Silvaco TCAD仿真在《微電子工藝》實驗教學中的應用

于文娟，董可秀，王炳庭，周昌海，付 翔，胡 毅

（滁州學院，安徽 滁州 239000）

0 引言

當今時代，微電子行業迅猛發展，已然成為了國家經濟發展和保障的戰略性行業，人才保障是行業進步的先決條件［1-2］。高校中，微電子及電子科學與技術相關專業均是面向集成電路領域輸送人才的關鍵專業［3］，課程體系通常覆蓋了微電子加工的全過程，從前端的數字電路設計、模擬電路設計、電子功能元器件課程，到原理性的半導體物理、半導體器件物理、結晶學課程，再到后端的Verilog HDL語言、集成電路設計、微電子工藝課程，通過課程學習的有效銜接，可加強學生從理論基礎、模擬運算到設計基礎知識的掌握。

《微電子工藝》課程處于課程體系的后端，是電子科學與技術專業的專業課程，授課時間通常在大三學年。教學內容包括半導體物理基礎鞏固，加工過程中所涉及的氧化、離子注入、擴散、光刻、刻蝕及薄膜生長等工藝技術原理及方法［4-5］。普通高校中微電子工藝教學與實踐的脫離導致學生無法真正理解工藝過程，因此如何將工藝實現過程及參數影響直觀地展示給學生，縮短學生知識儲備和應用之間的距離，是微電子工藝實驗課程亟待解決的問題。本文引入了Silvaco TCAD半導體工藝和器件仿真軟件［6-8］，該軟件能夠完成半導體各種工藝的仿真，搭建器件后可進行器件的電學特性、光電場、光譜分析等，十分符合微電子工藝實驗課程的教學目的，可用于提升學生對微電子工藝的直觀感受，并幫助學生理解半導體物理參數對器件的具體影響。

1 Silvaco TCAD軟件介紹

最早的開發軟件是斯坦福大學的Suprem3，可實現工藝仿真，但是由于仿真積累的計算模型粗糙，運算準確率低。隨著計算機技術的發展，Technology Computer Aided Design（TCAD），即半導體工藝模擬及器件模擬工具技術快速進步，美國的硅谷科技公司Silvaco經過二十多年的成長，研究的商用TCAD已成為半導體工藝及器件仿真領域的重要軟件之一［9］。

Silvaco TCAD軟件的數值計算主要基于半導體物理中的三大方程：泊松方程、載流子連續性方程及傳輸方程［10］，計算仿真的精確度和采用的物理模型息息相關，通常Silvaco采用的仿真思路和模型都是前期經驗的公式和成果，并提供了Silvaco Library，大大提升了學生學習軟件的速度。并可通過C解釋器自定義函數，用于描述庫外的材料。

Silvaco TCAD的功能包括一維、二維和三維工藝仿真，二維和三維器件仿真，主要組件包括交互式平臺DeckBuild、畫圖工具Tonyplot、二維工藝仿真軟件Athena、二維器件仿真軟件Atlas、器件編輯軟件DevEdit和三維仿真軟件Victory等，其中工藝仿真器Athena可實現半導體工藝開發和運算優化，能對半導體中所有關鍵的制造工藝步驟進行精確的模擬，可涵蓋PN結、三極管、MOS器件、SOI結構、光電子器件等半導體物理中涉獵的結構，進行結構幾何參數、摻雜參數、能級分析及載流子性能運算，優化結構及工藝參數，提升半導體器件的速度、性能的同時降低漏電流、擊穿特性等［11］，可以認為該軟件囊括了微電子工藝中所涉及的大部分知識點，是微電子工藝實驗課程的優異軟件。可讓學生在學習工藝的同時，掌握半導體參數對器件性能的影響，實現微電子工藝的形象化、半導體參數的具體化。

2 仿真實例

半導體工藝仿真主要基于Silvaco TCAD中的Athena仿真器。首先在DeckBuild中，將現有工藝步驟等基礎工藝條件作為輸入，形成（.str）結構文件，通過Tonyplot工具即可繪制出結構圖形，并顯示器件的半導體參數，包括摻雜濃度、載流子濃度、導帶、價帶等。將Athena得到的（.str）結構文件作為器件仿真器Atlas的輸入文件（.in）后，可仿真出器件的電勢、電場等特性。在結構文件的基礎上加上外部指令，如偏壓、光照等，可仿真得到器件的電學、光學屬性（.log）［12］。

在《微電子工藝》課程的工藝仿真實例設計中，結合了學生課程體系的前期基礎，提出首先學習Silvaco TCAD的網格設置方法，其次掌握設計基本工藝流程（以離子注入為例），隨后引入PN結及NMOS器件，進行器件工藝步驟設計后分析摻雜分布。仿真實例的設計涵蓋了半導體主要工藝流程、器件制備及參數分析的全過程。

