淺談SILVACO TCAD在VDMOS功率器件設計中的應用

張海磊 陸建恩 嚴古響 徐成保 孟歡

【關鍵詞】SILVACO 半導體工藝 器件仿真 VDMOS

半導體器件和集成電路的制造過程非常復雜，設備非常昂貴，開發周期長，生產成本大。例如：一個基本熱氧化過程一般需要幾小時或更多的時間，而用軟件模擬一次僅需要幾分鐘。因此現在很多公司在產品研發之初就采用TCAD技術進行設計并仿真。SILVACO-TCAD軟件是由SILVACO公司開發的，公司于1984年成立于美國硅谷。它是一款非常好的EDA工具，現在已經風靡全球。

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，互連寄生參數的的精確描述，基于物理的可靠性建模以及傳統的CAD技術，這些都為工程師進行完整地IC設計提供強大的動力和支持。

工藝仿真模塊（ATHENA）包括半導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、擴散、淀積、光刻、刻蝕、離子注入、退火等。當然還必須進行網格結構設計、襯底初始化以及電極引出。特別加入了對各項工藝的優化功能，可以設定目標值，可調參數，使系統自動優化分析。

器件仿真模塊（ATLAS）主要是對特定半導體器件結構的電學特性以及器件工作時相關的內部物理機理進行仿真，預測工藝參數對電路特性的影響。例如：晶體管和MOS管的轉移特性、輸出特性、閾值電壓、擊穿電壓等等。

2 基于SILVACO的VDMOS工藝仿真

在進行VDMOS工藝仿真之前，先要確定基本的工藝流程。本次實驗，我們確定的VDMOS工藝流程如圖1所示。

確定流程之后，根據設計要求對各道工序的參數進行計算分析。例如：本實驗要求達到600V的擊穿電壓，通過理論計算分析得出：至少需要38μm厚度的外延層，摻雜濃度為2.5*1014cm-3。為保證設計的VDMOS擊穿電壓能達到要求，我們設計時采用55μm厚度的外延層，摻雜濃度為2*1014cm-3。

柵氧厚度設計為750?，采用干氧氧化，摻雜HCl。初始設計氧化溫度1050℃，時間為55分鐘，經過仿真提取柵氧厚度約為740?。這時可以采用優化方案，將750?作為目標值，可以調節氧化時間、氧化溫度或者氧化劑壓力來達到預期效果。

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

SILVACO軟件進行仿真時，可隨時輸出文件保存，系統會生成臨時文件。選中文件，輸入TONYPLOT命令顯示，這樣了解每一步工藝的結構。選擇某個區域或者位置可顯示雜質濃度的分布情況，如圖2、3、4、5。

3 基于SILVACO的VDMOS器件仿真

設計的結構是否符合要求，還需要通過器件參數的仿真進行驗證。如果仿真結果達不到預期的效果，就需要重新設計工藝流程、工藝參數或者調整器件仿真參數。本次實驗的主要仿真參數是VDMOS的閾值電壓和輸出特性曲線，如圖7、8。

由圖7可以看出，我們設計的VDMOS單個元胞的閾值電壓大約2.8V，電流值非常小，這是因為VDMOS器件是由若干個元胞并聯構成的，少則幾百，多則幾萬個。若干個元胞一起形成較大的輸出電流。而圖8則是一個不太準確的輸出伏安特性曲線，顯示出來的只有非飽和區部分，如果要將全部區域顯示出來，則需要調整仿真的參數或者工藝結構。

4 注意事項

在VDMOS工藝和器件參數的仿真過程我們遇到了很多問題，需要注意。例如：

（1）工藝結構仿真之前，必須先研究每道工序的工藝參數，并了解這些工藝參數與器件性能之間的關系，工藝參數盡可能詳細，對預期結果有做到心中有數，否則仿真結果容易出現偏差，再來修改就比較麻煩。

（2）仿真過程注意光標所在的位置，工藝次序不能出現錯亂。有時候不經意，鼠標點錯位置，工藝順序錯誤，運行出現故障。

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

（4）器件仿真時注意選擇合適的數值計算模型。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，后者是一個復合模型。數值計算時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，重要的圖片也要技術保存。

5 結束語

本次實驗主要是利用SILVACO TCAD軟件對VDMOS 功率器件進行工藝設計仿真。通過仿真，不僅學會了軟件的使用，掌握了仿真技巧，更學會利用SILVACO TCAD軟件對半導體器件進行設計仿真，也對半導體的工藝參數和性能參數有了更深的理解。

參考文獻

[1]崔豐.基于SILVACO-TCAD的熱氧化工藝實驗教學探討[J].科技視界，2013（36）：268.

[2]朱筠.利用SILVACO TCAD軟件改進集成電路實踐教學的研究[J].數字技術與應用，2012（07）：115.

[3]唐龍谷.半導體工藝與器件仿真軟件Silvaco TCAD實用教程[M].北京：清華大學出版社，2014（7：）128.