半導(dǎo)體器件仿真軟件在微電子工藝實驗中的應(yīng)用研究

周濤　吳志穎　陸曉東　李文軍

摘要：利用Silvaco半導(dǎo)體器件仿真軟件研究了不同注入條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)對大功率晶體管直流增益（HFE）的影響，清晰、直觀地向?qū)W生們展現(xiàn)了晶體管電學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)之間的聯(lián)系。表明將器件仿真技術(shù)應(yīng)用于微電子工藝實驗教學(xué)，可進一步充實教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)方法、增強教學(xué)效果，并提高學(xué)生器件設(shè)計和制造的能力。

關(guān)鍵詞：微電子；實驗教學(xué)；晶體管；直流增益

中圖分類號：G434；N45 文獻標志碼：B 文章編號：1674-9324（2015）38-0248-02

一、引言

微電子工藝實驗是微電子專業(yè)教學(xué)的重要組成部分，對于培養(yǎng)有競爭力的微電子科技人才十分必要。然而目前，我國微電子專業(yè)學(xué)生的理論聯(lián)系實際能力和動手能力普遍偏弱，成為制約我國微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大障礙[1-3]。究其根源在于國內(nèi)高校缺乏工藝實驗教學(xué)條件、系統(tǒng)的實驗教學(xué)課程[3-4]。因此，對于國內(nèi)高校如何充分利用現(xiàn)有教學(xué)資源，提高微電子工藝實驗教學(xué)效果是一個值得探索的課題。

半導(dǎo)體器件仿真指的是利用計算機仿真來優(yōu)化器件工藝和性能。主要是通過求解基本的物理偏微分方程來對器件結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能進行建模[1，5]。在開發(fā)新產(chǎn)品或優(yōu)化器件性能時，利用半導(dǎo)體器件仿真可以減少研制成本和周期。本文探究了Silvaco半導(dǎo)體器件仿真軟件在微電子工藝實驗中的應(yīng)用，利用Silvaco軟件計算了在不同的注入條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的大功率晶體管直流增益（HFE），清晰、直觀地向?qū)W生們展現(xiàn)了晶體管電學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)之間的聯(lián)系。表明將器件仿真軟件應(yīng)用于微電子工藝實驗教學(xué)，可進一步充實教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)方法、增強教學(xué)效果，并提高學(xué)生器件設(shè)計和制造的能力。

二、Silvaco器件仿真在工藝實驗教學(xué)中的應(yīng)用與分析

大功率晶體管是最常見的功率半導(dǎo)體分立器件之一，在一些大型專用軍事裝設(shè)備領(lǐng)域起著難以替代的作用，因此，掌握大功率晶體管芯片設(shè)計及制造工藝對于微電子專業(yè)的學(xué)生具有十分重要的意義。大功率晶體管直流增益HFE（用集電極電流變化量與基極電流變化量的比值來表示）參數(shù)是衡量大功率晶體管電流控制能力的關(guān)鍵直流參數(shù)[6]。其值不僅與晶體管的材料參數(shù)（如發(fā)射區(qū)、基區(qū)的摻雜濃度）、結(jié)構(gòu)參數(shù)（如基區(qū)寬度）緊密相關(guān)，而且也強烈依賴于測試條件（如基極注入電流、結(jié)溫等）。直流增益不同于擊穿電壓和飽和壓降等直流參數(shù)，很難利用經(jīng)驗公式計算得到滿足一定HFE指標要求的晶體管結(jié)構(gòu)參數(shù)。在流片過程中，最常見的方法是在晶體管發(fā)射區(qū)形成后，通過調(diào)整發(fā)射區(qū)結(jié)深來調(diào)整HFE，這勢必大大增加工藝成本。如果將器件仿真技術(shù)應(yīng)用于大功率晶體管工藝實驗，不僅可以加深學(xué)生對晶體管電參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)的理解，而且在一定程度上降低了晶體管的設(shè)計難度和工藝成本。

利用Silvaco/Athena工藝仿真模塊建立大功率晶體管二維結(jié)構(gòu)，如圖1所示。基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：器件總厚度為190μm，集電區(qū)厚度為40μm，電阻率為20Ω.cm，少子壽命為10μs，晶向為<111>。器件單元寬度（相鄰發(fā)射極與基極中點間距離）為240μm。基區(qū)寬度、發(fā)射結(jié)結(jié)深以及摻雜濃度為變量。表1和表2為利用Silvaco/Atlas器件仿真模塊計算得到的在不同注入條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的直流增益HFE。圖2為仿真得到的大功率晶體管輸出IC～VCE特性曲線，通過IC～VCE特性曲線可以讀取直流增益。仿真過程中復(fù)合模型考慮了與摻雜濃度相關(guān)的SRH復(fù)合（CONSRH）和俄歇復(fù)合（AUGER）；遷移率模型考慮與溫度、摻雜濃度以及橫向、縱向電場相關(guān)的完全模型（CVT）。另外還考慮了重摻雜引起的禁帶變窄效應(yīng)（BGN）、能帶簡并效應(yīng)（FERMI-DIRAC統(tǒng)計）以及SELBERHERR碰撞電離模型[5]。測試條件為：25℃，基極注入電流：0.0001μA/μm～100μA/μm，步進×10。集電極掃描電壓：0～5V。

工藝仿真條件一：

基區(qū)硼離子注入劑量為5×1015cm-2，注入能量為50KeV。退火時間為750min，溫度為1150℃。發(fā)射區(qū)磷注入劑量為5×1017cm-2，注入能量為40KeV，退火時間為370min，溫度為1050℃。基區(qū)次表面硼雜質(zhì)度為1.89×1018cm-3，基區(qū)寬度為3.4μm。發(fā)射區(qū)表面濃度為4.61×1020cm-3，發(fā)射結(jié)結(jié)深為3.8μm。由表1可見，當IB=0.1μA/μm時，HFE最大。當IB增大或減小時，HFE均降低。原因為：當IB較大（≥1μA/μm）時，由大注入導(dǎo)致的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)顯著[6]，有效基區(qū)電導(dǎo)率提高，因此，HFE迅速降低。當IB逐漸減小（≤0.01μA/μm）時，發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合電流在總發(fā)射極電流中的比例增大[6]，使得注入效率γ減小，從而導(dǎo)致HFE降低。

工藝仿真條件二：

基區(qū)硼離子注入劑量、注入能量及退火溫度同工藝一，退火時間增長為1250min。發(fā)射區(qū)磷注入劑量、注入能量以及退火推進溫度同工藝一，退火時間減少為270min。基區(qū)次表面硼雜質(zhì)濃度為3.25×1018cm-3，基區(qū)寬度增大為8.4μm。發(fā)射區(qū)表面濃度為4.75×1020cm-3，發(fā)射結(jié)結(jié)深減小為3μm。由表2可見，相比于工藝一，基區(qū)寬度顯著增大，使得基區(qū)輸運系數(shù)β*降低。晶體管基區(qū)次表面濃度增大，導(dǎo)致注入效率γ的降低。由于HFE正比β*與γ的乘積[6]，因此，HFE有大幅度降低。并且使得發(fā)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的臨界基極注入電流增大。

三、結(jié)論

將Silvaco半導(dǎo)體器件仿真軟件應(yīng)用于微電子工藝實驗教學(xué)，可清晰、直觀地向?qū)W生們展現(xiàn)半導(dǎo)體器件電學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)之間的聯(lián)系。進一步充實教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)方法、增強教學(xué)效果，并提高學(xué)生器件設(shè)計和制造的能力。

參考文獻：

[1]劉劍霜，郭鵬飛，李伙全.TCAD技術(shù)在微電子實驗教學(xué)體系中的應(yīng)用與研究[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（2）：78-80.

[2]張儒.高校微電子技術(shù)教學(xué)與生產(chǎn)實踐的結(jié)合[J].新課程研究：高等教育，2012，（6）：117-119.

[3]王蔚，田麗，付強.微電子工藝課/實驗/生產(chǎn)實習(xí)的整合研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（23）：47-50.

[4]黃杰.微電子學(xué)課程體系的教學(xué)仿真平臺構(gòu)建——以西南大學(xué)為例[J].西南師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，38（4）：155-158.

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[6]陳星弼，張慶中.晶體管原理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.