805
...n+ diffusion layer (drain), 206, 506.6
08... Source electrode, 207.507,607...
-Drain electrode, 208.508,608...Oxide film, 209.809...Window.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)輸送現象を解析するために、乱数を用いて粒子を
追跡するコンピュータによる粒子シミュレーション方式
において、解析構造の情報を読み込むステップと、前記
解析構造内において流体シミュレーションを実行するス
テップと、前記解析構造内において粒子シミュレーショ
ンを実行すると共に、計算領域内に存在する複数の粒子
を代表する仮想的な粒子に分配されない粒子の輸送を流
体シミュレーションによって計算するステップとを具備
することを特徴とする粒子シミュレーション方式。
(1) In a computer-based particle simulation method that tracks particles using random numbers in order to analyze transport phenomena, the steps include: reading information on an analysis structure; executing a fluid simulation within the analysis structure; and A particle simulation comprising the steps of: performing a particle simulation within a structure; and calculating transport of particles that are not distributed among virtual particles representing a plurality of particles existing within a calculation region using a fluid simulation. method.
(2)輸送現象を解析するために、乱数を用いて粒子を
追跡するコンピュータによる粒子シミュレーション方式
において、解析構造の情報を読み込むステップと、前記
解析構造内において流体シミュレーションを実行するス
テップと、前記解析構造内において物理現象に主に寄与
する部分については粒子シミュレーションを実行すると
共に、前記解析構造内において物理現象に主に寄与しな
い部分においては、計算領域内に存在する複数の粒子を
代表する仮想的な粒子に分配されない粒子の輸送を流体
シミュレーションによって計算するステップとを具備す
ることを特徴とする粒子シミュレーション方式。
(2) In a computer-based particle simulation method that tracks particles using random numbers in order to analyze transport phenomena, the steps include: reading information on an analysis structure; executing a fluid simulation within the analysis structure; and Particle simulation is performed for parts of the structure that mainly contribute to physical phenomena, and virtual simulations that represent multiple particles existing in the calculation domain are performed for parts of the analysis structure that do not mainly contribute to physical phenomena. 1. A particle simulation method comprising the step of calculating transport of particles that are not distributed among particles by fluid simulation.
(3)粒子シミュレーションを限られた領域に適用し、
前記領域内において前記仮想的な粒子に分配されない粒
子と前記領域外に存在する粒子の輸送を前記流体シミュ
レーションによって計算することを特徴とする請求項1
に記載の粒子シミュレーション方式。
(3) Applying particle simulation to a limited area,
2. Transport of particles that are not distributed to the virtual particles within the region and particles that exist outside the region is calculated by the fluid simulation.
Particle simulation method described in .
(4)粒子シミュレーションを適用する前記解析領域内
に粒子の供給源を含む場合に、前記供給源と前記解析領
域との境界において、粒子数を固定する境界条件で前記
流体シミュレーションを実行することを特徴とする請求
項1に記載の粒子シミュレーション方式。
(4) When a particle supply source is included in the analysis region to which particle simulation is applied, the fluid simulation may be executed with a boundary condition that fixes the number of particles at the boundary between the supply source and the analysis region. The particle simulation method according to claim 1, characterized in that:
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015001769A (en) * 2013-06-13 2015-01-05 住友重機械工業株式会社 Plasma simulation method and plasma simulation program

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015001769A (en) * 2013-06-13 2015-01-05 住友重機械工業株式会社 Plasma simulation method and plasma simulation program

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