半導體器件物理與工藝的TCAD綜合性實驗設計

陳卉 師向群 胡云峰 文毅

摘? 要：半導體器件物理與工藝課程主要讓學生掌握半導體基本理論，器件基本結構、物理原理、特性及主要工藝技術對器件性能的影響。為了簡化課程教學難度，提高教學質量，引入TCAD綜合性實驗設計。基礎實驗設計部分不僅能讓學生更形象、直觀的看到器件形貌、獲取器件各參數，而且可以結合課程相關理論知識分析半導體工藝條件及器件結構參數對器件性能的影響，促進知識的轉移、轉化。創新性實驗設計部分，學生根據已有的器件模型，自主設計其它性能器件，激發學生的學習興趣，培養學生綜合設計及創新能力。

關鍵詞：Athena工藝仿真器;Atlas器件仿真器;實際生產;PN結

中圖分類號：TN30? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0020-05

半導體器件物理與工藝是一門極為抽象，數學建模極為復雜的學科，傳統的驗證性實驗雖然可以一定程度幫助學生理解相關理論知識，但是不能讓學生更深入、形象直觀的理解器件的制備工藝過程及器件結構參數對器件電學、光學及熱學等性能的影響[1][2]。為了培養具備一定微電子學綜合設計能力的學生，引入TCAD仿真軟件教學是極為必要的。

引入TCAD仿真教學，一方面，學生可以充分認識半導體物理學，半導體器件物理學等這些抽象難懂的理論基礎知識在半導體工業中的實際應用，加強理論教學的效果。另一方面，仿真也可以部分取代了耗費成本的硅片實驗，可以降低成本，縮短了開發周期和提高成品率，也就是說，仿真可以虛擬生產并指導實際生產[3][4]。

Silvaco TCAD的工藝仿真可以實現離子注入、氧化、刻蝕、光刻等工藝過程的模擬，可以用于設計新工藝，改良舊工藝。器件仿真可以實現電學、光學及熱學等特性仿真及相關參數提取，可以用于設計新型器件，舊器件改良，驗證器件的電學、光學及熱學等特性[5]。作者將從三個部分論述基于Silvaco TCAD的半導體器件物理與工藝綜合性實驗設計：基于Athena工藝仿真器綜合性實驗設計、基于Atlas器件仿真器綜合性實驗設計、TCAD仿真與實際生產相結合。

1 基于Athena工藝仿真器綜合性實驗設計

以齊納二極管（N型襯底）為例簡述基于Athena工藝仿真器綜合性實驗設計規則，首先給學生復習PN結的工藝制備流程相關理論知識[6]，PN結制備工藝流程如圖1所示：

接下來，以PN結的工藝制備流程為基礎，講解Athena工藝仿真器設計規則，設計尺寸為2um×2um的PN結，TCAD仿真設計關鍵步驟如下：

啟動Athena工藝仿真器，Athena仿真器主要功能：（1）用來模擬離子注入、擴散、氧化等以模擬摻雜分布為主的模塊;（2）用來模擬刻蝕、淀積等以形貌為主的模塊;（3）用來模擬固有和外來襯底材料參數及/或制造工藝條件參數的擾動對工藝結果的影響，作為IC工藝統計模擬。

定義網格，工藝仿真中所生成的網格是用來形成精確度雜質濃度分布、結的深度等以適合于工藝級別的網格，用來提高器件參數的精度。設計規則一般就是重點區域重點給出網格，不重要的區域少給網格。

初始化襯底，定義襯底類型（N型）、摻雜濃度（3e18cm-3）及晶向等，默認晶向（100），因為該晶向上界面態密度最小。

氧化，雙面氧化，作為后續形成P型擴散區的掩蔽層。

刻蝕，選擇幾何刻蝕（etch），形成P型擴散區窗口。

離子注入工藝，選擇離子注入模型及離子注入工藝參數（濃度、能量、注入角度等）。

擴散工藝：選擇擴散模型，TCAD仿真默認擴散是在非平面結構及沒有損傷的襯底進行的，選擇compress氧化模型以及fermi擴散模型。選擇擴散時間、溫度、氣體氛圍等工藝參數，此步工藝會使得離子注入的雜質再分布。

