Luận văn thạc sĩ về mô phỏng chế tạo MOS cực nóng trong kỹ thuật điện tử

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điện tử nghiên cứu mô phỏng chế tạo mos cực nóng hổi, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Đặng Công Thịnh
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Trang
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu, mô phỏng chế tạo MOS cực cổng nổi
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về MOSFET và MOS cực cổng nổi

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử, MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) là một linh kiện quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện. MOS cực cổng nổi (Floating-gate MOS) là một biến thể của MOSFET, có khả năng lưu trữ thông tin trong trạng thái không có nguồn điện. Điều này cho phép MOS cực cổng nổi được sử dụng trong các thiết bị non-volatile memory (NVM) như EEPROM và FLASH. Việc nghiên cứu và phát triển MOS cực cổng nổi có vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và khả năng lưu trữ của các thiết bị điện tử hiện đại. Theo nghiên cứu, các thông số như kích thước gate, độ dày oxide, và cấu trúc tổng thể có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và độ tin cậy của MOSFET. Do đó, việc mô phỏng và chế tạo chính xác các đặc điểm này là cần thiết để tối ưu hóa chất lượng của linh kiện.

1.1. Tầm quan trọng của MOSFET trong kỹ thuật điện tử

MOSFET đã trở thành một phần không thể thiếu trong các ứng dụng điện tử hiện đại. Nó cho phép điều khiển dòng điện với hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng. Đặc biệt, công nghệ MOS đã giúp giảm kích thước và tăng mật độ tích hợp của các mạch điện tử. Kỹ thuật bán dẫn đã phát triển mạnh mẽ, với MOSFET là linh kiện chủ chốt, góp phần vào sự phát triển của các thiết bị thông minh và hệ thống vi mạch. Nghiên cứu về MOSFET không chỉ dừng lại ở việc cải thiện hiệu suất mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các linh kiện điện tử tiên tiến hơn.

II. Phân tích và thiết kế MOS cực cổng nổi

Việc thiết kế và phân tích MOS cực cổng nổi yêu cầu một quy trình chế tạo chi tiết, nhằm đảm bảo các thông số hoạt động đạt yêu cầu. Thiết kế mạch điện cho MOS cực cổng nổi không chỉ phụ thuộc vào các thông số vật lý mà còn vào các yếu tố như nhiệt độ cao và các điều kiện môi trường khác. Mô phỏng bằng phần mềm TCAD đã được sử dụng để tạo ra các mô hình 2D và 3D của MOS cực cổng nổi, từ đó giúp xác định các thông số tối ưu cho quá trình chế tạo. Các nghiên cứu cho thấy rằng, hiệu suất năng lượng và tín hiệu điện của MOS cực cổng nổi có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ dày của lớp oxide và kích thước của gate. Do đó, việc mô phỏng và tối ưu hóa các thông số này là rất cần thiết.

2.1. Quy trình chế tạo MOS cực cổng nổi

Quy trình chế tạo MOS cực cổng nổi bao gồm nhiều bước phức tạp, từ việc chuẩn bị vật liệu đến việc lắp ráp và kiểm tra. Sử dụng công nghệ MOS, quy trình này cần được thực hiện dưới điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Các yếu tố như vật liệu bán dẫn, độ dày của lớp oxide, và cách bố trí các linh kiện là rất quan trọng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa quy trình chế tạo có thể cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng và tín hiệu điện của linh kiện, từ đó nâng cao khả năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại.

III. Mô phỏng và phân tích kết quả

Mô phỏng là một công cụ quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển MOS cực cổng nổi. Bằng cách sử dụng các phần mềm mô phỏng như TCAD, các nhà nghiên cứu có thể đánh giá ảnh hưởng của các thông số sản xuất lên chất lượng của MOS cực cổng nổi. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, điện áp ngưỡng và lượng điện tích trên floating gate có sự thay đổi đáng kể khi các thông số như Gate length, Tunnel oxide thickness, và Gate width được điều chỉnh. Những thông tin này rất hữu ích trong việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và nâng cao hiệu suất của linh kiện.

