Silvaco TCAD仿真在《微電子工藝》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

于文娟，董可秀，王炳庭，周昌海，付 翔，胡 毅

（滁州學(xué)院，安徽 滁州 239000）

0 引言

當(dāng)今時(shí)代，微電子行業(yè)迅猛發(fā)展，已然成為了國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障的戰(zhàn)略性行業(yè)，人才保障是行業(yè)進(jìn)步的先決條件［1-2］。高校中，微電子及電子科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)均是面向集成電路領(lǐng)域輸送人才的關(guān)鍵專業(yè)［3］，課程體系通常覆蓋了微電子加工的全過(guò)程，從前端的數(shù)字電路設(shè)計(jì)、模擬電路設(shè)計(jì)、電子功能元器件課程，到原理性的半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件物理、結(jié)晶學(xué)課程，再到后端的Verilog HDL語(yǔ)言、集成電路設(shè)計(jì)、微電子工藝課程，通過(guò)課程學(xué)習(xí)的有效銜接，可加強(qiáng)學(xué)生從理論基礎(chǔ)、模擬運(yùn)算到設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。

《微電子工藝》課程處于課程體系的后端，是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)課程，授課時(shí)間通常在大三學(xué)年。教學(xué)內(nèi)容包括半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)鞏固，加工過(guò)程中所涉及的氧化、離子注入、擴(kuò)散、光刻、刻蝕及薄膜生長(zhǎng)等工藝技術(shù)原理及方法［4-5］。普通高校中微電子工藝教學(xué)與實(shí)踐的脫離導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法真正理解工藝過(guò)程，因此如何將工藝實(shí)現(xiàn)過(guò)程及參數(shù)影響直觀地展示給學(xué)生，縮短學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備和應(yīng)用之間的距離，是微電子工藝實(shí)驗(yàn)課程亟待解決的問(wèn)題。本文引入了Silvaco TCAD半導(dǎo)體工藝和器件仿真軟件［6-8］，該軟件能夠完成半導(dǎo)體各種工藝的仿真，搭建器件后可進(jìn)行器件的電學(xué)特性、光電場(chǎng)、光譜分析等，十分符合微電子工藝實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目的，可用于提升學(xué)生對(duì)微電子工藝的直觀感受，并幫助學(xué)生理解半導(dǎo)體物理參數(shù)對(duì)器件的具體影響。

1 Silvaco TCAD軟件介紹

最早的開(kāi)發(fā)軟件是斯坦福大學(xué)的Suprem3，可實(shí)現(xiàn)工藝仿真，但是由于仿真積累的計(jì)算模型粗糙，運(yùn)算準(zhǔn)確率低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，Technology Computer Aided Design（TCAD），即半導(dǎo)體工藝模擬及器件模擬工具技術(shù)快速進(jìn)步，美國(guó)的硅谷科技公司Silvaco經(jīng)過(guò)二十多年的成長(zhǎng)，研究的商用TCAD已成為半導(dǎo)體工藝及器件仿真領(lǐng)域的重要軟件之一［9］。

Silvaco TCAD軟件的數(shù)值計(jì)算主要基于半導(dǎo)體物理中的三大方程：泊松方程、載流子連續(xù)性方程及傳輸方程［10］，計(jì)算仿真的精確度和采用的物理模型息息相關(guān)，通常Silvaco采用的仿真思路和模型都是前期經(jīng)驗(yàn)的公式和成果，并提供了Silvaco Library，大大提升了學(xué)生學(xué)習(xí)軟件的速度。并可通過(guò)C解釋器自定義函數(shù)，用于描述庫(kù)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(tái)DeckBuild、畫(huà)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(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體工藝開(kāi)發(fā)和運(yùn)算優(yōu)化，能對(duì)半導(dǎo)體中所有關(guān)鍵的制造工藝步驟進(jìn)行精確的模擬，可涵蓋PN結(jié)、三極管、MOS器件、SOI結(jié)構(gòu)、光電子器件等半導(dǎo)體物理中涉獵的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、摻雜參數(shù)、能級(jí)分析及載流子性能運(yùn)算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)，提升半導(dǎo)體器件的速度、性能的同時(shí)降低漏電流、擊穿特性等［11］，可以認(rèn)為該軟件囊括了微電子工藝中所涉及的大部分知識(shí)點(diǎn)，是微電子工藝實(shí)驗(yàn)課程的優(yōu)異軟件?？勺寣W(xué)生在學(xué)習(xí)工藝的同時(shí)，掌握半導(dǎo)體參數(shù)對(duì)器件性能的影響，實(shí)現(xiàn)微電子工藝的形象化、半導(dǎo)體參數(shù)的具體化。

2 仿真實(shí)例

半導(dǎo)體工藝仿真主要基于Silvaco TCAD中的Athena仿真器。首先在DeckBuild中，將現(xiàn)有工藝步驟等基礎(chǔ)工藝條件作為輸入，形成（.str）結(jié)構(gòu)文件，通過(guò)Tonyplot工具即可繪制出結(jié)構(gòu)圖形，并顯示器件的半導(dǎo)體參數(shù)，包括摻雜濃度、載流子濃度、導(dǎo)帶、價(jià)帶等。將Athena得到的（.str）結(jié)構(gòu)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(shì)、電場(chǎng)等特性。在結(jié)構(gòu)文件的基礎(chǔ)上加上外部指令，如偏壓、光照等，可仿真得到器件的電學(xué)、光學(xué)屬性（.log）［12］。

