Master's Thesis

Study and modeling of the influence of WPE (Well Proximity Effect) on integrated MOSFET devices

Final Thesis 6.55 MB

Author of thesis: Bc. Vít Buzek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Roman Prokop, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc.

Abstract:

The main focus of this thesis is the study and modeling of the impact of the Well Proximity Effect (WPE) on MOSFET integrated devices. The theoretical part discusses the relevant physical phenomena in nanometer technologies, the fabrication processes used in manufacturing MOSFET transistors, and the available approaches for modeling the WPE effect. The practical section focuses on the design of a dedicated test chip whose purpose is to implement suitable transistor structures enabling systematic measurements
of their threshold voltages. The measured data are compared with simulation results in order to evaluate the overall impact of the WPE and to suggest adjustments to the model parameters.

Keywords:

MOSFET transistor, threshold voltage, WPE (Well Proximity Effect), lateral scatter of implanted atoms, ion implantation, SC parameters

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s řešením své diplomové práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Dále odpověděl na otázky komise: Otázka: Jaké parametry modelu jste upravoval pro zlepšení simulace. Student se zaměřil na ovlivnění prahových napětí v závislosti na WPE Otázka: O kolik se podařilo výsledky simulace zlepšit Studen se vyjádřil že výsledky se dají těžko kvantifikovat v hodnotě například procent, ale následně na grafu ukázal oblasti se zlepšením. Student také vysvětlil, proč u různých typů tranzistorů použil různé rozměry.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Microelectronics (MPC-MEL)

Composition of Committee

doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Aleš Chvála, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. et Ing. Fabian Khateb, Ph.D. et Ph.D. (člen)
Ing. Vojtěch Dvořák, Ph.D. (člen)
Ing. Alexandr Otáhal, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Brodský, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Roman Prokop, Ph.D.

Na základě informací konzultanta ze zadavatelské firmy onsemi lze konstatovat následující:

    Jak vyplývá ze zadání diplomové práce, cílem bylo zaměřit se na studium a modelování vlivu WPE v technologii 65 nm. To zahrnovalo seznámení s problematikou vzniku tohoto jevu, jeho dopady a možnostmi jeho modelování. Dále bylo nutné navrhnout integrovaný testovací čip obsahující různé typy a kombinace struktur vhodných pro extrakci vlivu WPE na MOSFET součástky. Vyrobené struktury měly být následně měřeny přímo na křemíkové desce na různých místech čipu a získaná data statisticky vyhodnocena. Součástí práce mělo být také posouzení vlivu WPE na různé typy MOSFET tranzistorů v různých konfiguracích a identifikace rozdílů tohoto vlivu ve směru délky a šířky kanálu. V závěru měl být vliv WPE implementován do SPICE modelu MOSFET tranzistoru.
    Mohu konstatovat, že všechny body zadání diplomové práce byly splněny. Diplomant zvládl navrhnout testovací čip, který byl následně vyroben v technologii 65 nm ve výrobním závodě firmy onsemi v USA. Dále zvládl práci s náročnými nástroji pro obvodové simulace a parazitní extrakci. Všechna měření diplomant statisticky vyhodnotil, porovnal je se simulovanými daty a identifikoval rozdíl vlivu WPE ve směru délky a šířky kanálu pro čtyři různé MOSFET tranzistory. Nakonec implementoval vliv WPE do SPICE modelů tranzistorů a porovnal své extrahované modely s existujícími.
    Prezentační úroveň práce je na velmi dobré úrovni, přičemž výsledky jsou podány jasně a srozumitelně. Obrázky pomáhají k lepšímu porozumění řešené problematiky. Některé grafy mohou na první pohled působit méně přehledně, avšak vzhledem k jejich složitosti a úplnosti to nijak nesnižuje jejich informační hodnotu. Rozsah práce je přiměřený a adekvátně odpovídá řešené problematice. Diplomant v prvních kapitolách teoretické části prezentuje obecnou problematiku výroby polovodičových součástek a možná se tím zbytečně odklání od původního tématu. V dalších kapitolách se již podrobně věnuje vzniku a vlivu WPE. Následující kapitoly se pak zabývají dvěma typy modelování vlivu WPE, které se běžně v praxi používají.
    Praktická část nejprve detailně popisuje navrhnuté struktury na testovacím čipu a postup jejich měření. Následně jsou měřená data porovnána se simulacemi s existujícími modely. Nakonec diplomant prezentuje úpravy modelů, které navrhl, a porovnává je se stávajícími modely. Většina literatury, ze které diplomant čerpal a kterou cituje na konci diplomové práce, pochází z posledních let a je tedy velmi aktuální. Z prezentovaných grafů vyplývá, že diplomantem navržený model vykazuje vyšší přesnost. Návrhy a úpravy, které prezentoval, představují prakticky využitelný přínos pro firmu onsemi.
    Diplomant přistupoval k řešení zadaného úkolu velmi iniciativně a zodpovědně. V řešené problematice se dokázal v relativně krátké době zorientovat, důkladně prostudoval doporučené materiály a prokázal schopnost efektivní týmové spolupráce. Po celou dobu jeho stáže zároveň vykazoval vysokou míru zvídavosti a soustavný zájem o danou problematiku.
    Téma práce považuji za odborně náročné, a to jak z hlediska návrhu testovacích struktur, tak z hlediska vyhodnocení naměřených dat a následné implementace výsledků do modelu. Hodnotím tuto diplomovou práci 95 body ze 100 možných. Points proposed by supervisor: 95

