半導(dǎo)體器件物理與工藝的TCAD綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳卉 師向群 胡云峰 文毅

摘? 要：半導(dǎo)體器件物理與工藝課程主要讓學(xué)生掌握半導(dǎo)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(xué)難度，提高教學(xué)質(zhì)量，引入TCAD綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分不僅能讓學(xué)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(dǎo)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(jìn)知識的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分，學(xué)生根據(jù)已有的器件模型，自主設(shè)計(jì)其它性能器件，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)及創(chuàng)新能力。

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

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

半導(dǎo)體器件物理與工藝是一門極為抽象，數(shù)學(xué)建模極為復(fù)雜的學(xué)科，傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)雖然可以一定程度幫助學(xué)生理解相關(guān)理論知識，但是不能讓學(xué)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(xué)、光學(xué)及熱學(xué)等性能的影響[1][2]。為了培養(yǎng)具備一定微電子學(xué)綜合設(shè)計(jì)能力的學(xué)生，引入TCAD仿真軟件教學(xué)是極為必要的。

引入TCAD仿真教學(xué)，一方面，學(xué)生可以充分認(rèn)識半導(dǎo)體物理學(xué)，半導(dǎo)體器件物理學(xué)等這些抽象難懂的理論基礎(chǔ)知識在半導(dǎo)體工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，加強(qiáng)理論教學(xué)的效果。另一方面，仿真也可以部分取代了耗費(fèi)成本的硅片實(shí)驗(yàn)，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(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)[3][4]。

Silvaco TCAD的工藝仿真可以實(shí)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(shè)計(jì)新工藝，改良舊工藝。器件仿真可以實(shí)現(xiàn)電學(xué)、光學(xué)及熱學(xué)等特性仿真及相關(guān)參數(shù)提取，可以用于設(shè)計(jì)新型器件，舊器件改良，驗(yàn)證器件的電學(xué)、光學(xué)及熱學(xué)等特性[5]。作者將從三個(gè)部分論述基于Silvaco TCAD的半導(dǎo)體器件物理與工藝綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：基于Athena工藝仿真器綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、基于Atlas器件仿真器綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、TCAD仿真與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合。

1 基于Athena工藝仿真器綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則，首先給學(xué)生復(fù)習(xí)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(shè)計(jì)規(guī)則，設(shè)計(jì)尺寸為2um×2um的PN結(jié)，TCAD仿真設(shè)計(jì)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(kuò)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(jì)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(shè)計(jì)規(guī)則一般就是重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)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(rèn)晶向（100），因?yàn)樵摼蛏辖缑鎽B(tài)密度最小。

氧化，雙面氧化，作為后續(xù)形成P型擴(kuò)散區(qū)的掩蔽層。

刻蝕，選擇幾何刻蝕（etch），形成P型擴(kuò)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(kuò)散工藝：選擇擴(kuò)散模型，TCAD仿真默認(rèn)擴(kuò)散是在非平面結(jié)構(gòu)及沒有損傷的襯底進(jìn)行的，選擇compress氧化模型以及fermi擴(kuò)散模型。選擇擴(kuò)散時(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)則，TCAD仿真關(guān)鍵步驟如下：

啟動Atlas仿真器，設(shè)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(fù)合模型、載流子統(tǒng)計(jì)模型、碰撞電離模型和隧道模型。器件電學(xué)、光學(xué)及熱學(xué)等相關(guān)聯(lián)參數(shù)（復(fù)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(dá)式會有不同。本次設(shè)計(jì)為齊納二極管，主要模擬其反向擊穿時(shí)的電學(xué)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(jì)算方法，Atlas獲取器件特性數(shù)值計(jì)算方法有四種：newton迭代法，漂移-擴(kuò)散計(jì)算的默認(rèn)方法，應(yīng)用于含集總元件的DC計(jì)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(kuò)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(jìn)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(gè)設(shè)計(jì)完成以后，分兩步完成后續(xù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。第一步，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分：對比實(shí)驗(yàn)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(xué)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(xué)、光學(xué)、熱學(xué)性能參數(shù)的變化的原因，鞏固所學(xué)課程相關(guān)的理論知識，實(shí)現(xiàn)學(xué)科間的交叉融合，讓學(xué)生直觀形象的看到器件制備工藝對器件結(jié)構(gòu)及電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)特性的影響，深入理解所學(xué)理論知識[8]。

例如，其它工藝條件不變，擴(kuò)散工藝的（diffus time=30 temp=1100 nitro press=1.00）擴(kuò)散時(shí)間分別取20分鐘、30分鐘、40分鐘及50分鐘，不同擴(kuò)散時(shí)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(xué)生需要根據(jù)雜質(zhì)分布圖及提取的參數(shù)表，運(yùn)用所學(xué)相關(guān)理論知識分析仿真結(jié)果。其它工藝條件不變，擴(kuò)散時(shí)間越長，雜質(zhì)擴(kuò)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(kuò)散雜質(zhì)模型[9]。有限表面源擴(kuò)散工藝下方塊電阻表達(dá)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(kuò)散時(shí)間的增加，受主雜質(zhì)進(jìn)一步向襯底擴(kuò)散，進(jìn)入到N型襯底的受主雜質(zhì)總量增加，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論結(jié)果一致。

不同擴(kuò)散時(shí)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(xué)參數(shù)如表2所示：

表2 不同擴(kuò)散時(shí)間下的器件電學(xué)參數(shù)表

根據(jù)相關(guān)理論知識可知，實(shí)際擴(kuò)散結(jié)，結(jié)深較淺，濃度梯度較大，襯底摻雜濃度較低的時(shí)候可以擬合成單邊突變結(jié)，擴(kuò)散時(shí)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(kuò)散時(shí)間的增加，雜質(zhì)進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與單邊突變結(jié)擬合較好。擴(kuò)散時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與緩變結(jié)擬合較好[10]。根據(jù)公式（3）進(jìn)一步分析可以得到本次實(shí)驗(yàn)擴(kuò)散最佳時(shí)間30min，此時(shí)器件反向飽和電流達(dá)到最小值?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅能讓學(xué)生直觀、深刻的理解涉及到的知識點(diǎn)，還能確定最佳制備工藝條件，注重培養(yǎng)學(xué)生的分析能力，知識轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化能力。

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分：此部分實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生自己查閱資料，根據(jù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分的齊納二極管模型，設(shè)計(jì)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(jìn)一步模擬器件的電學(xué)、光學(xué)及熱學(xué)特性。此部分實(shí)驗(yàn)注重學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，注重學(xué)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以橫向PN結(jié)為例講述基于Atlas器件仿真器綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)則，Atlas器件仿真器可以仿真半導(dǎo)體器件的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)行為。通過對一系列狀態(tài)的描述來進(jìn)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(shè)定材料模型、計(jì)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(shè)置各區(qū)域的位置、材料、序號等;設(shè)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(shè)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(shè)計(jì)完成以后，選擇仿真的物理模型及數(shù)值計(jì)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分：對比實(shí)驗(yàn)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(xué)、光學(xué)及熱學(xué)特性的影響，進(jìn)一步鞏固所學(xué)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(xué)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?，與仿真結(jié)果一致。TCAD仿真能更形象、深入的幫助學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分：根據(jù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分的PN結(jié)模型自主設(shè)計(jì)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(xué)、光學(xué)及熱學(xué)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(fù)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(jìn)一步驗(yàn)證了載流子傳輸理論，讓抽象的知識具體化，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力。

3 TCAD軟件仿真與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合

電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中山分室有QX-550有機(jī)光電子器件超真空系統(tǒng)、磁控濺射系統(tǒng)、擴(kuò)散系統(tǒng)、OLED伏安特性測試系統(tǒng)等器件制備及測試設(shè)備。器件實(shí)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(shè)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(yīng)的設(shè)備及其狀態(tài)來探索工藝條件。對于仿真設(shè)計(jì)，也難免和實(shí)驗(yàn)有偏差，根據(jù)設(shè)備工藝狀態(tài)對仿真模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，可以盡量減小這種偏差，使得仿真具有更強(qiáng)的指導(dǎo)意義[12]。

根據(jù)實(shí)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(rèn)的模型參數(shù)對比，如果有差異，修正默認(rèn)的模型參數(shù)，得到符合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備狀態(tài)的工藝模型。TCAD仿真可以模擬并指導(dǎo)實(shí)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(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合的教學(xué)方式，有效地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和積極性，培養(yǎng)學(xué)生處理工程問題的能力。