JPH06232231A - Electric properties evaluation device for semiconductor - Google Patents

Electric properties evaluation device for semiconductor

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Publication number
JPH06232231A
JPH06232231A JP1506393A JP1506393A JPH06232231A JP H06232231 A JPH06232231 A JP H06232231A JP 1506393 A JP1506393 A JP 1506393A JP 1506393 A JP1506393 A JP 1506393A JP H06232231 A JPH06232231 A JP H06232231A
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JP
Japan
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electron
unit
hole
calculation
energy conservation
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Application number
JP1506393A
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Japanese (ja)
Inventor
Kanji Ohara
完治 大原
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electronics Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH06232231A publication Critical patent/JPH06232231A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a stable solution quickly in a numerical analysis of semiconductor elements. CONSTITUTION:This device is provided with a calculation part 13 based on a decoupled method and a calculation part 17 based on a Newton method and has a change over part 18 which changes over the two calculation parts in automatic mode. In the calculation part 13, a calculation part 14, which solves a Poison equation, an electron and electric current continuous equation and a hole current continuous equation, determines potential, electron concentration and hole concentration while a carrier temperature prediction part 15 provides an initial value of a carrier temperature and a calculation part 16 which solves electron energy conservation law, hole energy conservation law, calculates electron temperature and hole temperature. The calculation part 17 solves the Poison equation, the electron continuous equation, the hole current continuous equation, the electron energy conservation law and the hole energy conservation law based on the Newton method and determines everything about the potential, the electron concentration, the electron concentration and the hole temperature.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の電気特性
を解析評価する手法に関し、特に数値計算によって半導
体内部の電気特性を表す物理量、たとえば電位分布、電
子濃度分布、正孔濃度分布、電子温度分布および正孔温
度分布の少なくとも1つの物理量の所定の位置における
値を求める半導体素子の電気特性評価装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for analyzing and evaluating electric characteristics of a semiconductor device, and more particularly to a physical quantity representing electric characteristics inside a semiconductor by numerical calculation, such as a potential distribution, an electron concentration distribution, a hole concentration distribution, and an electron. The present invention relates to an electric characteristic evaluation apparatus for a semiconductor element, which obtains a value at a predetermined position of at least one physical quantity of a temperature distribution and a hole temperature distribution.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体内の電位分布、電子濃度分布およ
び正孔濃度分布を数値的に解析する手法としてポアソン
方程式、電子電流連続方程式および正孔電流連続方程式
の3つの基本方程式を数値的に解いて、半導体の電気特
性を解析する手法が知られている。また、半導体素子の
試作に先立って予測する前記の手段は、デバイスシミュ
レーション技術として知られている(たとえば、アナリ
シス・アンド・シミュレーション・オブ・セミコンダク
タ・デバイス、1984年、出版スプリンガー・ベルラ
グ社、著者S.ゼルバヘル(S. Selberherr, 'Analysis
and Simulationof Semiconductor Devices', Springer
-Verlag, 1984))。
2. Description of the Related Art As a method for numerically analyzing a potential distribution, an electron concentration distribution, and a hole concentration distribution in a semiconductor, three basic equations of Poisson equation, electron current continuity equation, and hole current continuity equation are numerically solved. Therefore, a method for analyzing the electrical characteristics of a semiconductor is known. Further, the above-mentioned means for predicting prior to the trial manufacture of a semiconductor device is known as a device simulation technique (for example, Analysis and Simulation of Semiconductor Devices, 1984, Publisher Springer Berlag, author S. .S. Selberherr, 'Analysis
and Simulationof Semiconductor Devices', Springer
-Verlag, 1984)).

【0003】この技術は、半導体素子の内部に図4に示
すように縦横に格子線を引き、その交点を離散化用の格
子点Aとし、それらの格子点Aの上で、ポアソン方程
式、電子電流連続方程式および正孔電流連続方程式の合
計3つの以下に示す連立偏微分方程式を、未知数である
電位ψ、電子濃度n、正孔濃度pについて解くものであ
る。いま、ポアソン方程式、電子電流連続方程式および
正孔電流連続方程式をそれぞれF、G、Hの汎関数で表
わすと、 F(ψ、n、p)=0 G(ψ、n、p)=0 H(ψ、n、p)=0 と表わすことができる。通常は大型コンピュータ上でこ
れらの方程式を数値的に解くプログラムの形で実現され
る。なお、上式において、ψは電位、nは電子濃度、p
は正孔濃度である。
In this technique, as shown in FIG. 4, a grid line is drawn vertically and horizontally inside a semiconductor device, and the intersections thereof are used as discretization grid points A. On these grid points A, Poisson's equation, electron The following three simultaneous partial differential equations in total of the current continuity equation and the hole current continuity equation are solved for the unknown potential ψ, electron concentration n, and hole concentration p. Now, when the Poisson equation, the electron current continuity equation, and the hole current continuity equation are respectively expressed by the functionals of F, G, and H, F (ψ, n, p) = 0 G (ψ, n, p) = 0 H It can be expressed as (ψ, n, p) = 0. It is usually implemented in the form of a program that numerically solves these equations on a large computer. In the above equation, ψ is potential, n is electron concentration, p
Is the hole concentration.

【0004】近年では、半導体素子の微細化にともな
い、キャリア(電子および正孔)温度がデバイス温度よ
りも見掛け上高くなるホットキャリア現象という物理的
課題の解決のために、電子と正孔のエネルギー保存則を
上記3つの基本方程式に連立させて解くことにより、電
子温度、正孔温度を考慮に入れた、より正確なシミュレ
ーションを目指すようになってきている。
In recent years, with the miniaturization of semiconductor elements, the energy of electrons and holes has been increased in order to solve the physical problem of hot carrier phenomenon in which the temperature of carriers (electrons and holes) is apparently higher than the device temperature. By solving the conservation law by solving the above three basic equations at the same time, a more accurate simulation in which the electron temperature and the hole temperature are taken into consideration has been aimed at.