3.1. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số sản xuất

Việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số sản xuất lên chất lượng của MOS cực cổng nổi là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Các thông số như Gate length, Tunnel oxide thickness, và Gate width đã được phân tích kỹ lưỡng. Nghiên cứu cho thấy rằng, sự thay đổi của các thông số này có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong điện áp ngưỡng và hiệu suất năng lượng của linh kiện. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa quy trình chế tạo để đạt được sản phẩm chất lượng cao nhất.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về MOS cực cổng nổi đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử. Việc hiểu rõ về cấu trúc và hoạt động của MOS cực cổng nổi không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình chế tạo mà còn góp phần vào việc phát triển các linh kiện nhớ tiên tiến hơn. Công nghệ MOS sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng mới trong các thiết bị điện tử thông minh. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc nghiên cứu các vật liệu mới và công nghệ chế tạo tiên tiến hơn để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các linh kiện.

4.1. Hướng phát triển công nghệ MOS

Hướng phát triển công nghệ MOS trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện khả năng lưu trữ và tốc độ truy cập của các linh kiện nhớ. Nghiên cứu về vật liệu bán dẫn mới và các phương pháp chế tạo tiên tiến sẽ là chìa khóa để đạt được những mục tiêu này. Ngoài ra, việc áp dụng các công nghệ mới như công nghệ vi mạch và công nghệ nano có thể mở ra những cơ hội mới trong việc phát triển các linh kiện điện tử với hiệu suất cao hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU LUẬN VĂN 1.1 Lý do chọn đề tài luận văn và mục tiêu của đề tài Trong khoảng thời gian vài thập kỷ vừa qua chứng kiến một sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực semiconductor memories, sự phát triển này được nhìn thấy rõ thông qua số lượng các sản phẩm được tiêu thụ trên thị trường như cellular phones và các thiết bị electronic portable (palm top, mobile PC, mp3 audio player, digital camera,…). Cụ thể là ngành semiconductor memories chiếm tới 20% tổng thu nhập của ngành semiconductor [1]. Semiconductor memories bao gồm 2 nhánh phát triển đó là volatile memories và nonvolatile memories. Cả hai nhánh này đều được phát triển dựa trên công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).

- Volatile memories bao gồm như SRAM hoặc DRAM, mặc dù loại memories này có tốc độ đọc và ghi rất nhanh (SRAM) hoặc có mật độ tích hợp rất cao (DRAM) nhưng có nhược điểm đó là mất dữ liệu khi nguồn điện cung cấp bị ngắt. - Nonvolatile memories bao gồm như EPROM, EEPROM hoặc FLASH, loại memories này có khả năng cân bằng được chất lượng của quá trình lập trình và đọc (so với SRAM và DRAM) với ưu điểm là dữ liệu không mất đi khi nguồn điện cung cấp bị ngắt.1 dưới đây mô tả sự phân loại của MOS memories: Hình 1. 1 Phân loại MOS memories Nhờ vào chính đặc điểm này mà nonvolatile memory được lựa chọn sử dụng trong nhiều hệ thống với rất nhiều ứng dụng khác nhau như automotive, computer, communication… 12 GVHD: PGS. HOÀNG TRANG HV: ĐẶNG CÔNG THỊNH-1770227 Hình 1.

2 Ứng dụng chính của NVM Các loại nonvolatile memory khác nhau được so sánh với nhau thông qua hai tiêu chí đó là tính linh động (flexibility) và giá cả (cost) [1]. Flexibility chỉ khả năng có thể được lập trình và xóa nhiều lần trên hệ thống với đơn vị nhỏ nhất (chip, page, byte, bit). Cost có nghĩa là sự phức tạp của quy trình và trong chế tạo trên silicon, ví dụ: mật độ tích hợp (density), kích thước cell.3 dưới đây cho thấy FLASH memory có được sự cân bằng giữa flexibility và cost [1], bỡi vì có kích thước cell nhỏ nhất 1T (một transistor) cùng với tính linh hoạt rất tốt. 3 Nonvolatile memory (NVM) trên mặt phẳng flexibility-cost.

Điểm chung của các loại NVM đó là giữ được dữ liệu khi không có nguồn điện cung cấp Ứng dụng của FLASH memory như cellular phones và các thiết bị portable khác như palm top, mobile PC, mp3 audio player… Hơn nữa, trong những năm sắp tới, hệ thống portable sẽ yêu cầu nhiều hơn nữa nonvolatile memories, với độ tích hợp cao và tốc độ ghi dữ liệu rất cao cho ứng dụng lưu trữ dữ liệu hoặc truy cập random nhanh cho thực thi code trong place. HOÀNG TRANG HV: ĐẶNG CÔNG THỊNH-1770227 Dựa trên nhu cầu của thị trường thì có thể chia sản phẩm FLASH thành hai loại với ứng dụng khác nhau đó là code storage và data storage. - Code storage: nơi mà chương trình hoặc sự hoạt động của hệ thống được lưu trữ bỡi microprocessor hoặc microcontroller. - Data (or mass) storage: nơi mà file dữ liệu cho hình ảnh, nhạc, và giọng nói được lưu trữ và đọc một cách tuần tự.

