Silvaco TCAD仿真在《微电子工艺》实验教学中的应用

于文娟，董可秀，王炳庭，周昌海，付 翔，胡 毅

（滁州学院，安徽 滁州 239000）

0 引言

当今时代，微电子行业迅猛发展，已然成为了国家经济发展和保障的战略性行业，人才保障是行业进步的先决条件［1-2］。高校中，微电子及电子科学与技术相关专业均是面向集成电路领域输送人才的关键专业［3］，课程体系通常覆盖了微电子加工的全过程，从前端的数字电路设计、模拟电路设计、电子功能元器件课程，到原理性的半导体物理、半导体器件物理、结晶学课程，再到后端的Verilog HDL语言、集成电路设计、微电子工艺课程，通过课程学习的有效衔接，可加强学生从理论基础、模拟运算到设计基础知识的掌握。

《微电子工艺》课程处于课程体系的后端，是电子科学与技术专业的专业课程，授课时间通常在大三学年。教学内容包括半导体物理基础巩固，加工过程中所涉及的氧化、离子注入、扩散、光刻、刻蚀及薄膜生长等工艺技术原理及方法［4-5］。普通高校中微电子工艺教学与实践的脱离导致学生无法真正理解工艺过程，因此如何将工艺实现过程及参数影响直观地展示给学生，缩短学生知识储备和应用之间的距离，是微电子工艺实验课程亟待解决的问题。本文引入了Silvaco TCAD半导体工艺和器件仿真软件［6-8］，该软件能够完成半导体各种工艺的仿真，搭建器件后可进行器件的电学特性、光电场、光谱分析等，十分符合微电子工艺实验课程的教学目的，可用于提升学生对微电子工艺的直观感受，并帮助学生理解半导体物理参数对器件的具体影响。

1 Silvaco TCAD软件介绍

最早的开发软件是斯坦福大学的Suprem3，可实现工艺仿真，但是由于仿真积累的计算模型粗糙，运算准确率低。随着计算机技术的发展，Technology Computer Aided Design（TCAD），即半导体工艺模拟及器件模拟工具技术快速进步，美国的硅谷科技公司Silvaco经过二十多年的成长，研究的商用TCAD已成为半导体工艺及器件仿真领域的重要软件之一［9］。

Silvaco TCAD软件的数值计算主要基于半导体物理中的三大方程：泊松方程、载流子连续性方程及传输方程［10］，计算仿真的精确度和采用的物理模型息息相关，通常Silvaco采用的仿真思路和模型都是前期经验的公式和成果，并提供了Silvaco Library，大大提升了学生学习软件的速度。并可通过C解释器自定义函数，用于描述库外的材料。

Silvaco TCAD的功能包括一维、二维和三维工艺仿真，二维和三维器件仿真，主要组件包括交互式平台DeckBuild、画图工具Tonyplot、二维工艺仿真软件Athena、二维器件仿真软件Atlas、器件编辑软件DevEdit和三维仿真软件Victory等，其中工艺仿真器Athena可实现半导体工艺开发和运算优化，能对半导体中所有关键的制造工艺步骤进行精确的模拟，可涵盖PN结、三极管、MOS器件、SOI结构、光电子器件等半导体物理中涉猎的结构，进行结构几何参数、掺杂参数、能级分析及载流子性能运算，优化结构及工艺参数，提升半导体器件的速度、性能的同时降低漏电流、击穿特性等［11］，可以认为该软件囊括了微电子工艺中所涉及的大部分知识点，是微电子工艺实验课程的优异软件。可让学生在学习工艺的同时，掌握半导体参数对器件性能的影响，实现微电子工艺的形象化、半导体参数的具体化。

2 仿真实例

半导体工艺仿真主要基于Silvaco TCAD中的Athena仿真器。首先在DeckBuild中，将现有工艺步骤等基础工艺条件作为输入，形成（.str）结构文件，通过Tonyplot工具即可绘制出结构图形，并显示器件的半导体参数，包括掺杂浓度、载流子浓度、导带、价带等。将Athena得到的（.str）结构文件作为器件仿真器Atlas的输入文件（.in）后，可仿真出器件的电势、电场等特性。在结构文件的基础上加上外部指令，如偏压、光照等，可仿真得到器件的电学、光学属性（.log）［12］。

在《微电子工艺》课程的工艺仿真实例设计中，结合了学生课程体系的前期基础，提出首先学习Silvaco TCAD的网格设置方法，其次掌握设计基本工艺流程（以离子注入为例），随后引入PN结及NMOS器件，进行器件工艺步骤设计后分析掺杂分布。仿真实例的设计涵盖了半导体主要工艺流程、器件制备及参数分析的全过程。