【0005】これにより、上記3つの基本方程式も少し
変わり、以下に示す5つの基本方程式が解かれる。電子
エネルギー保存則、正孔エネルギー保存則をそれぞれ汎
関数P、Qで表わすと F(ψ、n、p、Tn、Tp)=0 G(ψ、n、p、Tn、Tp)=0 H(ψ、n、p、Tn、Tp)=0 P(ψ、n、p、Tn、Tp)=0 Q(ψ、n、p、Tn、Tp)=0 と表わすことができる。なお、上式において、Tnは電
子温度、Tpは正孔温度である。
As a result, the above three basic equations are slightly changed, and the following five basic equations can be solved. The electron energy conservation law and the hole energy conservation law are respectively represented by functionals P and Q: F (ψ, n, p, Tn, Tp) = 0 G (ψ, n, p, Tn, Tp) = 0 H ( ψ, n, p, Tn, Tp) = 0 P (ψ, n, p, Tn, Tp) = 0 Q (ψ, n, p, Tn, Tp) = 0 In the above equation, Tn is the electron temperature and Tp is the hole temperature.

【0006】前記5つの基本方程式は、未知数である
ψ、n、p、Tn、Tpに関する非線形方程式であるた
め、なんらかの方法で定めた初期値を基に、線形化を施
し、反復的に解を求める手法が用いられる。
Since the above five basic equations are non-linear equations related to unknown numbers ψ, n, p, Tn, and Tp, linearization is performed based on an initial value determined by some method, and a solution is iteratively obtained. The required method is used.

【0007】すなわち、ψ、n、p、Tn、Tpの初期値
ψ0、n0、p0、Tn0、Tp0から出発して修正量δψ、
δn 、δp、δTn、δTpを以下に述べる方法で求め
る。
That is, starting from initial values ψ 0 , n 0 , p 0 , Tn 0 , and Tp 0 of ψ, n, p, Tn, and Tp, correction amounts δψ,
δn, δp, δTn, δTp are obtained by the method described below.

【0008】 ψk+1 ← ψk + δψkk+1 ← nk + δnkk+1 ← pk + δpk Tnk+1 ← Tnk + δTnkpk+1 ← Tpk + δTpk 修正量が十分小さくなるまでこの手続きを繰り返す。こ
こで、k=0,1,2,・・・・である。
Ψ k + 1 ← ψ k + δψ k n k + 1 ← n k + δn k p k + 1 ← p k + δp k Tn k + 1 ← T nk + δT nk T pk + 1 ← T pk This procedure is repeated until the + δT pk correction amount becomes sufficiently small. Here, k = 0, 1, 2, ...

【0009】基本方程式を解き、δψ、δn、δp、δ
Tn、δTpを求めるのだが、そのうちのδψ、δn、δ
pを求める手法として2つの方法が知られている。それ
らをここではニュートン(Newton)法、デカップルド
(Decoupled)法と呼ぶ。
Solving the basic equations, δψ, δn, δp, δ
Tn and δTp are calculated, of which δψ, δn, δ
There are two known methods for obtaining p. They are called here the Newton method and the decoupled method.

【0010】これらの方法の概要は以下に述べるが、一
言で言えば、ニュートン法の特長は解が得られないこと
があるが多くの場合きわめて高速に解が得られる方法で
あり、デカップルド法の特長は計算時間がかかるが確実
に解が得られる方法である。
The outline of these methods will be described below. In short, the Newton's method has the advantage that a solution may not be obtained in many cases, but in many cases, a solution can be obtained very quickly. The feature of is that it takes a long time to calculate, but a solution can be obtained reliably.

【0011】ここで、基本方程式を反復手続きで解く方
法を述べ、ニュートン法とデカップルド法について説明
する。いま、簡単のためにポアソン方程式、電子電流連
続方程式および正孔電流連続方程式の3つの基本方程式
を解く場合について説明する。
Here, a method for solving the basic equation by an iterative procedure will be described, and the Newton method and the decoupled method will be described. Now, for simplification, a case of solving three basic equations of Poisson equation, electron current continuity equation and hole current continuity equation will be described.

【0012】 F(ψ*,n*,p*) = 0 G(ψ*,n*,p*) = 0 H(ψ*,n*,p*) = 0 ここに、ψ*、n*、p*は真の解であり、初期値ψ0、n
0、p0に対して ψ* = ψ0+δψ n* = n0+δn p* = p0+δp を満たす。修正量δψ、δn、δpは、次の連立1次方
程式を満たす。
F (ψ * , n * , p * ) = 0 G (ψ * , n * , p * ) = 0 H (ψ * , n * , p * ) = 0 where ψ * , n * , P * is the true solution and the initial values ψ 0 , n
For 0 and p 0 , ψ * = ψ 0 + δψ n * = n 0 + δn p * = p 0 + δp is satisfied. The correction amounts δψ, δn, δp satisfy the following simultaneous linear equations.