Từ trình bày ở phần trên cho thấy tầm quan trọng của FLASH memory trong ngành semiconductor memories. Cụ thể hơn thì FLASH memory được tạo thành từ MOS cực cổng nổi (floating-gate mos (1T)), đó là lý do luận văn chọn hướng nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động của MOS cực cổng nổi và phần chính của luận văn là xây dựng quy trình chế tạo sử dụng công cụ TCAD như một nhà máy sản xuất ảo. Thực hiện mô phỏng ở mức chế tạo, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số chế tạo lên chất lượng của MOS cực cổng nổi.2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài: - Tạo tiền đề cho hướng nghiên cứu về linh kiện memory (memory device) trong lĩnh vực vi mạch đó là MOS cực cổng nổi được ứng dụng trong NVM - NonVolatile Memory. - Xây dựng quy trình chế tạo linh kiện sử dụng công cụ TCAD như một nhà máy sản xuất ảo.

Từ đó có thể thực hiện mô phỏng, đánh giá các đặc tính của linh kiện. Hướng phát triển xây dựng model cho linh liện, sau đó áp dụng vào trong thiết kế Analog, Memory… - Vận dụng kiến thức nền tảng của MOS cực cổng nổi để áp dụng vào các thiết kế vi mạch tương tự (Analog). Hiện nay, việc áp dụng MOS cực cổng nổi rất rộng rãi nhờ vào nhiều đặc điểm nổi trội của linh kiện. HOÀNG TRANG HV: ĐẶNG CÔNG THỊNH-1770227 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MOS CỰC CỔNG NỔI 2.1 Kiến trúc của MOS cực cổng nổi và so sánh với kiến trúc của mosfet Về mặt cấu tạo, floating-gate mos có thêm cổng nổi (FG) và được cách ly hoàn toàn bỡi các lớp cách điện, dùng để lưu trữ điện tích [6].

1 Mô hình mosfet và floating-gate mos Về bản chất floating-gate mos đơn giản nhất gồm một mosfet và các tụ điện được ghép nối ở cực cổng [7]. Mosfet thông thường chỉ có một điện áp ngưỡng trong khi đó floating-gate mos có nhiều điện áp ngưỡng ứng với các chế độ hoạt động. 2 Điện áp ngưỡng của mosfet và floating-gate mos 2.2 Hoạt động của MOS cực cổng nổi Floating-gate mos có 3 trạng thái hoạt động đó là trạng thái Read, Program/Write và trạng thái Erase. Việc chọn trạng thái hoạt động phụ thuộc vào sự điều chỉnh các thông số điện áp nguồn, điện áp máng… Floating-gate mos có thể chuyển từ một trạng thái này sang trạng thái khác (từ programmed “0” đến erased “1”) và có thể lưu trữ thông tin độc lập khi không có nguồn điện cung cấp.

Thiết bị nhớ floating-gate mos là một MOS transistor với điện áp ngưỡng được xác định bởi công thức: 15 GVHD: PGS. HOÀNG TRANG HV: ĐẶNG CÔNG THỊNH-1770227 QFG VT  K  (2.1) CCG Trong đó: K là hằng số phụ thuộc vào cực cổng và vật liệu nền, doping và độ dày cực cổng. QFG là điện tích trên cổng nổi (FG). CCG là điện dung giữa cổng điều khiển (CG) và cổng nổi (FG).

Điện áp ngưỡng có thể thay đổi giá trị bằng cách thay đổi lượng điện tích trên cổng nổi (floating poly-silicon gate). Vì vậy, bằng cách lưu trữ hoặc loại bỏ lượng điện tích trên cực cổng thì điện áp ngưỡng có thể thay đổi tương ứng từ trạng thái “0” đến trạng thái “1”. Quy định về trạng thái “1” tương ứng với trạng thái “Erase” và trạng thái “0” tương ứng với trạng thái “Program” được quy định theo chuẩn P1005 IEEE Draft Standard for Definitions, Symbols and Characterization of Floating Gate Memory Arrays.3 Trạng thái Reading Floating-gate mos hoạt động (trong điều kiện DC) ở trạng thái Read bằng cách áp một điện áp tại cực cổng nằm giữa các giá trị của điện áp ngưỡng Erase và Program.3 dưới đây mô tả trạng thái hoạt động Read của floating-gate mos. 3 Mô hình floating-gate mos và điện áp ngưỡng 2.1 Mô hình MOS cực cổng nổi truyền thống Việc phân tích và đưa ra lý thuyết về floating-gate memory cells đã được biết đến rộng rãi trong thời gian qua.

