半导体器件物理与工艺的TCAD综合性实验设计

摘  要：半导体器件物理与工艺课程主要让学生掌握半导体基本理论，器件基本结构、物理原理、特性及主要工艺技术对器件性能的影响。为了简化课程教学难度，提高教学质量，引入TCAD综合性实验设计。基础实验设计部分不仅能让学生更形象、直观的看到器件形貌、获取器件各参数，而且可以结合课程相关理论知识分析半导体工艺条件及器件结构参数对器件性能的影响，促进知识的转移、转化。创新性实验设计部分，学生根据已有的器件模型，自主设计其它性能器件，激发学生的学习兴趣，培养学生综合设计及创新能力。

关键词：Athena工艺仿真器;Atlas器件仿真器;实际生产;PN结

中图分类号：TN30          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）06-0020-05

半导体器件物理与工艺是一门极为抽象，数学建模极为复杂的学科，传统的验证性实验虽然可以一定程度帮助学生理解相关理论知识，但是不能让学生更深入、形象直观的理解器件的制备工艺过程及器件结构参数对器件电学、光学及热学等性能的影响[1][2]。为了培养具备一定微电子学综合设计能力的学生，引入TCAD仿真软件教学是极为必要的。

引入TCAD仿真教学，一方面，学生可以充分认识半导体物理学，半导体器件物理学等这些抽象难懂的理论基础知识在半导体工业中的实际应用，加强理论教学的效果。另一方面，仿真也可以部分取代了耗费成本的硅片实验，可以降低成本，缩短了开发周期和提高成品率，也就是说，仿真可以虚拟生产并指导实际生产[3][4]。

Silvaco TCAD的工艺仿真可以实现离子注入、氧化、刻蚀、光刻等工艺过程的模拟，可以用于设计新工艺，改良旧工艺。器件仿真可以实现电学、光学及热学等特性仿真及相關参数提取，可以用于设计新型器件，旧器件改良，验证器件的电学、光学及热学等特性[5]。作者将从三个部分论述基于Silvaco TCAD的半导体器件物理与工艺综合性实验设计：基于Athena工艺仿真器综合性实验设计、基于Atlas器件仿真器综合性实验设计、TCAD仿真与实际生产相结合。

1 基于Athena工艺仿真器综合性实验设计

以齐纳二极管（N型衬底）为例简述基于Athena工艺仿真器综合性实验设计规则，首先给学生复习PN结的工艺制备流程相关理论知识[6]，PN结制备工艺流程如图1所示：

接下来，以PN结的工艺制备流程为基础，讲解Athena工艺仿真器设计规则，设计尺寸为2um×2um的PN结，TCAD仿真设计关键步骤如下：

启动Athena工艺仿真器，Athena仿真器主要功能：（1）用来模拟离子注入、扩散、氧化等以模拟掺杂分布为主的模块;（2）用来模拟刻蚀、淀积等以形貌为主的模块;（3）用来模拟固有和外来衬底材料参数及/或制造工艺条件参数的扰动对工艺结果的影响，作为IC工艺统计模拟。

定义网格，工艺仿真中所生成的网格是用来形成精确度杂质浓度分布、结的深度等以适合于工艺级别的网格，用来提高器件参数的精度。设计规则一般就是重点区域重点给出网格，不重要的区域少给网格。

初始化衬底，定义衬底类型（N型）、掺杂浓度（3e18cm-3）及晶向等，默认晶向（100），因为该晶向上界面态密度最小。

氧化，双面氧化，作为后续形成P型扩散区的掩蔽层。

刻蚀，选择几何刻蚀（etch），形成P型扩散区窗口。

离子注入工艺，选择离子注入模型及离子注入工艺参数（浓度、能量、注入角度等）。

扩散工艺：选择扩散模型，TCAD仿真默认扩散是在非平面结构及没有损伤的衬底进行的，选择compress氧化模型以及fermi扩散模型。选择扩散时间、温度、气体氛围等工艺参数，此步工艺会使得离子注入的杂质再分布。