【0013】 ∂F/∂ψ・δψ + ∂F/∂n・δn + ∂F/∂p・δp = −F(ψ0,n0,p0) ∂G/∂ψ・δψ + ∂G/∂n・δn + ∂G/∂p・δp = −G(ψ0,n0,p0) ∂H/∂ψ・δψ + ∂H/∂n・δn + ∂H/∂p・δp = −H(ψ0,n0,p0) これらの式を図4に示したN個の格子点Aを用いて離散
化すると、3N個の連立1次方程式となる。この連立方
程式から各格子点A上での修正量δψ、δn、δpにつ
いて求め、初期値に加えるという操作を反復して行って
いく。これが前に述べたニュートン法の手法である。
∂F / ∂ψ ・ δψ + ∂F / ∂n ・ δn + ∂F / ∂p ・ δp = −F (ψ 0 , n 0 , p 0 ) ∂G / ∂ψ ・ δψ + ∂G / ∂n ・ δn + ∂G / ∂p ・ δp = −G (ψ 0 , n 0 , p 0 ) ∂H / ∂ψ ・ δψ + ∂H / ∂n ・ δn + ∂H / ∂p ・ δp = − H (ψ 0 , n 0 , p 0 ) When these equations are discretized using the N lattice points A shown in FIG. 4, 3N simultaneous linear equations are obtained. The correction amounts δψ, δn, and δp on each grid point A are obtained from this simultaneous equation, and the operation of adding them to the initial value is repeated. This is the Newton method described earlier.

【0014】ところで、解析する素子の電圧条件が低
く、電流が流れていない状態では、電圧の微小な変化に
対してキャリア密度は変化せず、生成再結合も起らない
ために、∂G/∂ψ、∂G/∂p、∂H/∂ψ、∂H/
∂nの値は無視できるくらいに小さくなる。この場合に
は、これらの式を別々に解くだけで修正量δψ、δn、
δpを求めることができる。つまり、 ∂F/∂ψ・δψ = −F(ψ0,n0,p0) ∂G/∂n・δn = −G(ψ0,n0,p0) ∂H/∂p・δp = −H(ψ0,n0,p0) の3つの方程式を別々に解き、修正量δψ、δn、δp
を求める。これがデカップルド法の手法である。デカッ
プルド法ではN個の連立1次方程式を別々に3回解くこ
とになるが、トータルの計算時間としてはニュートン法
の計算量がたいへん多いためにデカップルド法の方が短
くなる。
By the way, when the voltage condition of the element to be analyzed is low and no current is flowing, the carrier density does not change with respect to a minute change of the voltage, and generation / recombination does not occur, so that ∂G / ∂ψ, ∂G / ∂p, ∂H / ∂ψ, ∂H /
The value of ∂n becomes so small that it can be ignored. In this case, correction amounts δψ, δn,
δp can be obtained. That is, ∂F / ∂ψ · δψ = −F (ψ 0 , n 0 , p 0 ) ∂G / ∂n · δn = −G (ψ 0 , n 0 , p 0 ) ∂H / ∂p · δp = -H (ψ 0 , n 0 , p 0 ) 3 equations are solved separately, and the correction amounts δψ, δn, δp
Ask for. This is the decoupled method. In the decoupled method, N simultaneous linear equations are separately solved three times, but the total amount of calculation time is much larger in the Newton method, so the decoupled method is shorter.

【0015】一方、ある程度電圧条件が高くなり、電流
が流れるようになると、電圧の微小な変化に対してキャ
リア密度が大きく変化するようになり、生成再結合もさ
かんに行われるために、∂G/∂ψ、∂G/∂p、∂H
/∂ψ、∂H/∂nの値は無視できないくらい大きな値
になってくる。これをデカップルド法で解こうとすると
反復回数が非常に多くなるか、収束解が得られないとい
うことになる。
On the other hand, when the voltage condition rises to some extent and a current flows, the carrier density changes greatly with respect to a slight change in the voltage, and the generation and recombination is performed easily, so that ∂G / ∂ψ, ∂G / ∂p, ∂H
The values of / ∂ψ and ∂H / ∂n become so large that they cannot be ignored. If you try to solve this by the decoupled method, the number of iterations will be too large, or a convergent solution cannot be obtained.

【0016】このようにニュートン法とデカップルド法
は相補う関係にあり、両者の長所を活かすように使用者
がどちらか指定して使い分けたり、ある電圧条件以上で
デカップルド法からニュートン法に切り替えたり、なん
らかの予測のもとにデカップルド法で収束しないと判断
したらニュートン法に自動的に切り替わるようにして使
用している。
As described above, the Newton's method and the decoupled method are in a complementary relationship, and the user designates which one is to be used so as to make the best use of the advantages of both, and switches from the decoupled method to the Newton's method when a certain voltage condition is exceeded, When it is judged that the decoupled method does not converge based on some prediction, it is automatically switched to the Newton method.

【0017】一方、前記した電子エネルギー保存則、正
孔エネルギー保存則の解法としては ∂P/∂Tn・δTn = −P(ψ0,n0,p0,Tn0,Tp0) ∂Q/∂Tp・δTp = −Q(ψ0,n0,p0,Tn0,Tp0) のように単独で解かれる。これは、上記ボアソン方程
式、電子電流連続方程式および正孔電流連続方程式の3
つの基本方程式が半導体の物理現象を上手く記述して、
かなり矛盾なく解が得られるのに対し、エネルギー保存
則は解の初期値が良くないと収束しないなど、解くのが
難しいという理由がある。そこで、ポアソン方程式、電
子電流連続方程式および正孔電流連続方程式の3つの基
本方程式を完全に収束させて、その解をエネルギー保存
則では固定し、δTnとδTpだけを変数として解を求
め、それから再度上記3つの基本方程式を解くという処
理を繰り返している。
On the other hand, as a solution of the above-mentioned electron energy conservation law and hole energy conservation law, ∂P / ∂T n · δT n = −P (ψ 0 , n 0 , p 0 , Tn 0 , Tp 0 ) ∂ Q / ∂T p · δT p = −Q (ψ 0 , n 0 , p 0 , Tn 0 , Tp 0 ) can be solved independently. This is the same as the above Poisson equation, electron current continuity equation and hole current continuity equation.
Two basic equations well describe the physical phenomena of semiconductors,
There is a reason that it is difficult to solve, for example, the energy conservation law does not converge if the initial value of the solution is not good, while the solution can be obtained quite consistently. Therefore, the three basic equations of Poisson's equation, electron current continuity equation and hole current continuity equation are completely converged, the solution is fixed by the energy conservation law, and the solution is obtained using only δTn and δTp as variables, and then again. The process of solving the above three basic equations is repeated.