提取器件關鍵參數，PN結的結深，方塊電阻等。

電極制備，制作AL電極，電極厚度0.2um。

TCAD仿真流程如圖2所示：

為了直觀形象的研究所設計齊納二極管的擊穿特性，啟動Atlas器件仿真器，模擬其伏安特性曲線。講解Atlas器件仿真器設計規則，TCAD仿真關鍵步驟如下：

啟動Atlas仿真器，設置仿真物理模型，Atlas中物理模型可以分為五組：遷移率模型、復合模型、載流子統計模型、碰撞電離模型和隧道模型。器件電學、光學及熱學等相關聯參數（復合率、產生率、遷移率、少子壽命、光生成速率等）有專門的模型定義，不同模型表達式會有不同。本次設計為齊納二極管，主要模擬其反向擊穿時的電學特性，選擇bipolar技術，載流子生成模型選擇Selberrher碰撞電離模型及bbt.std能帶躍遷模型。

選擇數值計算方法，Atlas獲取器件特性數值計算方法有四種：newton迭代法，漂移-擴散計算的默認方法，應用于含集總元件的DC計算、瞬態分析、curve tracing、頻域小信號分析;Gummel迭代法，不適用于含有集總元件或電流邊界情形的求解;Block迭代法專用于不等溫的漂移-擴散仿真;組合迭代法，上述三種迭代算法根據需求聯合使用[7]。本次仿真模型符合newton迭代法。

獲取器件特性，給PN結陽極加步進電壓，獲取PN結電流電壓曲線，根據曲線提取器件關鍵參數（反向擊穿電壓，反向飽和電流等）。

整個設計完成以后，分兩步完成后續實驗內容。第一步，基礎實驗設計部分：對比實驗仿真，改變器件制備工藝條件，根據仿真獲得的器件結構圖、雜質分布圖、能帶分布圖、載流子濃度分布圖等，仿真提取的各參數（結深、方塊電阻、反向飽和電流、反向擊穿電壓等），用所學的理論課程相關知識，分析工藝條件改變引起器件結構及電學、光學、熱學性能參數的變化的原因，鞏固所學課程相關的理論知識，實現學科間的交叉融合，讓學生直觀形象的看到器件制備工藝對器件結構及電學、光學、熱學特性的影響，深入理解所學理論知識[8]。

例如，其它工藝條件不變，擴散工藝的（diffus time=30 temp=1100 nitro press=1.00）擴散時間分別取20分鐘、30分鐘、40分鐘及50分鐘，不同擴散時間下的雜質分布圖如圖3所示，提取的器件結構參數如表1所示：

學生需要根據雜質分布圖及提取的參數表，運用所學相關理論知識分析仿真結果。其它工藝條件不變，擴散時間越長，雜質擴散就越深，表面濃度也就越低，數據規律符合有限表面源擴散雜質模型[9]。有限表面源擴散工藝下方塊電阻表達式為：

根據公式可知，P區方塊電阻與受主雜質離子在結深上的積分成反比，隨著擴散時間的增加，受主雜質進一步向襯底擴散，進入到N型襯底的受主雜質總量增加，導致P區受主雜質總量減少，即P區受主雜質離子在結深上的積分減小，方塊電阻增大，實驗數據與理論結果一致。

不同擴散時間下的伏安特性曲線如圖4所示，放大的反向飽和電流曲線如圖5所示，提取的電學參數如表2所示：

表2 不同擴散時間下的器件電學參數表

根據相關理論知識可知，實際擴散結，結深較淺，濃度梯度較大，襯底摻雜濃度較低的時候可以擬合成單邊突變結，擴散時間較短（20min-40min），結深較淺，擊穿電壓符合單邊突變結公式（2），由擊穿電壓公式可知，單邊突變結擊穿電壓VB與低摻雜一側雜質離子濃度成反比，隨著擴散時間的增加，雜質進入的N型襯底的量增加，襯底凈摻雜濃度減小，擊穿電壓增大，實驗數據與單邊突變結擬合較好。擴散時間增加到50min后，結深較深，擊穿電壓減小，不再滿足單邊突變結模型，實驗數據與緩變結擬合較好[10]。根據公式（3）進一步分析可以得到本次實驗擴散最佳時間30min，此時器件反向飽和電流達到最小值。基礎實驗設計不僅能讓學生直觀、深刻的理解涉及到的知識點，還能確定最佳制備工藝條件，注重培養學生的分析能力，知識轉移、轉化能力。