提取器件关键参数，PN结的结深，方块电阻等。

电极制备，制作AL电极，电极厚度0.2um。

TCAD仿真流程如图2所示：

为了直观形象的研究所设计齐纳二极管的击穿特性，启动Atlas器件仿真器，模拟其伏安特性曲线。讲解Atlas器件仿真器设计规则，TCAD仿真关键步骤如下：

启动Atlas仿真器，设置仿真物理模型，Atlas中物理模型可以分为五组：迁移率模型、复合模型、载流子统计模型、碰撞电离模型和隧道模型。器件电学、光学及热学等相关联参数（复合率、产生率、迁移率、少子寿命、光生成速率等）有专门的模型定义，不同模型表达式会有不同。本次设计为齐纳二极管，主要模拟其反向击穿时的电学特性，选择bipolar技术，载流子生成模型选择Selberrher碰撞电离模型及bbt.std能带跃迁模型。

选择数值计算方法，Atlas获取器件特性数值计算方法有四种：newton迭代法，漂移-扩散计算的默认方法，应用于含集总元件的DC计算、瞬态分析、curve tracing、频域小信号分析;Gummel迭代法，不适用于含有集总元件或电流边界情形的求解;Block迭代法专用于不等温的漂移-扩散仿真;组合迭代法，上述三种迭代算法根据需求联合使用[7]。本次仿真模型符合newton迭代法。

获取器件特性，给PN结阳极加步进电压，获取PN结电流电压曲线，根据曲线提取器件关键参数（反向击穿电压，反向饱和电流等）。

整个设计完成以后，分两步完成后续实验内容。第一步，基础实验设计部分：对比实验仿真，改变器件制备工艺条件，根据仿真获得的器件结构图、杂质分布图、能带分布图、载流子浓度分布图等，仿真提取的各参数（结深、方块电阻、反向饱和电流、反向击穿电压等），用所学的理论课程相关知识，分析工艺条件改变引起器件结构及电学、光学、热学性能参数的变化的原因，巩固所学课程相关的理论知识，实现学科间的交叉融合，让学生直观形象的看到器件制备工艺对器件结构及电学、光学、热学特性的影响，深入理解所学理论知识[8]。

例如，其它工艺条件不变，扩散工艺的（diffus time=30 temp=1100 nitro press=1.00）扩散时间分别取20分钟、30分钟、40分钟及50分钟，不同扩散时间下的杂质分布图如图3所示，提取的器件结构参数如表1所示：

学生需要根据杂质分布图及提取的参数表，运用所学相关理论知识分析仿真结果。其它工艺条件不变，扩散时间越长，杂质扩散就越深，表面浓度也就越低，数据规律符合有限表面源扩散杂质模型[9]。有限表面源扩散工艺下方块电阻表达式为：

根据公式可知，P区方块电阻与受主杂质离子在结深上的积分成反比，随着扩散时间的增加，受主杂质进一步向衬底扩散，进入到N型衬底的受主杂质总量增加，导致P区受主杂质总量减少，即P区受主杂质离子在结深上的积分减小，方块电阻增大，实验数据与理论结果一致。

不同扩散时间下的伏安特性曲线如图4所示，放大的反向饱和电流曲线如图5所示，提取的电学参数如表2所示：

表2 不同扩散时间下的器件电学参数表

根据相关理论知识可知，实际扩散结，结深较浅，浓度梯度较大，衬底掺杂浓度较低的时候可以拟合成单边突变结，扩散时间较短（20min-40min），结深较浅，击穿电压符合单边突变结公式（2），由击穿电压公式可知，单边突变结击穿电压VB与低掺杂一侧杂质离子浓度成反比，随着扩散时间的增加，杂质进入的N型衬底的量增加，衬底净掺杂浓度减小，击穿电压增大，实验数据与单边突变结拟合较好。扩散时间增加到50min后，结深较深，击穿电压减小，不再满足单边突变结模型，实验数据与缓变结拟合较好[10]。根据公式（3）进一步分析可以得到本次实验扩散最佳时间30min，此时器件反向饱和电流达到最小值。基础实验设计不仅能让学生直观、深刻的理解涉及到的知识点，还能确定最佳制备工艺条件，注重培养学生的分析能力，知识转移、转化能力。

创新性实验设计部分：此部分实验需要学生自己查阅资料，根据基础实验部分的齐纳二极管模型，设计不同性能的二极管（整流二极管、肖特基势垒二极管、GUUN二极管等），进一步模拟器件的电学、光学及热学特性。此部分实验注重学生学习兴趣的培养，注重学生综合性，创新性能力的培养。