Nhưng thực tế chỉ có nhiều công trình nghiên cứu về model cho program/erase transient simulations của floating-gate mos. Ngược lại là có rất ít công trình về mô phỏng đặc tính DC của floating-gate memory cells.1 Phương pháp tính điện áp FG cổ điển Dưới đây là mặt cắt của floating-gate mos. Trong đó CD, CS, CB, CCG lần lượt là điện dung giữa FG với cực Drain (D), Source (S), Body (B) và Control Gate (CG). HOÀNG TRANG HV: ĐẶNG CÔNG THỊNH-1770227 Hình 2.

4 Mô hình floating-gate mos theo mô hình cổ điển Cổng trên cùng là cổng điều khiển và cổng bên dưới được cách li hoàn toàn bởi lớp cách điện là cổng floating gate (FG), cổng FG hoạt động như một “potential well”. Nếu các điện tích được đưa vào well thì các điện tích sẽ không thể di chuyển ra khỏi FG nếu không có tác động từ bên ngoài (external force) từ đó có thể kết luận được là FG có khả năng lưu trữ điện tích [8]. Q được gọi là điện tích lưu trữ trong FG, khi không tích điện Q=0, ta có: Q  CFG VFG  VCG   CS VFG  VS   CD VFG  VD   CB VFG VB   0 (2.2) Trong đó: VFG điện thế trên FG, VCG điện thế trên cực điều khiển, VD, VB, VS lần lượt là điện thế trên cực D, B, S. Giả sử gọi CT là tổng điện dung: CT  CFG  CS  CD  CB (2.3) và hệ số coupling của các Cj điện cực (J) là  j  (2.4) với J là một trong các giá trị CG, D, S và B.

Khi đó điện thế của CT FG được thể hiện bỡi công thức tương đương sau: VFG  CGVCG   DVD   BVB   SVS (2.5) cho thấy điện áp của FG không chỉ phụ thuộc vào điện áp của cực điều khiển mà còn phụ thuộc vào cực nguồn, máng và cực thân. Hơn nữa, nếu cực nguồn và cực thân đều được nối xuống đất thì công thức (2.5) trở thành: D VFG  CG VCG  f .2 Tính toán dòng máng Các công thức của floating-gate mos có thể suy ra từ các công thức của MOS transistor một cách đơn giản bằng việc thay điện áp MOS gate VGS bằng VFG và chuyển đổi các thông số của device như điện áp ngưỡng, hệ số dẫn điện β, các giá trị này được xác định với sự phụ thuộc cực điều khiển [8]: 17 GVHD: PGS. HOÀNG TRANG HV: ĐẶNG CÔNG THỊNH-1770227 - Điện áp ngưỡng: VTFG  CG .7)  CG - Hệ số dẫn điện:  FG  (2.8)  CG Bằng cách này, phương trình dòng điện - điện áp (I-V) của floating-gate mos trong cả hai miền hoạt động Triode (TR) và Saturation (SR) có thể dễ dàng được suy ra từ MOS transistor thông thường [9]. - Dòng điện máng khi floating-gate mos hoạt động ở vùng Triode:   1  2 I DS   CG VCG  VTCG VDS   f  VDS  , khi VDS   CG VCG  fVDS  VT  CG   2 CG   (2.9) - Dòng điện máng khi floating-gate mos hoạt động ở vùng Saturation:  CG  CG VCG  fVDS  VTCG  , khi VDS   CG VCG  fVDS  VTCG  2 I DS  (2.10) 2 So sánh các phương trình trên với MOS transistor thông thường ta thấy floating-gate mos có một số khác biệt.

Lý do chính dẫn đến sự khác biệt là do tụ điện coupling giữa cực Drain và cực FG. - Floating-gate mos có thể có dòng điện kể cả khi VCG – VS < VT, do kênh dẫn có thể bật bởi điện áp máng (drain voltage) thông qua thành phần f. Hiệu ứng này gọi là “drain turn- on”.