創新性實驗設計部分：此部分實驗需要學生自己查閱資料，根據基礎實驗部分的齊納二極管模型，設計不同性能的二極管（整流二極管、肖特基勢壘二極管、GUUN二極管等），進一步模擬器件的電學、光學及熱學特性。此部分實驗注重學生學習興趣的培養，注重學生綜合性，創新性能力的培養。

2 基于Atlas器件仿真器綜合性實驗設計

以橫向PN結為例講述基于Atlas器件仿真器綜合性實驗設計規則，首先，給出橫向PN結的結構及參數，如圖6所示：

接下來，講述Atlas器件仿真器的設計規則，Atlas器件仿真器可以仿真半導體器件的電學、光學和熱學行為。通過對一系列狀態的描述來進行組織的，而這些狀態可以分成一些組，大體為結構生成、設定材料模型、計算方法、器件特性獲取和結果分析等五組狀態。基于Atlas仿真器的PN結仿真流程如圖7所示：

基于Atlas仿真器的網格定義規則與Athena仿真器規則一致，網格定義完成后，根據器件結構劃分區域，PN結的P區、N區、氧化隔離區及襯底等區域，設置各區域的位置、材料、序號等;設置電極的位置、材料特性、接觸特性及界面特性;根據性能需求，設置各區域的雜質分布（均勻分布、余誤差分布、高斯分布等等）;保存器件結構，并調用tonyplot繪制器件結構圖。器件結構設計完成以后，選擇仿真的物理模型及數值計算方法，再施加電壓、電流、光照和磁場來獲取器件特性。

基礎實驗設計部分：對比實驗仿真，改變區域結構、區域材料類型、雜質分布等參數，分析器件結構參數對器件電學、光學及熱學特性的影響，進一步鞏固所學理論課程相關知識。

例如，保持其它參數不變，改變PN結摻雜濃度，獲得器件的伏安特性曲線如圖8所示，提取的電學參數如表3所示，根據數據結果可知，隨著摻雜濃度的增加，器件的飽和電流減小，與公式（3）一致;根據正向導通電壓定義可知，反向飽和電流越大，正向導通電壓越小，與仿真結果一致。TCAD仿真能更形象、深入的幫助學生對相關理論知識的理解，進一步培養學生分析問題的能力。

創新性實驗設計部分：根據基礎實驗部分的PN結模型自主設計其它結構器件（PIN結、BJT等）。比較在其它參數完全相同的情況下，改變器件結構，對器件電學、光學及熱學性能的影響，分析引起上述性能變化的原因。例如，在PN結的P區與N區之間增加一本征區后，仿真得到的伏安特性曲線與PN結的伏安特性曲線如圖9所示，從圖中可以看出，PN結電流電壓曲線增長比PIN結快，根據相關理論知識可知，PIN結由于本征區的存在，以復合電流為主，電流正比于exp（qv/2kT），而PN結電流正比于exp（qv/kT）[11]。仿真結果進一步驗證了載流子傳輸理論，讓抽象的知識具體化，進一步培養了學生綜合設計能力。

3 TCAD軟件仿真與實際生產相結合

電子薄膜與集成器件國家重點實驗室中山分室有QX-550有機光電子器件超真空系統、磁控濺射系統、擴散系統、OLED伏安特性測試系統等器件制備及測試設備。器件實際制備過程中，工藝控制過程直接影響器件的結構及性能，即使是同型號的設備在同樣的條件下也可能得到不同的結果，因此，需要針對相對應的設備及其狀態來探索工藝條件。對于仿真設計，也難免和實驗有偏差，根據設備工藝狀態對仿真模型參數進行校準，可以盡量減小這種偏差，使得仿真具有更強的指導意義[12]。

根據實際生產結果，提取生產結果與工藝參數的關系（例如氧化層厚度與速率關系、薄膜厚度與速率的關系等），與Athena仿真器的模型文件athenamod里默認的模型參數對比，如果有差異，修正默認的模型參數，得到符合實驗室設備狀態的工藝模型。TCAD仿真可以模擬并指導實際生產過程，可以縮短研發周期，節省研發成本，提高科研水平。采用軟件仿真與實際生產相結合的教學方式，有效地提升了學生的學習效率和積極性，培養學生處理工程問題的能力。