張海磊 陸建恩 嚴(yán)古響 徐成保 孟歡

【關(guān)鍵詞】SILVACO 半導(dǎo)體工藝 器件仿真 VDMOS

半導(dǎo)體器件和集成電路的制造過程非常復(fù)雜，設(shè)備非常昂貴，開發(fā)周期長，生產(chǎn)成本大。例如：一個(gè)基本熱氧化過程一般需要幾小時(shí)或更多的時(shí)間，而用軟件模擬一次僅需要幾分鐘。因此現(xiàn)在很多公司在產(chǎn)品研發(fā)之初就采用TCAD技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并仿真。SILVACO-TCAD軟件是由SILVACO公司開發(fā)的，公司于1984年成立于美國硅谷。它是一款非常好的EDA工具，現(xiàn)在已經(jīng)風(fēng)靡全球。

1 SILVACO-TCAD的功能

SILVACO-TCAD軟件主要包括工藝仿真（ATHENA）和器件仿真（ATLAS）。特別是SPICE 模型的生成，互連寄生參數(shù)的的精確描述，基于物理的可靠性建模以及傳統(tǒng)的CAD技術(shù)，這些都為工程師進(jìn)行完整地IC設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的動(dòng)力和支持。

工藝仿真模塊（ATHENA）包括半導(dǎo)體器件和集成電路制造工藝中前道工序幾乎所有工藝過程的仿真，例如氧化、擴(kuò)散、淀積、光刻、刻蝕、離子注入、退火等。當(dāng)然還必須進(jìn)行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、襯底初始化以及電極引出。特別加入了對(duì)各項(xiàng)工藝的優(yōu)化功能，可以設(shè)定目標(biāo)值，可調(diào)參數(shù)，使系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化分析。

器件仿真模塊（ATLAS）主要是對(duì)特定半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性以及器件工作時(shí)相關(guān)的內(nèi)部物理機(jī)理進(jìn)行仿真，預(yù)測工藝參數(shù)對(duì)電路特性的影響。例如：晶體管和MOS管的轉(zhuǎn)移特性、輸出特性、閾值電壓、擊穿電壓等等。

2 基于SILVACO的VDMOS工藝仿真

在進(jìn)行VDMOS工藝仿真之前，先要確定基本的工藝流程。本次實(shí)驗(yàn)，我們確定的VDMOS工藝流程如圖1所示。

確定流程之后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)各道工序的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。例如：本實(shí)驗(yàn)要求達(dá)到600V的擊穿電壓，通過理論計(jì)算分析得出：至少需要38μm厚度的外延層，摻雜濃度為2.5*1014cm-3。為保證設(shè)計(jì)的VDMOS擊穿電壓能達(dá)到要求，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)采用55μm厚度的外延層，摻雜濃度為2*1014cm-3。

柵氧厚度設(shè)計(jì)為750?，采用干氧氧化，摻雜HCl。初始設(shè)計(jì)氧化溫度1050℃，時(shí)間為55分鐘，經(jīng)過仿真提取柵氧厚度約為740?。這時(shí)可以采用優(yōu)化方案，將750?作為目標(biāo)值，可以調(diào)節(jié)氧化時(shí)間、氧化溫度或者氧化劑壓力來達(dá)到預(yù)期效果。

離子注入時(shí)必須選擇合適的注入雜質(zhì)、注入的雜質(zhì)濃度、注入能量以及注入角度。本實(shí)驗(yàn)中溝道注入采用的雜質(zhì)是硼，摻雜濃度為5*1013cm-3，注入能量為80keV，注入角度為0°。

SILVACO軟件進(jìn)行仿真時(shí)，可隨時(shí)輸出文件保存，系統(tǒng)會(huì)生成臨時(shí)文件。選中文件，輸入TONYPLOT命令顯示，這樣了解每一步工藝的結(jié)構(gòu)。選擇某個(gè)區(qū)域或者位置可顯示雜質(zhì)濃度的分布情況，如圖2、3、4、5。

3 基于SILVACO的VDMOS器件仿真

設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否符合要求，還需要通過器件參數(shù)的仿真進(jìn)行驗(yàn)證。如果仿真結(jié)果達(dá)不到預(yù)期的效果，就需要重新設(shè)計(jì)工藝流程、工藝參數(shù)或者調(diào)整器件仿真參數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)的主要仿真參數(shù)是VDMOS的閾值電壓和輸出特性曲線，如圖7、8。

由圖7可以看出，我們?cè)O(shè)計(jì)的VDMOS單個(gè)元胞的閾值電壓大約2.8V，電流值非常小，這是因?yàn)閂DMOS器件是由若干個(gè)元胞并聯(lián)構(gòu)成的，少則幾百，多則幾萬個(gè)。若干個(gè)元胞一起形成較大的輸出電流。而圖8則是一個(gè)不太準(zhǔn)確的輸出伏安特性曲線，顯示出來的只有非飽和區(qū)部分，如果要將全部區(qū)域顯示出來，則需要調(diào)整仿真的參數(shù)或者工藝結(jié)構(gòu)。

4 注意事項(xiàng)

在VDMOS工藝和器件參數(shù)的仿真過程我們遇到了很多問題，需要注意。例如：

（1）工藝結(jié)構(gòu)仿真之前，必須先研究每道工序的工藝參數(shù)，并了解這些工藝參數(shù)與器件性能之間的關(guān)系，工藝參數(shù)盡可能詳細(xì)，對(duì)預(yù)期結(jié)果有做到心中有數(shù)，否則仿真結(jié)果容易出現(xiàn)偏差，再來修改就比較麻煩。

（2）仿真過程注意光標(biāo)所在的位置，工藝次序不能出現(xiàn)錯(cuò)亂。有時(shí)候不經(jīng)意，鼠標(biāo)點(diǎn)錯(cuò)位置，工藝順序錯(cuò)誤，運(yùn)行出現(xiàn)故障。

（3）器件參數(shù)仿真時(shí)，需要確定X方向和Y方向的參數(shù)及其范圍。例如VDMOS的轉(zhuǎn)移特性曲線是VGS-ID之間的關(guān)系，輸出特性曲線是VDS-ID之間的關(guān)系；前者需要確定VDS的數(shù)值，后者需要選擇不同的VGS數(shù)值，最后疊加出現(xiàn)曲線，反應(yīng)出電壓控制器件的特性。VDS或者VGS數(shù)值選擇不合適，會(huì)直接影響到最后曲線的正確與否。

（4）器件仿真時(shí)注意選擇合適的數(shù)值計(jì)算模型。例如普通的MOS器件，一般選擇CVT和SRH模型，前者是Lombardia的反型層模型，后者是一個(gè)復(fù)合模型。數(shù)值計(jì)算時(shí)也要選擇合適的迭代方法，MOS器件一般選擇Newton和Gummel迭代法。前者將每一次迭代將非線性的問題線性化處理，后者則每一步都迭代都需要解一系列的子問題，收斂比較慢。

（5）仿真過程中重要文件要在命令中輸出并保存，方便回來查錯(cuò)，重要的圖片也要技術(shù)保存。

5 結(jié)束語

本次實(shí)驗(yàn)主要是利用SILVACO TCAD軟件對(duì)VDMOS 功率器件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)仿真。通過仿真，不僅學(xué)會(huì)了軟件的使用，掌握了仿真技巧，更學(xué)會(huì)利用SILVACO TCAD軟件對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，也對(duì)半導(dǎo)體的工藝參數(shù)和性能參數(shù)有了更深的理解。

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