2.1 网格设计实例

计算机的仿真计算通常是基于数值运算的，Silvaco TCAD运算的数值就来自于网格节点，合理的网格划分与计算结果的精确性、速度及收敛性直接相关，因此网格设计被作为仿真课程中的第一课［13］。网格设置应遵循以下两点规律：对于参数变化明显的界面等位置，网格应设置紧密；场区或者材料内部等参数变化小的区域，网格应适当稀疏。如图1给出了释放部分网格的非均匀网格图，适当地释放网格可提升运算速度。均匀网格、非均匀网格以及网格释放的学习可加强学生对于软件框架设计的理解。

图1 释放部分网格的非均匀网格图

2.2 离子注入实例

离子注入是半导体工艺中一个关键的步骤。半导体之所以备受关注，是因为半导体材料的能级、类型、迁移率均可通过掺杂工艺进行控制。微电子工艺中主要的掺杂工艺包括热扩散及离子注入，这里以蒙特卡洛（Monte Carto）模型注入为例。离子注入硼，形成P型材料，注入剂量为1e14，注入能量为100keV，蒙特卡洛模型，注入倾角为7°，无旋转，衬底温度300℃。

离子注入的程序及注释如下：

图2（a）给出了注入后杂质的分布情况，硼注入的有效区域位于刻蚀出的SiO2窗口下方，可以看到杂质的浓度最高点并不是在注入界面表面，而是在距离表面很近的位置。为了观察注入后的杂质分布特点，图2（b）给出了注入角度不同时，掺杂浓度的变化。这里的注入角度分别设置为0°、1°、2°、7°、10°。当入射角度为0°时，也就是垂直注入时，浓度峰值大约在0.1-0.3nm之间。随着注入角度的增大，浓度的峰值上升，并呈现向器件表面移动的规律。通过离子注入的仿真学习，让学生直观地理解了离子注入后掺杂浓度的变化不是线性变化，而是符合高斯分布的变化。该仿真将晦涩的工艺形象化，提高了学生对工艺的理解，又能够掌握半导体参数的影响，一举多得。

图2 （a）蒙特卡洛离子注入后的杂质分布

图2 （b）不同角度离子注入得到的硼浓度分布

2.3 PN结制备工艺仿真和参数提取

PN结是学生学习半导体理论知识中遇到的第一个器件结构，它几乎是所有半导体器件、集成电路的基本单元，掌握PN结的工艺步骤和原理是学习好半导体物理及集成电路相关知识的基础，因此在仿真体系设计中，加入了PN结的工艺仿真。这里采用的PN结为硅基同质结，衬底采用具有磷掺杂的N型晶圆，浓度为5.0e18。淀积SiO2氧化层做阻挡层，刻蚀出注入窗口后，离子注入硼形成P型区域，在窗口内部形成PN结。

PN结的部分程序（省略网格设置及输出绘图部分程序）及注释如下：

mat.occno=1 x.val=1 region.occno=1#提取电阻率

图3（a）为仿真后的PN结剖面图，其中顶部淀积了铝电极。显示的掺杂浓度为PN材料的和，为了更加清晰地学习掺杂浓度的变化，在图3（a）中做cutline操作，显示硼和磷的具体浓度如图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为磷多的衬底N型材料，因此PN结形成在Si内部0.5um左右。程序中加入了两个extract语句，可以抽取x=1um处的结深，以及表面电阻率。通过PN结仿真，可以加深学生对PN结的理解，了解到即使是最简单的单元也需要多步工艺叠加而成，而不是书上PN结示意图中简单的两层材料堆叠而成。

图3 （b）cutline得到的掺杂浓度图

2.4 NMOS制备工艺仿真

NMOS的工艺流程仿真有利于加强学生对集成电路设计的理解。对于NMOS结构，通常是在P型衬底上先掺磷做N阱，在N阱中制作NMOS器件。做好N阱后，先做栅氧层，制备多晶硅栅极后，使用自对准工艺掺杂砷得到源漏区，最后定义电极。仿真得到的电极及浓度如图4所示。

图4 NMOS内部的掺杂浓度仿真图

3 结语

《微电子工艺》课程作为培养集成电路人才的专业课程，在课程体系中处于和就业最接近的关键位置，在知识体系中位于知识统筹掌握的综合地位，可见该课程对于应用型人才培养的重要性。但是微电子工艺仪器设备昂贵，阻碍了学生对于知识的直观体验，缺少工作竞争中必要的知识储备。在微电子工艺实验课程研究中，本文引入了Silvaco TCAD仿真平台，该平台可实现半导体工艺开发和运算，能对半导体中所有关键的制造工艺步骤进行精确的模拟，将枯燥的半导体公式和工艺变成有趣的图形展示出来，大大提升了学生对课程知识吸收，激发了学习兴趣，对集成电路类学生未来工作提供了必要的帮助。