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová  práce pana Víta Buzka byla řešena pro potřebu společnosti onsemi.

Po seznámení s jevem označovaným jako Well Proximity Effect měl být prostudován jeho vliv na změnu parametrů vyráběných struktur MOSFET  a měly být zváženy možnosti úpravy stávajících modelú SPICE pro jeho zachycení. 
K tomuto účelu měl být navržen testovací čip s různými typy a kombinacemi struktur vhodných pro posouzení vlivu WPE na součástiky typu MOSFET a jeho případné omezení.  

Navržené struktury měly být proměřeny v celé ploše čipu, aby bylo možné posoudit vlivy různých konfigurací a parametrů MOSFET. Výsledky testování měly být implemetovány do modelu v programu SPICE. Naměřené výsledky a výsledky upraveného modelu SPICE měly být vzájemně porovnány.

Předložená diplomová práce má včetně seznamu literatury a seznamu zkratek 66 stran. Následuje 9 stran příloh s výsledky měření a simulací.  Je použito 21 odkazů na literaturu, které jsou citovány především v první polovině práce. 

Teoretický úvod zabírá přibližně první třetinu práce. Je zde přehledně vysvětlena  podstate technologie  iontové implantace včetně parazitních procesů.   

V praktické části práce oceňuji promyšlený návrh parametrů testování. Význam práce je také podtržen dostatečným množstvím testovaných tranzistorů rozložených v čípech po celé ploše křemíkové desky, takže výsledky mohly být statisticky zpracovány.  Měření bylo přitom velmi usnadněno použitím automatizovaného měřicího systému. Naměřené výsledky byly porovnány s výsledky získanými simulací na upravených modelech SPICE.  Bylo přitom dosaženo velmi dobré shody.

Zadání práce bylo v plném rozsahu splněno. Text práce je zpracován velmi pečlivě.  Výsledky měření i simulací jsou uspořádány přehledně a porovnání dosažených výsledků je tak velmi snadné.
Pan Vít Buzek prokázal, že je schopen samostatně vyřešit zadání technického charakteru.
Práci doporučuji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. 1) Pokuste se porovnat odolnost různých technologií přípravy struktur MOSFET proti jevu WPE. Jaká opatření jsou vhodná při zmenšování rozměrů těchto struktur?
  2. 2) Pokuste se zhodnotit výhody a nevýhody rezistové masky pro implantaci příměsí.
Points proposed by reviewer: 100

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová