授業科目

LSIプロセス・デバイス特論
Fundamental Topics of LSI Processes and Devices

担当者

講師   小林 敏夫
前 月2

単位

2

到達目標

本講義の到達目標は、LSIプロセス技術において基本となる拡散現象、熱酸化現象を例題として、受講生が、①知識を具体的に活用できる能力、計算能力を身に着けることである。具体的にExcelを用いた計算、さらに拡散現象については、Excelを用いた数値計算による簡易シミュレータの自作を行ない、解析的な手法では取り扱えない問題を解析できる能力を身につける。また、デバイス技術についても現在のLSI用デバイスの主流であるMOSデバイスの動作の基礎となるMOS反転層の形成過程を表す式を導出し、②MOS動作の基本である理想C-Vカーブ(accumulation領域を除く)を自ら計算できる能力を身につけることである。

授業内容

本講義では、LSIプロセス技術とデバイス技術の最も基本となる原理に注目して学習する。
LSIプロセス技術については、その基本である拡散現象と酸化現象について、基本原理からそれぞれの現象を表す式を導出する。また、理解を深めるために演習をおこなうと共に拡散現象についてはExcelを用いた簡易プロセスシミュレータを自作する。このシミュレータを用いて、拡散係数の濃度依存性の影響、拡散係数の異なる2層からなる系における不純物の再分布、2層の境界における偏析現象が不純物の再分布に及ぼす影響について学ぶ。 また、シミュレータ作りを通じて、数値計算プログラム作りにおける境界条件の取り扱いの注意点についても学ぶ。本講義では、数値計算手段としてExcelを用いるが、目的とするところは、計算アルゴリズムの理解である。従って、本講義終了後は、同様の計算を行うプログラムを他の計算機言語で容易に作れる。酸化現象については、演習を通じて具体的な酸化条件を決定できる計算力を身につける。
LSIデバイス技術の基礎としては、LSI用デバイスとして現在主流のMOSデバイスの反転層について学ぶ。MOS反転層を取り扱う考え方について学ぶ。反転層の形成過程を表す式の導出し、MOS動作の基本である理想C-Vカーブ(accumulation領域を除く)を計算によって描き、理解を深める。

授業計画

各回の講義内容は下記のように計画しているが、時間の関係で前後する場合もある。
本講義を受講するにあたり、Excelの基本操作、半導体物理の基礎について学んでいることが望ましい。本講義は、初等的な教科書に書かれていない内容を扱う。そのため、予習は必要ないが、復習は必ず行ってほしい。自己学習時間は毎回4時間程度が目安。
初回以降は、毎回講義前に資料を配布する。講義内容について必ず復習をすること。特にプログラムを作成した場合は、授業後必ず動作確認を行うこと。復習の際に生じた疑問点は次回の講義の際に受けつける。14回の講義の中で適宜演習を行う。演習の課題は、前の週に配布するので事前に解答を考えてくること。評価の対象となるレポートの課題は、9回目の講義の際に配布する。最終講義までに提出すること。
演習とシミュレータの自作を行なうため、各自パソコンを持参すること。必要があれば大学のパソコンを貸し出す。

01. ガイダンス/はじめに: LSIの製造プロセスの概略とプロセスの基礎となる現象と物理における微分方程式について説明する。
02. 拡散方程式の導出: 流速の概念を説明し、それを基に輸送方程式、拡散方程式を導出する。
03. 拡散層の形成方法とその評価方法について学ぶ。
04. 代表的な拡散方程式の解について学ぶ。
05. 拡散、酸化シミュレータの自作の準備:マクロの使用方法について学ぶ。
06. 拡散シミュレータの自作:拡散方程式を差分式で表現する。
07. 拡散シミュレータの自作: 境界条件について学ぶ。特に、数値計算を行う上での注意点について学ぶ。
08. より複雑な拡散現象とそのシミュレーション: 拡散係数が濃度依存性を持つ場合の計算方法を学ぶ。
09. より複雑な拡散現象とそのシミュレーション: アウトデヒュージョンと偏析現象が存在する場合の計算方法。
  レポート課題提示。
10. 酸化の基礎と酸化の理論: 酸化種の流速について学ぶ。
11. 酸化の理論つづき: 酸化の一般式の導出および酸化の初期過程について学ぶ。
12. 酸化演習問題
13. LSIデバイスの基礎: MOS反転層の基礎、MOS反転層を理解するための考え方。
14. 理想C-Vカーブの計算を行う。

授業運営

講義と演習・シミュレータ作りを交互に行なう。
質問は講義中随時受け付ける。

評価方法

評価はレポート100%。
講義を4回以上欠席した者は評価の対象としない。

オフィスアワー

授業終了後、その場で行う。

参考書

Andrew S. Grove『グローブ 半導体デバイスの基礎』1[オーム社]2000
E. H. Nicollian & J. R. Brews,MOS(Metal Oxide Semiconductor) Physics and Technology,1,Wiley-Interscience,1982

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