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(jié)構(gòu)、物理原理、特性及主要工藝技術(shù)對器件性能的影響。為了簡化課程教學難度，提高教學質(zhì)量，引入TCAD綜合性實驗設計。基礎(chǔ)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(shù)，而且可以結(jié)合課程相關(guān)理論知識分析半導體工藝條件及器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對器件性能的影響，促進知識的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化。創(chuàng)新性實驗設計部分，學生根據(jù)已有的器件模型，自主設計其它性能器件，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生綜合設計及創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：Athena工藝仿真器;Atlas器件仿真器;實際生產(chǎn);PN結(jié)

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(shù)學建模極為復雜的學科，傳統(tǒng)的驗證性實驗雖然可以一定程度幫助學生理解相關(guān)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(jié)構(gòu)參數(shù)對器件電學、光學及熱學等性能的影響[1][2]。為了培養(yǎng)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(chǔ)知識在半導體工業(yè)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(fā)周期和提高成品率，也就是說，仿真可以虛擬生產(chǎn)并指導實際生產(chǎn)[3][4]。

Silvaco TCAD的工藝仿真可以實現(xiàn)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(xiàn)電學、光學及熱學等特性仿真及相關(guān)參數(shù)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(chǎn)相結(jié)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(guī)則，首先給學生復習PN結(jié)的工藝制備流程相關(guān)理論知識[6]，PN結(jié)制備工藝流程如圖1所示：

接下來，以PN結(jié)的工藝制備流程為基礎(chǔ)，講解Athena工藝仿真器設計規(guī)則，設計尺寸為2um×2um的PN結(jié)，TCAD仿真設計關(guān)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(shù)及/或制造工藝條件參數(shù)的擾動對工藝結(jié)果的影響，作為IC工藝統(tǒng)計模擬。

定義網(wǎng)格，工藝仿真中所生成的網(wǎng)格是用來形成精確度雜質(zhì)濃度分布、結(jié)的深度等以適合于工藝級別的網(wǎng)格，用來提高器件參數(shù)的精度。設計規(guī)則一般就是重點區(qū)域重點給出網(wǎng)格，不重要的區(qū)域少給網(wǎng)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(tài)密度最小。

氧化，雙面氧化，作為后續(xù)形成P型擴散區(qū)的掩蔽層。

刻蝕，選擇幾何刻蝕（etch），形成P型擴散區(qū)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(shù)（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(jié)構(gòu)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(shù)，此步工藝會使得離子注入的雜質(zhì)再分布。

提取器件關(guān)鍵參數(shù)，PN結(jié)的結(jié)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(guī)則，TCAD仿真關(guān)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(tǒng)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(guān)聯(lián)參數(shù)（復合率、產(chǎn)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(shù)，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(shù)值計算方法，Atlas獲取器件特性數(shù)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(tài)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(jù)需求聯(lián)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(jié)陽極加步進電壓，獲取PN結(jié)電流電壓曲線，根據(jù)曲線提取器件關(guān)鍵參數(shù)（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(xù)實驗內(nèi)容。第一步，基礎(chǔ)實驗設計部分：對比實驗仿真，改變器件制備工藝條件，根據(jù)仿真獲得的器件結(jié)構(gòu)圖、雜質(zhì)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(shù)（結(jié)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(guān)知識，分析工藝條件改變引起器件結(jié)構(gòu)及電學、光學、熱學性能參數(shù)的變化的原因，鞏固所學課程相關(guān)的理論知識，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhì)分布圖如圖3所示，提取的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示：

學生需要根據(jù)雜質(zhì)分布圖及提取的參數(shù)表，運用所學相關(guān)理論知識分析仿真結(jié)果。其它工藝條件不變，擴散時間越長，雜質(zhì)擴散就越深，表面濃度也就越低，數(shù)據(jù)規(guī)律符合有限表面源擴散雜質(zhì)模型[9]。有限表面源擴散工藝下方塊電阻表達式為：

根據(jù)公式可知，P區(qū)方塊電阻與受主雜質(zhì)離子在結(jié)深上的積分成反比，隨著擴散時間的增加，受主雜質(zhì)進一步向襯底擴散，進入到N型襯底的受主雜質(zhì)總量增加，導致P區(qū)受主雜質(zhì)總量減少，即P區(qū)受主雜質(zhì)離子在結(jié)深上的積分減小，方塊電阻增大，實驗數(shù)據(jù)與理論結(jié)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(shù)如表2所示：