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】しかし上記従来の構成
では、解法が良くないために収束解が得られなかった
り、あるいは短時間で解が得られるにも拘らず、計算時
間の長い方法を選んでしまうことがあった。
However, in the above-mentioned conventional configuration, a convergent solution cannot be obtained because the solution method is not good, or a solution having a long calculation time is selected although the solution can be obtained in a short time. There was something that happened.

【0019】また、エネルギー保存則は、そのモデル式
自体物理現象を正確に記述しづらいこともあるが、その
計算手法において収束性があまり良くなく、ポアソン方
程式、電子電流連続方程式および正孔電流連続方程式の
解であるポテンシャル、電子濃度、正孔濃度との物理的
矛盾により収束しなかったり、計算が発散してしまうこ
とも多かった。
In the energy conservation law, the model equation itself may be difficult to describe accurately, but the calculation method has poor convergence, and Poisson's equation, electron current continuity equation, and hole current continuity equation are not good. In many cases, the calculations did not diverge due to physical contradictions with the potential, electron concentration, and hole concentration that were the solution of the equation.

【0020】本発明の目的は、半導体素子の数値解析を
行う際の基本方程式であるポアソン方程式、電子電流連
続方程式、正孔電流連続方程式、電子エネルギー保存則
および正孔エネルギー保存則を高速かつ安定に解き、そ
れらの解であるポテンシャル、電子濃度、正孔濃度、電
子温度および正孔温度を物理的矛盾なく計算する電気特
性評価装置を提供することにある。
The object of the present invention is to quickly and stably implement the Poisson's equation, the electron current continuity equation, the hole current continuity equation, the electron energy conservation law, and the hole energy conservation law, which are the basic equations for conducting the numerical analysis of a semiconductor device. Another object of the present invention is to provide an electric characteristic evaluation apparatus that solves these potentials, the electron concentration, the hole concentration, the electron temperature, and the hole temperature, which are the solutions, without physical contradiction.

【0021】また本発明の目的は、ニュートン法の計算
部とデカップルド法の計算部を切り替えるに際し、解法
が良くないために収束解が得られなかったり、あるいは
短時間で解が得られるにも拘らず、計算時間の長い方法
を選ぶことがないように、如何なる素子構造、バイアス
条件に対しても収束解を短時間で且つ確実に求めること
ができる電気特性評価装置を提供することにある。
Another object of the present invention is that, when the calculation unit of the Newton method and the calculation unit of the decoupled method are switched, a convergent solution cannot be obtained because the solution is not good, or a solution can be obtained in a short time. In other words, it is an object of the present invention to provide an electric characteristic evaluation apparatus capable of surely obtaining a converged solution for any element structure and bias condition in a short time so as not to select a method having a long calculation time.

【0022】また本発明の目的は、エネルギー保存則の
解であるキャリア温度を予測するに際し、エネルギー保
存則を高速かつ確実に解くために、反復計算に入る前に
必要な初期値として最終的な解にあらかじめ近いような
値を予測することのできる電気特性評価装置を提供する
ことにある。
Another object of the present invention is to predict the carrier temperature, which is the solution of the energy conservation law, in order to solve the energy conservation law quickly and surely. An object of the present invention is to provide an electrical characteristic evaluation device capable of predicting a value that is close to a solution in advance.

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体素子の電気特性評価装置は、入力部
と、前記入力部と接続されたCPUと、前記CPUに接
続された切替部と、前記切替部に接続された2つの計算
部と、前記計算部の出力が出力される出力部とを備え、
前記計算部の一方は少なくともデカップルド法の計算部
であって、ポアソン方程式、電子電流連続方程式、正孔
電流連続方程式を解く第1の計算部と、電子エネルギー
保存則、正孔エネルギー保存則を解く第2の計算部と、
キャリア温度を予測するキャリア温度予測部とを有し、
前記計算部の他方はニュートン法の計算部であって、前
記5つの基本方程式を同時に、また繰り返して解く計算
部とを有するように構成したものである。
In order to solve the above-mentioned problems, an apparatus for evaluating electrical characteristics of a semiconductor device according to the present invention comprises an input section, a CPU connected to the input section, and a switch connected to the CPU. A calculation unit, two calculation units connected to the switching unit, and an output unit that outputs the output of the calculation unit,
One of the calculation units is at least a calculation unit of the decoupled method, which solves the Poisson equation, the electron current continuity equation, the hole current continuity equation, and the electron energy conservation law and the hole energy conservation law. A second calculator,
And a carrier temperature prediction unit that predicts the carrier temperature,
The other of the calculation units is a calculation unit of Newton's method, and is configured to include a calculation unit that solves the five basic equations simultaneously and repeatedly.