2 基于Atlas器件仿真器综合性实验设计

以横向PN结为例讲述基于Atlas器件仿真器综合性实验设计规则，首先，给出横向PN结的结构及参数，如图6所示：

接下来，讲述Atlas器件仿真器的设计规则，Atlas器件仿真器可以仿真半导体器件的电学、光学和热学行为。通过对一系列状态的描述来进行组织的，而这些状态可以分成一些组，大体为结构生成、设定材料模型、计算方法、器件特性获取和结果分析等五组状态。基于Atlas仿真器的PN结仿真流程如图7所示：

基于Atlas仿真器的网格定义规则与Athena仿真器规则一致，网格定义完成后，根据器件结构划分区域，PN结的P区、N区、氧化隔离区及衬底等区域，设置各区域的位置、材料、序号等;设置电极的位置、材料特性、接触特性及界面特性;根据性能需求，设置各区域的杂质分布（均匀分布、余误差分布、高斯分布等等）;保存器件结构，并调用tonyplot绘制器件结构图。器件结构设计完成以后，选择仿真的物理模型及数值计算方法，再施加电压、电流、光照和磁场来获取器件特性。

基础实验设计部分：对比实验仿真，改变区域结构、区域材料类型、杂质分布等参数，分析器件结构参数对器件电学、光学及热学特性的影响，进一步巩固所学理论课程相关知识。

例如，保持其它参数不变，改变PN结掺杂浓度，获得器件的伏安特性曲线如图8所示，提取的电学参数如表3所示，根据数据结果可知，随着掺杂浓度的增加，器件的饱和电流减小，与公式（3）一致;根据正向导通电压定义可知，反向饱和电流越大，正向导通电压越小，与仿真结果一致。TCAD仿真能更形象、深入的幫助学生对相关理论知识的理解，进一步培养学生分析问题的能力。

创新性实验设计部分：根据基础实验部分的PN结模型自主设计其它结构器件（PIN结、BJT等）。比较在其它参数完全相同的情况下，改变器件结构，对器件电学、光学及热学性能的影响，分析引起上述性能变化的原因。例如，在PN结的P区与N区之间增加一本征区后，仿真得到的伏安特性曲线与PN结的伏安特性曲线如图9所示，从图中可以看出，PN结电流电压曲线增长比PIN结快，根据相关理论知识可知，PIN结由于本征区的存在，以复合电流为主，电流正比于exp（qv/2kT），而PN结电流正比于exp（qv/kT）[11]。仿真结果进一步验证了载流子传输理论，让抽象的知识具体化，进一步培养了学生综合设计能力。

3 TCAD软件仿真与实际生产相结合

电子薄膜与集成器件国家重点实验室中山分室有QX-550有机光电子器件超真空系统、磁控溅射系统、扩散系统、OLED伏安特性测试系统等器件制备及测试设备。器件实际制备过程中，工艺控制过程直接影响器件的结构及性能，即使是同型号的设备在同样的条件下也可能得到不同的结果，因此，需要针对相对应的设备及其状态来探索工艺条件。对于仿真设计，也难免和实验有偏差，根据设备工艺状态对仿真模型参数进行校准，可以尽量减小这种偏差，使得仿真具有更强的指导意义[12]。

根据实际生产结果，提取生产结果与工艺参数的关系（例如氧化层厚度与速率关系、薄膜厚度与速率的关系等），与Athena仿真器的模型文件athenamod里默认的模型参数对比，如果有差异，修正默认的模型参数，得到符合实验室设备状态的工艺模型。TCAD仿真可以模拟并指导实际生产过程，可以缩短研发周期，节省研发成本，提高科研水平。采用软件仿真与实际生产相结合的教学方式，有效地提升了学生的学习效率和积极性，培养学生处理工程问题的能力。

4 结束语

综上所述，基于Silvaco TCAD的综合性实验设计分为基础实验设计部分及创新性实验设计部分，基础实验设计不仅可以得到最终的电学、光学及热学特性，还能直观的看到器件的轮廓和形貌，内部杂质分布，直观分析器件内部能带、电场、电流及载流子等的分布和变化，有利于学生直观、形象的理解相关理论知识，进一步强化所学理论课程相关知识。创新性实验设计在于培养学生的创新能力及综合设计能力，让学生自主设计实验并仿真，激发学生的学习兴趣，培养学生掌握查阅资料、分析问题、提出问题、解决问题的能力。TCAD仿真与实际生产相结合，学生设计的器件模型能够以实物形式展现出来，培养学生处理工程问题的能力，增强学生的自信心，让学生更深刻的理解课程学习的目的及作用。

参考文献：

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