表2 不同擴散時間下的器件電學參數(shù)表

根據(jù)相關(guān)理論知識可知，實際擴散結(jié)，結(jié)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(jié)，擴散時間較短（20min-40min），結(jié)深較淺，擊穿電壓符合單邊突變結(jié)公式（2），由擊穿電壓公式可知，單邊突變結(jié)擊穿電壓VB與低摻雜一側(cè)雜質(zhì)離子濃度成反比，隨著擴散時間的增加，雜質(zhì)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(shù)據(jù)與單邊突變結(jié)擬合較好。擴散時間增加到50min后，結(jié)深較深，擊穿電壓減小，不再滿足單邊突變結(jié)模型，實驗數(shù)據(jù)與緩變結(jié)擬合較好[10]。根據(jù)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(chǔ)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(yǎng)學生的分析能力，知識轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化能力。

創(chuàng)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(jù)基礎(chǔ)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(yǎng)，注重學生綜合性，創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)。

2 基于Atlas器件仿真器綜合性實驗設計

以橫向PN結(jié)為例講述基于Atlas器件仿真器綜合性實驗設計規(guī)則，首先，給出橫向PN結(jié)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，如圖6所示：

接下來，講述Atlas器件仿真器的設計規(guī)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(tài)的描述來進行組織的，而這些狀態(tài)可以分成一些組，大體為結(jié)構(gòu)生成、設定材料模型、計算方法、器件特性獲取和結(jié)果分析等五組狀態(tài)。基于Atlas仿真器的PN結(jié)仿真流程如圖7所示：

基于Atlas仿真器的網(wǎng)格定義規(guī)則與Athena仿真器規(guī)則一致，網(wǎng)格定義完成后，根據(jù)器件結(jié)構(gòu)劃分區(qū)域，PN結(jié)的P區(qū)、N區(qū)、氧化隔離區(qū)及襯底等區(qū)域，設置各區(qū)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(jù)性能需求，設置各區(qū)域的雜質(zhì)分布（均勻分布、余誤差分布、高斯分布等等）;保存器件結(jié)構(gòu)，并調(diào)用tonyplot繪制器件結(jié)構(gòu)圖。器件結(jié)構(gòu)設計完成以后，選擇仿真的物理模型及數(shù)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(chǔ)實驗設計部分：對比實驗仿真，改變區(qū)域結(jié)構(gòu)、區(qū)域材料類型、雜質(zhì)分布等參數(shù)，分析器件結(jié)構(gòu)參數(shù)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(guān)知識。

例如，保持其它參數(shù)不變，改變PN結(jié)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(shù)如表3所示，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)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(jù)正向?qū)妷憾x可知，反向飽和電流越大，正向?qū)妷涸叫。c仿真結(jié)果一致。TCAD仿真能更形象、深入的幫助學生對相關(guān)理論知識的理解，進一步培養(yǎng)學生分析問題的能力。

創(chuàng)新性實驗設計部分：根據(jù)基礎(chǔ)實驗部分的PN結(jié)模型自主設計其它結(jié)構(gòu)器件（PIN結(jié)、BJT等）。比較在其它參數(shù)完全相同的情況下，改變器件結(jié)構(gòu)，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(jié)的P區(qū)與N區(qū)之間增加一本征區(qū)后，仿真得到的伏安特性曲線與PN結(jié)的伏安特性曲線如圖9所示，從圖中可以看出，PN結(jié)電流電壓曲線增長比PIN結(jié)快，根據(jù)相關(guān)理論知識可知，PIN結(jié)由于本征區(qū)的存在，以復合電流為主，電流正比于exp（qv/2kT），而PN結(jié)電流正比于exp（qv/kT）[11]。仿真結(jié)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(yǎng)了學生綜合設計能力。

3 TCAD軟件仿真與實際生產(chǎn)相結(jié)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(tǒng)、磁控濺射系統(tǒng)、擴散系統(tǒng)、OLED伏安特性測試系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jié)果，因此，需要針對相對應的設備及其狀態(tài)來探索工藝條件。對于仿真設計，也難免和實驗有偏差，根據(jù)設備工藝狀態(tài)對仿真模型參數(shù)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(jù)實際生產(chǎn)結(jié)果，提取生產(chǎn)結(jié)果與工藝參數(shù)的關(guān)系（例如氧化層厚度與速率關(guān)系、薄膜厚度與速率的關(guān)系等），與Athena仿真器的模型文件athenamod里默認的模型參數(shù)對比，如果有差異，修正默認的模型參數(shù)，得到符合實驗室設備狀態(tài)的工藝模型。TCAD仿真可以模擬并指導實際生產(chǎn)過程，可以縮短研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)成本，提高科研水平。采用軟件仿真與實際生產(chǎn)相結(jié)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(yǎng)學生處理工程問題的能力。