【0024】また、デカップルド法とニュートン法の計
算法を切り替える切替部として、デカップルド法の計算
部を用いて離散化用の格子点上でのキャリア温度Tの修
正量δTの変化の仕方を見ながら判断してニュートン法
の計算部に切り替え、以後デカップルド法の計算部を用
いない構成にしたものである。
As a switching unit for switching the calculation method between the decoupled method and the Newton method, the calculation unit of the decoupled method is used to see how the correction amount δT of the carrier temperature T on the lattice point for discretization changes. After making a decision, the calculation unit of the Newton method is switched to, and thereafter the calculation unit of the decoupled method is not used.

【0025】また、半導体素子内のキャリア温度を予測
するキャリア温度予測部として、デカップルド法の計算
部でエネルギー保存則を計算する前に電子濃度、正孔濃
度の値により、エネルギー保存則を解いて求められるキ
ャリア温度を予測して初期値とする機能を持たせた構成
にしたものである。
As the carrier temperature predicting unit for predicting the carrier temperature in the semiconductor element, the energy conservation law is solved by the values of the electron concentration and the hole concentration before the energy conservation law is calculated by the calculation unit of the decoupled method. It is configured to have a function of predicting the required carrier temperature and setting it as an initial value.

【0026】[0026]

【作用】半導体素子の数値解析を行う場合に、上記従来
の構成では解法が良くないために収束解が得られなかっ
たり、あるいは短時間で解が得られるにも拘らず、計算
時間の長い方法を選んでしまうことがあった。また、エ
ネルギー保存則は、そのモデル式自体物理現象を正確に
記述しづらいこともあるが、その計算手法において収束
性があまり良くなく、ポアソン方程式、電子電流連続方
程式および正孔電流連続方程式の解であるポテンシャ
ル、電子濃度、正孔濃度との物理的矛盾により収束しな
かったり、計算が発散してしまうことも多かった。
When a numerical analysis of a semiconductor device is performed, a convergent solution cannot be obtained because the solution is not good in the above-mentioned conventional configuration, or a method that requires a long calculation time although the solution can be obtained in a short time. I sometimes chose. In addition, although the energy conservation law sometimes makes it difficult to describe the physical phenomenon itself accurately, the convergence of the calculation method is not so good, and the Poisson equation, electron current continuity equation, and hole current continuity equation are solved. In many cases, it did not converge due to a physical contradiction between the potential, the electron concentration, and the hole concentration, or the calculation diverged.

【0027】しかし、本発明では基本方程式をデカップ
ルド法とニュートン法の2種類で解く機能を備え、それ
らを適切に切り替える切替部とキャリア温度を予測する
予測部をもっているために高速かつ安定に解を求めるこ
とができる。
However, the present invention has a function of solving the basic equation by the decoupled method and the Newton's method, and has a switching section for appropriately switching between them and a predicting section for predicting the carrier temperature. You can ask.

【0028】また本発明では切替部において、キャリア
温度Tの修正量δTの変化の仕方を見ながら判断してニ
ュートン法の計算部に計算手段を切り替え、以後デカッ
プルド法の計算手段は用いないために高速かつ安定に解
を求めることができる。
Further, in the present invention, the switching unit switches the calculation means to the calculation unit of the Newton method by making a judgment while observing how the correction amount δT of the carrier temperature T changes, and thereafter the calculation unit of the decoupled method is not used. The solution can be obtained quickly and stably.

【0029】また本発明では予測部において、デカップ
ルド法の計算部でエネルギー保存則を計算する前に電子
濃度、正孔濃度の値により、エネルギー保存則を解いて
求められるキャリア温度を予測する機能を持つために高
速かつ安定に解を求めることができる。
In the present invention, the predicting unit has a function of predicting the carrier temperature obtained by solving the energy conservation law based on the values of the electron concentration and the hole concentration before calculating the energy conservation law in the decoupling method calculation unit. Since it has, it can obtain a solution quickly and stably.

【0030】[0030]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図1は本発明の一実施例における半導体素子の
電気特性評価装置を示す概略構成図である。図1におい
て、11は各種演算・制御を行なうCPU、12は素子
の基本構造である素子形状、半導体部分のドナー・アク
セプター分布、電極位置および電位等を読みとる入力
部、13はデカップルド法により基本方程式を解く計算
部、14は5つの基本方程式のうちポアソン方程式、電
子電流連続方程式およびホール電流連続方程式を解く計
算部、15はエネルギー保存則を解くことにより求めら
れるキャリア温度の解を予測し、初期値を与えるキャリ
ア温度予測部、16は電子エネルギー保存則および正孔
エネルギー保存則を解く計算部であり、14と15と1
6はデカップルド法の計算部13の内部に含まれる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an electric characteristic evaluation apparatus for a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 11 is a CPU for performing various calculations and controls, 12 is an input section for reading the element shape, which is the basic structure of the element, the donor / acceptor distribution in the semiconductor portion, the electrode position and the potential, and 13 is the basic equation by the decoupled method. A calculation unit for solving the Poisson equation, an electron current continuity equation, and a Hall current continuity equation out of the five basic equations, and 15 predicts a carrier temperature solution obtained by solving the energy conservation law, A carrier temperature predicting unit that gives a value, and 16 is a calculating unit that solves the electron energy conservation law and the hole energy conservation law.
6 is included in the calculation unit 13 of the decoupled method.

【0031】17はポアソン方程式、電子電流連続方程
式、ホール電流連続方程式、電子エネルギー保存則およ
び正孔エネルギー保存則をニュートン法で解く計算部で
あり、18はデカップルド法で解く計算部13とニュー
トン法で解く計算部17とを切り替える機能を持つ切替
部、19は最終的に得られた収束解を出力する出力部で
ある。
Reference numeral 17 is a calculator for solving Poisson's equation, electron current continuity equation, hole current continuity equation, electron energy conservation law, and hole energy conservation law by the Newton method, and 18 is a computation section 13 for solving by the decoupled method and the Newton method. A switching unit having a function of switching between the calculation unit 17 and the calculation unit 17, and 19 is an output unit that outputs the finally obtained converged solution.

