TCAD技术及其在半导体工艺中的应用

器件制造与应厨 Maam auri~ andApplication ofDcvic~ TCAD技术及其在半导体工艺中的应用 尹胜连 ，冯彬 (1．廊坊广播电视大学，河北 廊坊065000； 2．中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄 050051) 摘要： 阐 述 了计 算 机 辅 助 设 计 技 术 (TCAD) 的 应 用 发 展 历 程，介 绍 了相 关 软 件 (TSUPPREM4、MEDICI)的原理及功能。分别对以改善pn结边缘曲率效应，提高结击穿电压为目 的功率器件结终端结构—— 场限环、场板进行 了模拟。以某型号器件的芯片设计生产为实例，通 过工艺与器件电学性能的仿真结果与最终器件实测结果进行比较，展示出TCAD技术的特点，体 现 了TCAD技术对于半导体生产制造的重要作用。 关键词：计算机辅助设计技术；TSUPPREM4；MEDICI；曲率效应；功率器件 中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1003．353X (2008)06．0480．03 TCAD and Its Application in Semiconductor Process Yin Shenglian1 ， Feng Bin2 (1．Langfang Univers ofBroadcast and Television，Langfang 065000，China； 2．The 13 Research Institute，CETC，Sh~iazhuang 050051，China) Abstract：The development of TCAD (technology computer aided design)was described．The theory and function of TSUPPREM4 and MEDICI based on TCAD were introduced．Th e simulations of the power device terminal structure(field limit ring and field board)for improving PN junction edge curvature effect and heightening junction breakdown voltage were carried out．Taking the design and fabrication of the practical chip for example，through the results comparison between simulations and practical measurements，the merit of TCAD is obvious， and it reveals that TCAD is impo rtant to semi conductor manufacture． Key words：TCAD；TSUPREM4；MEDICI；curvature effect；power device EEACC：2550 0 引言 1 TCAD的发展 当前微电子产业发展 日新月异，工序逐步细 化，流片周期越来越长，以工艺试验形式取得最佳 工艺条件的传统做法已经不能满足生产的需要。而 随着半导体理论知识的深入、数值模拟技术的发展 及计算机性能的不断提高，采用以计算机为平台， 以半导体理论模型为基础利用数值模拟技术进行工 艺及器件性能仿真逐步代替了传统的工艺制造方 法⋯。由TCAD构建的虚拟 FAB完成新器件及新工 艺的开发，不仅突破了标准工艺的限制，而且可以 为自己的产品 “量身定制”最合适的制造工艺。另 外在对器件进行优化设计时各种性能之间往往存在 矛盾而不能同时得到优化。采用 TCAD的设计方法 则能在较短时间内以很小的代价设计出合乎 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 的 器件，这也是现代特殊器件设计普遍采取的方法。 480 半导体技术第33卷第6期 TCAD是一种针对半导体工艺流程和器件电学 特性方面的计算机辅助设计与仿真技术，其演变进 步与半导体行业紧密结合，促进了微电子技术的快 速发展。TCAD技术最早出现在 20世纪 50年代， 最初 只是采用一些简单的模型来解释和预测器件的 物理行 为。最早 的商业 TCAD软件是根据 Stanford 的TCAD程序改进的相应工艺模拟工具 TSUPREM 和器件仿真工具 MEDICI，这两个 TCAD工具被认 为是最早的。而随后 SILVACO公司也在 Stanford大 学的 TCAD基 础上 推 出了 自己的 TCAD工 具 ATHENA 和 ATLAS， ISE (integrated systems engineering)也有 自己相应的工艺模拟工具 DIOS和 器件仿真工具 DESSIS。其中 SILVACO公司的软件 多用于GaAs等异质结材料的器件仿真，TSUPREM 及 MEDICI多用于 si类器件，工艺与器件模型建立 2008年 6月 维普资讯 http://www.cqvip.com 尹胜连 等：TCAD技术及其在半导体工艺中的应用 相对较为成熟。这些商用软件 自推出后不断改进， 使之符合当前微电子工艺技术水平，目前已有针对 纳米结构的TCAD软件推出。 2 TCAD技术及其软件的主要功能 TSUPREM4(以下简称 TS4)是有关半导体制 造业的工艺仿真的软件，实施的仿真功能包含了当 今各类工艺工序，如各种环境下的退火、扩散、氧 化、介质淀积、离子注入、外延生长、选择性窗口 刻蚀等。TS4工艺仿真系统可依据二维工艺模型， 适时地反应出各种工艺过程中杂质元素的各向异性 行为，可以在考察掺杂杂质纵向行为的同时考察它 们的横向行为。 MEDICI是用于模拟半导体器件性能的仿真软 件，它在器件当中建立了一个电势与载流子分布的 二维模 型，可以算 出任 意偏 压下 的电学特性。 MEDICI通过求解 6个偏微分方程来描述器件的特 性，它们分别是：泊松方程、电子和空穴连续性方 程、电子和空穴能量平衡方程、晶格热方程 2。 TS4与 MEDICI之间可以进行数据转换传输， 通过两者的结合，人们可以将工艺过程和器件的电 学性能建立联系，从而可以模拟出工艺条件、器件 结构的变化对器件性能的影响。 3 仿真举例 功率器件能够将传统的工频交流高效的变换和 控制，从而提高效率和节约能源，市场需求量巨 大，因此世界各国陆续对功率器件展开了研究 。 制造功率器件首先要解决器件的耐压问题，实 际制造的功率器件由于各种具体因素 (主要是终端 的边缘曲率效应)影响，击穿电压远小于理论值 ， 因此为提高耐压，不断地创造出各种终端结构。 以pn结终端为例，采用 TCAD技术对几种提 高耐压的结构进行模拟，以期找到合适的结构来实 现最大耐压。采用 P型 <111>Si外延片、杂质浓 度为6×10 cm一、厚度为6 m，离子注入后退火 形成 pn结，退火温度1 000℃，时问20 min。低剂 量的离子注入工艺参数如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1所示，pn结加反向 电压后的电势分布如图1所示。 表 1 低注入剂量的 pn结工艺参数 Tab．1 Process parameter of pn structure for low dose implantation 注入杂质l注入杂质剂量／cm。I注入能量／keV l注入角度／(。) As f 2×lO f 6o f 7 由图 1可以看出，普通 pn结的电势分布较密， 电场强度较高，由于曲率效应的影响，最密集处在 pn结边缘 ，此时结的击穿电压较低，经TCAD模拟 June 2008 可得到此时击穿电压BV =48 V。 图 1 普通 pn结的 电势分布 Fig．1 Potential profile of general pn junction pn结边缘处电场强度高导致器件击穿电压较 低，因此降低边缘电场强度成为提高击穿电压的有 效途径。场限环由于扩展了 pn结耗尽层宽度，可 以有效地降低电场强度，在实际生产中得到大量的 应用。由图2可以看到，加入场限环后，电势分布 改变，电场强度降低，击穿 电压得到提高，经 TCAD模拟，击穿电压提高到53 v。 除场限环结构外 ，场板结构也可以有效降低边 缘电场强度，提高耐压，同样得到大量的应用。 图2 含场限环的 pn结电势分布 Fig．2 Potential profile of pn junction with field limit ring 由图3可以看出，加入场板后可以改变 pn结 8 (a)普通 pn结的电势分布 (b)加入场板后的电势分布 图 3 加 入场 板对 电势分布的影 响 Fig．3 Influence of field board on potential profile 的电势分布，有效地提高耐压。然而在场板边缘 处，电势分布仍然密集，电场强度较大，须进一步 降低边缘电场强度，通过 LOCOS工艺使得场板边 缘形成非均匀厚度氧化层结构 (图4)可以实现这 图4 非均匀氧化层厚度下场板结构的电势分布 Fig．4 Potential profile of field board with nonuniformlty oxidation thickness Semiconductor Technology Vo1．33 No．6 481 维普资讯 http://www.cqvip.com 尹胜连 等：TCAD技术及其在半导体工艺中的应用 一 目的，提高耐压。 在实际生产中，人们多采用复合型结构，即场 限环、场板同时使用，可以最大程度的提高耐压。 由于工艺步骤较为复杂，本文旨在 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 TCAD技术 的应用，故不再详细说明。 4 应用实例 以某型号器件芯片为例，器件指标：BVcB0≥ 30 V、BVcE0≥15 V、 =50～100。针对器件 的性 能要求及参考文献[3]的理论进行初步设计，则 BVcBo 1．71×109。i一。· 舛 BVcEo=BVcao／~1+ 1 Ob Wb ． 1 f b＼ ．sA ．，R + I J+ + 式中：ai为集电结浓度梯度； 、 。分别为基区、 集电区电导率；Wb、W L b、L。分别为基区、集 电区宽度和少子扩散长度；S为表面复合速度； Db为基区少子扩散系数；A 为有效复合面积；AE 为集电结面积；， 为结的漏电流；，E为静态发射 极 电流。 由理论计算和查表方法确定器件芯片的材料、 纵向几何尺寸及杂质分布等工艺参数，通过工艺仿 真软件 154确定工艺条件以期达到器件工艺参数要 求，再由MEDICI仿真验证器件的电学特性，最终 进行实际流片。其仿真器件结构及结果如图 5、6。 一 图5 器件模拟图 Fig．5 Simulation picture of the device 50 40 30 20 l0 0 v 图6 ／-V特性曲线模拟图 Fig．6 Simulation picture of V character curve 经过由TS4确定的工艺条件进行流片，芯片及 电学特性见图7。最终器件测试性能见表 2。 482 半导体技术第33卷第6期 一 一 (a)，-嘴 性曲线照片 (b) 测试结果照片 一 (c)B cm测试结果照片 ( ：I V／div，Y：，。5 mA／div，b 0．2 mA／div； ：5 V／div，Y：l n~,／div) 图7 器件直流测试结果 Fig．7 DC test results of the device 表 2 芯片直流参数测试结果 Tab．2 DC parameters test results 01 chip 5 结语 从上面的介绍和应用实例可以看出，TCAD技 术可以通过工艺条件和工艺步骤预先生成一个器件 的结构，并对其电学行为作出定性甚至定量的判 断，而不用消耗任何的实际成本，其作用相当于一 个虚拟工厂，对实际的半导体生产有很大的帮助。 参考文献： [1]冯彬 ，刘英坤，孙艳玲 ，等．微波功率 LDMOS的工艺仿真 及研制 [J]．半导体技术 ，2007，32(5)：402--405． [2]Synopsys．Medici User Guide Version[K]．2003． [3]赵保经 ，大功率晶体管的设计与制造[M]．北京：科学出 版社，1978． (收稿日期 ：2008．03．1O) _ 作者简介： 尹胜连(1965一)，男，河北滦县人，现主要 从事现代教育技术及软件 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 的教学和研究工 作； 冯彬(1982一)，男，河北冀州人，硕士，现主要从事硅功率器件 TCAD研究及器件研制工作。 2008年 6月 维普资讯 http://www.cqvip.com