在《微電子工藝》課程的工藝仿真實(shí)例設(shè)計(jì)中，結(jié)合了學(xué)生課程體系的前期基礎(chǔ)，提出首先學(xué)習(xí)Silvaco TCAD的網(wǎng)格設(shè)置方法，其次掌握設(shè)計(jì)基本工藝流程（以離子注入為例），隨后引入PN結(jié)及NMOS器件，進(jìn)行器件工藝步驟設(shè)計(jì)后分析摻雜分布。仿真實(shí)例的設(shè)計(jì)涵蓋了半導(dǎo)體主要工藝流程、器件制備及參數(shù)分析的全過(guò)程。

2.1 網(wǎng)格設(shè)計(jì)實(shí)例

計(jì)算機(jī)的仿真計(jì)算通常是基于數(shù)值運(yùn)算的，Silvaco TCAD運(yùn)算的數(shù)值就來(lái)自于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，合理的網(wǎng)格劃分與計(jì)算結(jié)果的精確性、速度及收斂性直接相關(guān)，因此網(wǎng)格設(shè)計(jì)被作為仿真課程中的第一課［13］。網(wǎng)格設(shè)置應(yīng)遵循以下兩點(diǎn)規(guī)律：對(duì)于參數(shù)變化明顯的界面等位置，網(wǎng)格應(yīng)設(shè)置緊密；場(chǎng)區(qū)或者材料內(nèi)部等參數(shù)變化小的區(qū)域，網(wǎng)格應(yīng)適當(dāng)稀疏。如圖1給出了釋放部分網(wǎng)格的非均勻網(wǎng)格圖，適當(dāng)?shù)蒯尫啪W(wǎng)格可提升運(yùn)算速度。均勻網(wǎng)格、非均勻網(wǎng)格以及網(wǎng)格釋放的學(xué)習(xí)可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于軟件框架設(shè)計(jì)的理解。

圖1 釋放部分網(wǎng)格的非均勻網(wǎng)格圖

2.2 離子注入實(shí)例

離子注入是半導(dǎo)體工藝中一個(gè)關(guān)鍵的步驟。半導(dǎo)體之所以備受關(guān)注，是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的能級(jí)、類型、遷移率均可通過(guò)摻雜工藝進(jìn)行控制。微電子工藝中主要的摻雜工藝包括熱擴(kuò)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(wú)旋轉(zhuǎn)，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(zhì)的分布情況，硼注入的有效區(qū)域位于刻蝕出的SiO2窗口下方，可以看到雜質(zhì)的濃度最高點(diǎn)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(zhì)分布特點(diǎn)，圖2（b）給出了注入角度不同時(shí)，摻雜濃度的變化。這里的注入角度分別設(shè)置為0°、1°、2°、7°、10°。當(dāng)入射角度為0°時(shí)，也就是垂直注入時(shí)，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(xiàn)向器件表面移動(dòng)的規(guī)律。通過(guò)離子注入的仿真學(xué)習(xí)，讓學(xué)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(xué)生對(duì)工藝的理解，又能夠掌握半導(dǎo)體參數(shù)的影響，一舉多得。

圖2 （a）蒙特卡洛離子注入后的雜質(zhì)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(jié)制備工藝仿真和參數(shù)提取

PN結(jié)是學(xué)生學(xué)習(xí)半導(dǎo)體理論知識(shí)中遇到的第一個(gè)器件結(jié)構(gòu)，它幾乎是所有半導(dǎo)體器件、集成電路的基本單元，掌握PN結(jié)的工藝步驟和原理是學(xué)習(xí)好半導(dǎo)體物理及集成電路相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)，因此在仿真體系設(shè)計(jì)中，加入了PN結(jié)的工藝仿真。這里采用的PN結(jié)為硅基同質(zhì)結(jié)，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(qū)域，在窗口內(nèi)部形成PN結(jié)。

PN結(jié)的部分程序（省略網(wǎng)格設(shè)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(jié)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(xué)習(xí)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(jié)形成在Si內(nèi)部0.5um左右。程序中加入了兩個(gè)extract語(yǔ)句，可以抽取x=1um處的結(jié)深，以及表面電阻率。通過(guò)PN結(jié)仿真，可以加深學(xué)生對(duì)PN結(jié)的理解，了解到即使是最簡(jiǎn)單的單元也需要多步工藝疊加而成，而不是書(shū)上PN結(jié)示意圖中簡(jiǎn)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(qiáng)學(xué)生對(duì)集成電路設(shè)計(jì)的理解。對(duì)于NMOS結(jié)構(gòu)，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(duì)準(zhǔn)工藝摻雜砷得到源漏區(qū)，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(nèi)部的摻雜濃度仿真圖

3 結(jié)語(yǔ)

《微電子工藝》課程作為培養(yǎng)集成電路人才的專業(yè)課程，在課程體系中處于和就業(yè)最接近的關(guān)鍵位置，在知識(shí)體系中位于知識(shí)統(tǒng)籌掌握的綜合地位，可見(jiàn)該課程對(duì)于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要性。但是微電子工藝儀器設(shè)備昂貴，阻礙了學(xué)生對(duì)于知識(shí)的直觀體驗(yàn)，缺少工作競(jìng)爭(zhēng)中必要的知識(shí)儲(chǔ)備。在微電子工藝實(shí)驗(yàn)課程研究中，本文引入了Silvaco TCAD仿真平臺(tái)，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體工藝開(kāi)發(fā)和運(yùn)算，能對(duì)半導(dǎo)體中所有關(guān)鍵的制造工藝步驟進(jìn)行精確的模擬，將枯燥的半導(dǎo)體公式和工藝變成有趣的圖形展示出來(lái)，大大提升了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)吸收，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，對(duì)集成電路類學(xué)生未來(lái)工作提供了必要的幫助。