【0032】ここで、本装置の特徴部分は、5つの基本
方程式をデカップルド法で解く計算部13に加えて、ニ
ュートン法で解く計算部17を加え、それらを適切な方
で計算するように切り替えることのできる切替部18
と、エネルギー保存則の解であるキャリア温度を予測す
るキャリア温度予測部15を設けた点にある。
Here, the characteristic part of the present apparatus is such that, in addition to the calculation unit 13 that solves the five basic equations by the decoupled method, the calculation unit 17 that solves by the Newton method is added, and they are switched so that they are calculated by an appropriate one. Switching unit 18 that can
Then, the carrier temperature predicting unit 15 for predicting the carrier temperature which is the solution of the energy conservation law is provided.

【0033】また、本装置の特徴部分は、上記切替部1
8においてキャリア温度Tの修正量δTの変化を見なが
らデカップルド法のまま計算を続行するか、ニュートン
法にするかの判断をし、ニュートン法の方が良いと判断
した場合にはニュートン法に解法を移し、再度デカップ
ルド法に戻らないようにする。また、このままでは計算
が発散すると判断した場合には入力部12において電圧
条件を変えて計算を再度やり直す機能を設けた点にあ
る。
The characteristic part of the present apparatus is the switching unit 1 described above.
In step 8, while observing the change of the correction amount δT of the carrier temperature T, it is judged whether to continue the calculation with the decoupled method or to use the Newton method, and when it is judged that the Newton method is better, the Newton method is solved. To avoid returning to the decoupled method again. In addition, if it is determined that the calculation will diverge as it is, a function of changing the voltage condition in the input unit 12 and performing the calculation again is provided.

【0034】また、本装置の特徴部分は、上記キャリア
温度予測部15において、デカップルド法によりポアソ
ン方程式、電子電流連続方程式および正孔電流連続方程
式を解いて求められる電子濃度と正孔濃度から空乏層内
でのキャリア温度分布を予測する機能を設けた点にあ
る。この予測の機能は1つ前の電圧条件下でのキャリア
温度の変化により空乏層端から空乏層内部へのキャリア
温度の立ち上がりの勾配を与え、デバイス全体のキャリ
ア温度を予測して初期値とすることである。
The characteristic part of this device is that the carrier temperature predicting section 15 solves the Poisson's equation, the electron current continuity equation and the hole current continuity equation by the decoupled method, and determines the depletion layer from the electron concentration and the hole concentration. The point is that a function for predicting the carrier temperature distribution inside is provided. The function of this prediction is to give a rising gradient of the carrier temperature from the edge of the depletion layer to the inside of the depletion layer by changing the carrier temperature under the previous voltage condition, and predict the carrier temperature of the entire device to be the initial value. That is.

【0035】次に、上記装置を用いた半導体素子の電気
特性評価の方法を図2のフローチャートと図3の予測の
概念を説明する図を参照して説明する。図2は上記装置
を用いた半導体素子の電気特性評価の処理手順示すフロ
ーチャートである。図2において、まず、計算を行う端
子電圧を決定する。1つの電圧条件下で以下の処理をす
べて行い、その後次の電圧条件下でまた以下の処理を行
う。今の電圧条件下で電位、電子濃度、正孔濃度の初期
値を求め、ポアソン方程式、電子電流連続方程式および
正孔電流連続方程式を解いて、電位ψ、電子濃度n、正
孔濃度pを求める。このとき、3つの基本方程式を別々
に解くデカップルド法でも同時に解くニュートン法のど
ちらでも良い。この後収束判定を行い、収束条件を満た
せば次に進み、満たさなければこの計算を繰り返す。こ
の収束判定条件としては、たとえば修正量δψ、δn、
δpが各々所定の値以下であるか否かを判断する、など
の方法が考えられる。次に、予測部においてこの後に計
算される電子温度および正孔温度の予測を行う。
Next, a method for evaluating the electrical characteristics of a semiconductor device using the above apparatus will be described with reference to the flowchart of FIG. 2 and the diagram for explaining the concept of prediction in FIG. FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure for evaluating electrical characteristics of a semiconductor device using the above apparatus. In FIG. 2, first, the terminal voltage for calculation is determined. The following treatments are all performed under one voltage condition, and then the following treatments are performed again under the next voltage condition. Under the current voltage conditions, the initial values of the electric potential, the electron concentration, and the hole concentration are obtained, and the Poisson equation, the electron current continuity equation, and the hole current continuity equation are solved to obtain the electric potential ψ, the electron concentration n, and the hole concentration p. . At this time, either a decoupled method for solving the three basic equations separately or a Newton's method for solving them simultaneously may be used. After this, a convergence judgment is made. If the convergence condition is satisfied, the process proceeds to the next step, and if not, this calculation is repeated. As the convergence determination condition, for example, the correction amounts δψ, δn,
A method such as determining whether or not each δp is a predetermined value or less can be considered. Next, the prediction unit predicts the electron temperature and the hole temperature calculated thereafter.