2.1 網格設計實例

計算機的仿真計算通常是基于數值運算的，Silvaco TCAD運算的數值就來自于網格節點，合理的網格劃分與計算結果的精確性、速度及收斂性直接相關，因此網格設計被作為仿真課程中的第一課［13］。網格設置應遵循以下兩點規律：對于參數變化明顯的界面等位置，網格應設置緊密；場區或者材料內部等參數變化小的區域，網格應適當稀疏。如圖1給出了釋放部分網格的非均勻網格圖，適當地釋放網格可提升運算速度。均勻網格、非均勻網格以及網格釋放的學習可加強學生對于軟件框架設計的理解。

圖1 釋放部分網格的非均勻網格圖

2.2 離子注入實例

離子注入是半導體工藝中一個關鍵的步驟。半導體之所以備受關注，是因為半導體材料的能級、類型、遷移率均可通過摻雜工藝進行控制。微電子工藝中主要的摻雜工藝包括熱擴散及離子注入，這里以蒙特卡洛（Monte Carto）模型注入為例。離子注入硼，形成P型材料，注入劑量為1e14，注入能量為100keV，蒙特卡洛模型，注入傾角為7°，無旋轉，襯底溫度300℃。

離子注入的程序及注釋如下：

圖2（a）給出了注入后雜質的分布情況，硼注入的有效區域位于刻蝕出的SiO2窗口下方，可以看到雜質的濃度最高點并不是在注入界面表面，而是在距離表面很近的位置。為了觀察注入后的雜質分布特點，圖2（b）給出了注入角度不同時，摻雜濃度的變化。這里的注入角度分別設置為0°、1°、2°、7°、10°。當入射角度為0°時，也就是垂直注入時，濃度峰值大約在0.1-0.3nm之間。隨著注入角度的增大，濃度的峰值上升，并呈現向器件表面移動的規律。通過離子注入的仿真學習，讓學生直觀地理解了離子注入后摻雜濃度的變化不是線性變化，而是符合高斯分布的變化。該仿真將晦澀的工藝形象化，提高了學生對工藝的理解，又能夠掌握半導體參數的影響，一舉多得。

圖2 （a）蒙特卡洛離子注入后的雜質分布

圖2 （b）不同角度離子注入得到的硼濃度分布

2.3 PN結制備工藝仿真和參數提取

PN結是學生學習半導體理論知識中遇到的第一個器件結構，它幾乎是所有半導體器件、集成電路的基本單元，掌握PN結的工藝步驟和原理是學習好半導體物理及集成電路相關知識的基礎，因此在仿真體系設計中，加入了PN結的工藝仿真。這里采用的PN結為硅基同質結，襯底采用具有磷摻雜的N型晶圓，濃度為5.0e18。淀積SiO2氧化層做阻擋層，刻蝕出注入窗口后，離子注入硼形成P型區域，在窗口內部形成PN結。

PN結的部分程序（省略網格設置及輸出繪圖部分程序）及注釋如下：

mat.occno=1 x.val=1 region.occno=1#提取電阻率

圖3（a）為仿真后的PN結剖面圖，其中頂部淀積了鋁電極。顯示的摻雜濃度為PN材料的和，為了更加清晰地學習摻雜濃度的變化，在圖3（a）中做cutline操作，顯示硼和磷的具體濃度如圖3（b）所示，可以看到0-0.8um是Al，0.8-1.3um左右是硼多的P型材料，1.3-2.6um為磷多的襯底N型材料，因此PN結形成在Si內部0.5um左右。程序中加入了兩個extract語句，可以抽取x=1um處的結深，以及表面電阻率。通過PN結仿真，可以加深學生對PN結的理解，了解到即使是最簡單的單元也需要多步工藝疊加而成，而不是書上PN結示意圖中簡單的兩層材料堆疊而成。

圖3 （b）cutline得到的摻雜濃度圖

2.4 NMOS制備工藝仿真

NMOS的工藝流程仿真有利于加強學生對集成電路設計的理解。對于NMOS結構，通常是在P型襯底上先摻磷做N阱，在N阱中制作NMOS器件。做好N阱后，先做柵氧層，制備多晶硅柵極后，使用自對準工藝摻雜砷得到源漏區，最后定義電極。仿真得到的電極及濃度如圖4所示。

圖4 NMOS內部的摻雜濃度仿真圖

3 結語

《微電子工藝》課程作為培養集成電路人才的專業課程，在課程體系中處于和就業最接近的關鍵位置，在知識體系中位于知識統籌掌握的綜合地位，可見該課程對于應用型人才培養的重要性。但是微電子工藝儀器設備昂貴，阻礙了學生對于知識的直觀體驗，缺少工作競爭中必要的知識儲備。在微電子工藝實驗課程研究中，本文引入了Silvaco TCAD仿真平臺，該平臺可實現半導體工藝開發和運算，能對半導體中所有關鍵的制造工藝步驟進行精確的模擬，將枯燥的半導體公式和工藝變成有趣的圖形展示出來，大大提升了學生對課程知識吸收，激發了學習興趣，對集成電路類學生未來工作提供了必要的幫助。