张海磊 陆建恩 严古响 徐成保 孟欢

【关键词】SILVACO 半导体工艺 器件仿真 VDMOS

半导体器件和集成电路的制造过程非常复杂，设备非常昂贵，开发周期长，生产成本大。例如：一个基本热氧化过程一般需要几小时或更多的时间，而用软件模拟一次仅需要几分钟。因此现在很多公司在产品研发之初就采用TCAD技术进行设计并仿真。SILVACO-TCAD软件是由SILVACO公司开发的，公司于1984年成立于美国硅谷。它是一款非常好的EDA工具，现在已经风靡全球。

1 SILVACO-TCAD的功能

SILVACO-TCAD软件主要包括工艺仿真（ATHENA）和器件仿真（ATLAS）。特别是SPICE 模型的生成，互连寄生参数的的精确描述，基于物理的可靠性建模以及传统的CAD技术，这些都为工程师进行完整地IC设计提供强大的动力和支持。

工藝仿真模块（ATHENA）包括半导体器件和集成电路制造工艺中前道工序几乎所有工艺过程的仿真，例如氧化、扩散、淀积、光刻、刻蚀、离子注入、退火等。当然还必须进行网格结构设计、衬底初始化以及电极引出。特别加入了对各项工艺的优化功能，可以设定目标值，可调参数，使系统自动优化分析。

器件仿真模块（ATLAS）主要是对特定半导体器件结构的电学特性以及器件工作时相关的内部物理机理进行仿真，预测工艺参数对电路特性的影响。例如：晶体管和MOS管的转移特性、输出特性、阈值电压、击穿电压等等。

2 基于SILVACO的VDMOS工艺仿真

在进行VDMOS工艺仿真之前，先要确定基本的工艺流程。本次实验，我们确定的VDMOS工艺流程如图1所示。

确定流程之后，根据设计要求对各道工序的参数进行计算分析。例如：本实验要求达到600V的击穿电压，通过理论计算分析得出：至少需要38μm厚度的外延层，掺杂浓度为2.5*1014cm-3。为保证设计的VDMOS击穿电压能达到要求，我们设计时采用55μm厚度的外延层，掺杂浓度为2*1014cm-3。

栅氧厚度设计为750?，采用干氧氧化，掺杂HCl。初始设计氧化温度1050℃，时间为55分钟，经过仿真提取栅氧厚度约为740?。这时可以采用优化方案，将750?作为目标值，可以调节氧化时间、氧化温度或者氧化剂压力来达到预期效果。

离子注入时必须选择合适的注入杂质、注入的杂质浓度、注入能量以及注入角度。本实验中沟道注入采用的杂质是硼，掺杂浓度为5*1013cm-3，注入能量为80keV，注入角度为0°。

SILVACO软件进行仿真时，可随时输出文件保存，系统会生成临时文件。选中文件，输入TONYPLOT命令显示，这样了解每一步工艺的结构。选择某个区域或者位置可显示杂质浓度的分布情况，如图2、3、4、5。

3 基于SILVACO的VDMOS器件仿真

设计的结构是否符合要求，还需要通过器件参数的仿真进行验证。如果仿真结果达不到预期的效果，就需要重新设计工艺流程、工艺参数或者调整器件仿真参数。本次实验的主要仿真参数是VDMOS的阈值电压和输出特性曲线，如图7、8。

由图7可以看出，我们设计的VDMOS单个元胞的阈值电压大约2.8V，电流值非常小，这是因为VDMOS器件是由若干个元胞并联构成的，少则几百，多则几万个。若干个元胞一起形成较大的输出电流。而图8则是一个不太准确的输出伏安特性曲线，显示出来的只有非饱和区部分，如果要将全部区域显示出来，则需要调整仿真的参数或者工艺结构。

4 注意事项

在VDMOS工艺和器件参数的仿真过程我们遇到了很多问题，需要注意。例如：

（1）工艺结构仿真之前，必须先研究每道工序的工艺参数，并了解这些工艺参数与器件性能之间的关系，工艺参数尽可能详细，对预期结果有做到心中有数，否则仿真结果容易出现偏差，再来修改就比较麻烦。

（2）仿真过程注意光标所在的位置，工艺次序不能出现错乱。有时候不经意，鼠标点错位置，工艺顺序错误，运行出现故障。

（3）器件参数仿真时，需要确定X方向和Y方向的参数及其范围。例如VDMOS的转移特性曲线是VGS-ID之间的关系，输出特性曲线是VDS-ID之间的关系；前者需要确定VDS的数值，后者需要选择不同的VGS数值，最后叠加出现曲线，反应出电压控制器件的特性。VDS或者VGS数值选择不合适，会直接影响到最后曲线的正确与否。

（4）器件仿真时注意选择合适的数值计算模型。例如普通的MOS器件，一般选择CVT和SRH模型，前者是Lombardia的反型层模型，后者是一个复合模型。数值计算时也要选择合适的迭代方法，MOS器件一般选择Newton和Gummel迭代法。前者将每一次迭代将非线性的问题线性化处理，后者则每一步都迭代都需要解一系列的子问题，收敛比较慢。

（5）仿真过程中重要文件要在命令中输出并保存，方便回来查错，重要的图片也要技术保存。

5 结束语

本次实验主要是利用SILVACO TCAD软件对VDMOS 功率器件进行工艺设计仿真。通过仿真，不仅学会了软件的使用，掌握了仿真技巧，更学会利用SILVACO TCAD软件对半导体器件进行设计仿真，也对半导体的工艺参数和性能参数有了更深的理解。

参考文献

[1]崔丰.基于SILVACO-TCAD的热氧化工艺实验教学探讨[J].科技视界，2013（36）：268.

[2]朱筠.利用SILVACO TCAD软件改进集成电路实践教学的研究[J].数字技术与应用，2012（07）：115.

[3]唐龙谷.半导体工艺与器件仿真软件Silvaco TCAD实用教程[M].北京：清华大学出版社，2014（7：）128.