【0036】次に、予測された電子温度と正孔温度を初
期値にして電子エネルギー保存則および正孔エネルギー
保存則を解き、電子温度Tn、正孔温度Tpを求める。こ
の後収束判定を行い、収束条件を満たせば次に進み、満
たさなければこの計算を繰り返す。この収束判定条件と
しては、たとえば修正量δTn、δTpが全て各々所定の
値以下であるか否かを判断する、などの方法が考えられ
る。
Next, using the predicted electron temperature and hole temperature as initial values, the electron energy conservation law and the hole energy conservation law are solved to obtain the electron temperature Tn and the hole temperature Tp. After this, a convergence judgment is made. If the convergence condition is satisfied, the process proceeds to the next step, and if not, this calculation is repeated. As the convergence determination condition, for example, a method of determining whether or not the correction amounts δTn and δTp are each less than or equal to a predetermined value can be considered.

【0037】次に切替部においてこのままデカップルド
法で計算を続行するか、ニュートン法に切り替えるかの
判断を行う。ここではδTn、δTpの最大値の変化を見
ながらデカップルド法にするか、ニュートン法にするか
決定する。また、このまま計算を続行すると計算が発散
するかもしれないと判断した場合には入力部での電圧条
件を変更して計算をやり直す。
Next, the switching unit determines whether to continue the calculation by the decoupled method or to switch to the Newton method. Here, it is determined whether to use the decoupled method or the Newton method while observing the changes in the maximum values of δTn and δTp. If it is determined that the calculation may diverge if the calculation is continued as it is, the voltage condition in the input unit is changed and the calculation is performed again.

【0038】次にニュートン法の計算部では5つの基本
方程式を同時に計算し、電位ψ、電子濃度n、正孔濃度
p、電子温度Tnおよび正孔温度Tpを同時に求め、同時
に解の更新を行う。この後収束判定を行い、収束条件を
満たせばその電圧条件下での計算を終了し、次の電圧条
件で以上の手順を繰り返す。
Next, the calculation unit of the Newton method simultaneously calculates five basic equations to simultaneously obtain the potential ψ, the electron concentration n, the hole concentration p, the electron temperature Tn and the hole temperature Tp, and update the solution at the same time. . After that, the convergence judgment is performed, and if the convergence condition is satisfied, the calculation under the voltage condition is ended, and the above procedure is repeated under the next voltage condition.

【0039】最後の電圧条件まで終了したら、最終的な
電位ψ、電子濃度n、正孔濃度p、電子温度Tn、正孔
温度Tpを用いて、それらをグラフィックデータとして
出力したり、電流密度、端子電流、電界、移動度、生成
消滅速度などの分布をグラフィックデータとして出力す
る。
When the final voltage conditions are completed, the final potential ψ, electron concentration n, hole concentration p, electron temperature Tn, and hole temperature Tp are used to output them as graphic data, current density, The distribution of terminal current, electric field, mobility, generation / disappearance speed, etc. is output as graphic data.

【0040】図2を参照しながら上記装置の切替部につ
いて説明する。デカップルド法の計算部において電子エ
ネルギー保存則、正孔エネルギー保存則を解いて求めら
れる修正量δTn、δTpの最大値があらかじめ設定した
値よりも小さくなればニュートン法の計算部に進み、そ
うでなければデカップルド法の計算部に戻る。また、デ
カップルド法の外側のループにおいて反復回数k回目の
修正量δTnk、δTpkの解析領域全体での最大値δTnk
m、δTp kmが減少せずに変化しなかったり、増加する
ような場合には入力部に戻って現在の電圧からその前の
電圧に近づけるような方向に電圧を変更し、計算をやり
直す。この方法を用いると収束性が高まり、かつ最も高
速に計算できる計算方法を自動的に上記装置が選択する
ことができる。
The switching unit of the above apparatus will be described with reference to FIG. If the maximum values of the correction amounts δTn and δTp obtained by solving the electron energy conservation law and the hole energy conservation law in the decoupling method calculation are smaller than the preset values, proceed to the Newton's calculation section. For example, return to the calculation section of the decoupled method. In the outer loop of the decoupled method, the maximum value δTnk of the correction amounts δTnk and δTpk at the k-th iteration in the entire analysis region.
When m and δTp km do not decrease and do not change or increase, the voltage is changed back to the input section so that the current voltage approaches the previous voltage, and the calculation is performed again. When this method is used, the convergence is improved, and the above-mentioned apparatus can automatically select the calculation method that can perform the fastest calculation.

【0041】図3を参照しながら上記装置の予測部につ
いて説明する。デカップルド法の計算部においてポアソ
ン方程式、電子電流連続方程式および正孔電流連続方程
式を求めて得られる電子濃度n、正孔濃度pにより空乏
層の分布が求められる。キャリア温度は空乏層でないと
ころではほぼデバイス温度と等しいが、この空乏層端か
ら空乏層内部に向かって増大し、あるピークをもった後
減少し、空乏層の終わりでまたデバイス温度とほぼ等し
くなる。図3(a)に示されるように、1つ前の電圧条
件下で求められている電子温度と正孔温度の立ち上がり
の角度を直線に近似し、図3(b)に示されるように、
今の電圧条件下での空乏層端までシフトしてやるように
して空乏層全体のキャリア温度を予測し、電子エネルギ
ー保存則および正孔エネルギー保存則を解く際の初期値
とする。
The prediction unit of the above apparatus will be described with reference to FIG. The distribution of the depletion layer is obtained from the electron concentration n and the hole concentration p obtained by obtaining the Poisson equation, the electron current continuity equation and the hole current continuity equation in the calculation unit of the decoupled method. The carrier temperature is almost equal to the device temperature in the non-depletion layer, but increases from the edge of the depletion layer to the inside of the depletion layer, decreases after a certain peak, and becomes almost equal to the device temperature at the end of the depletion layer. . As shown in FIG. 3A, the rising angles of the electron temperature and the hole temperature obtained under the immediately previous voltage condition are approximated to a straight line, and as shown in FIG.
The carrier temperature of the entire depletion layer is predicted by shifting to the edge of the depletion layer under the current voltage conditions, and is used as the initial value when solving the electron energy conservation law and the hole energy conservation law.

【0042】電子エネルギー保存則と正孔エネルギー保
存則の計算は、予測を行わない場合には計算が発散して
しまうことが多いが、この方法で予測を行うと両式を安
定に解くことができる。
The calculations of the electron energy conservation law and the hole energy conservation law often diverge when no prediction is made. However, if the prediction is performed by this method, both equations can be solved stably. it can.

【0043】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。たとえば、本発明を実
施する装置は図1の構成に何等限定されるものではな
く、計算部、出力部、切替部などの機能をソフトウェア
で実現することが可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be carried out in various modified forms without departing from the scope of the invention. For example, the device for carrying out the present invention is not limited to the configuration shown in FIG. 1, and the functions of the calculation unit, the output unit, the switching unit, etc. can be realized by software.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、半導体素
子の数値解析において、特に従来解くのが困難であった
キャリア温度も含めて安定かつ高速に解を得ることが可
能である。
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a stable and high-speed solution in numerical analysis of a semiconductor device, including the carrier temperature, which has been particularly difficult to solve conventionally.

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

【図1】本発明の一実施例における半導体素子の電気特
性評価装置を示す概略構成図
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an electric characteristic evaluation apparatus for a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.

【図2】同実施例における処理手順を示すフローチャー
FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure in the embodiment.

【図3】同実施例の予測部における予測の概念図FIG. 3 is a conceptual diagram of prediction in the prediction unit of the same embodiment.

【図4】デバイスシミュレーションの離散化用格子を示
す模式図
FIG. 4 is a schematic diagram showing a discretization lattice for device simulation.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 CPU 12 入力部 13 デカップルド法の計算部 14 ポアソン方程式、電子電流連続方程式、正孔電流
連続方程式を解く計算部 15 キャリア温度予測部 16 電子エネルギー保存則、正孔エネルギー保存則を
解く計算部 17 ニュートン法の計算部 18 切替部 19 出力部
11 CPU 12 Input Unit 13 Decoupling Method Calculation Unit 14 Poisson's Equation, Electron Current Continuity Equation, Hole Current Continuity Equation Calculation Unit 15 Carrier Temperature Prediction Unit 16 Electron Energy Conservation Law, Hole Energy Conservation Law Calculation Unit 17 Newton's method calculation unit 18 Switching unit 19 Output unit

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 入力部と、前記入力部と接続されたCP
Uと、前記CPUに接続された切替部と、前記切替部に
接続された2つの計算部と、前記計算部の出力が出力さ
れる出力部とを備え、前記計算部の一方は少なくともデ
カップルド法の計算部であって、ポアソン方程式、電子
電流連続方程式、正孔電流連続方程式を解く第1の計算
部と、電子エネルギー保存則、正孔エネルギー保存則を
解く第2の計算部と、キャリア温度の初期値を予測する
キャリア温度予測部とを有し、前記計算部の他方はニュ
ートン法の計算部であって、前記5つの基本方程式を同
時に、また繰り返して解く計算部を有する半導体素子の
電気特性評価装置。
1. An input unit and a CP connected to the input unit
U, a switching unit connected to the CPU, two calculation units connected to the switching unit, and an output unit that outputs the output of the calculation unit, one of the calculation units being at least the decoupled method. Of the Poisson's equation, the electron current continuity equation, and the hole current continuity equation, the second calculation unit for solving the electron energy conservation law, the hole energy conservation law, and the carrier temperature Of the semiconductor device having a carrier temperature predicting unit for predicting an initial value of, and the other of the calculating units is a calculating unit of Newton's method, and the calculating unit solves the five basic equations simultaneously and repeatedly. Characteristic evaluation device.
【請求項2】 デカップルド法とニュートン法の計算部
を切り替える切替部は、デカップルド法の計算部を用い
て離散化用の格子点上でのキャリア温度Tの修正量δT
の変化の仕方を見ながら判断してニュートン法の計算部
に切り替え、以後デカップルド法の計算部は用いないこ
とを特徴とする請求項1記載の半導体素子の電気特性評
価装置。
2. A switching unit for switching between the calculation units of the decoupled method and the Newton's method, wherein the correction unit δT of the carrier temperature T on the lattice points for discretization using the calculation unit of the decoupled method.
2. The electrical characteristic evaluation apparatus for a semiconductor device according to claim 1, wherein the calculation unit of the Newton's method is switched by making a judgment while observing the change of the condition, and the calculation unit of the decoupled method is not used thereafter.
【請求項3】 半導体素子内のキャリア温度を予測する
キャリア温度予測部は、エネルギー保存則を計算する前
に電子濃度、正孔濃度の値により、エネルギー保存則を
解いて求められるキャリア温度を予測して初期値とする
機能を持つことを特徴とする請求項1記載の半導体素子
の電気特性評価装置。
3. A carrier temperature predicting unit for predicting a carrier temperature in a semiconductor device predicts a carrier temperature obtained by solving the energy conservation law based on the values of electron concentration and hole concentration before calculating the energy conservation law. The electrical characteristic evaluation apparatus for a semiconductor element according to claim 1, wherein the apparatus has an initial value function.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4850656A (en) * 1987-03-10 1989-07-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Anti-slip control device for drive wheels of automotive vehicle
JP2014107277A (en) * 2012-11-22 2014-06-09 Advancesoft Aorp Semiconductor device simulation calculation processing method

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