半导体Silvaco器件在工艺实验教学中的应用与分析

　　摘要：利用Silvaco半导体器件仿真软件研究了不同注入条件和结构参数对大功率晶体管直流增益 （HFE） 的影响， 清晰、直观地向学生们展现了晶体管电学参数、结构参数及工艺参数之间的联系。表明将器件仿真技术应用于微电子工艺实验教学， 可进一步充实教学内容、丰富教学方法、增强教学效果， 并提高学生器件设计和制造的能力。

　　关键词：微电子； 实验教学； 晶体管； 直流增益；

　　一、引言

　　微电子工艺实验是微电子专业教学的重要组成部分， 对于培养有竞争力的微电子科技人才十分必要。然而目前， 我国微电子专业学生的理论联系实际能力和动手能力普遍偏弱， 成为制约我国微电子产业发展的巨大障碍[1,2,3].究其根源在于国内高校缺乏工艺实验教学条件、系统的实验教学课程[3,4].因此， 对于国内高校如何充分利用现有教学资源， 提高微电子工艺实验教学效果是一个值得探索的课题。

　　半导体器件仿真指的是利用计算机仿真来优化器件工艺和性能。主要是通过求解基本的物理偏微分方程来对器件结构和电学性能进行建模[1,5].在开发新产品或优化器件性能时， 利用半导体器件仿真可以减少研制成本和周期。本文探究了Silvaco半导体器件仿真软件在微电子工艺实验中的应用， 利用Silvaco软件计算了在不同的注入条件和结构参数情况下的大功率晶体管直流增益 （HFE） , 清晰、直观地向学生们展现了晶体管电学参数、结构参数及工艺参数之间的联系。表明将器件仿真软件应用于微电子工艺实验教学， 可进一步充实教学内容、丰富教学方法、增强教学效果， 并提高学生器件设计和制造的能力。

　　二、Silvaco器件仿真在工艺实验教学中的应用与分析

　　大功率晶体管是最常见的功率半导体分立器件之一， 在一些大型专用军事装设备领域起着难以替代的作用， 因此， 掌握大功率晶体管芯片设计及制造工艺对于微电子专业的学生具有十分重要的意义。大功率晶体管直流增益HFE （用集电极电流变化量与基极电流变化量的比值来表示） 参数是衡量大功率晶体管电流控制能力的关键直流参数[6].其值不仅与晶体管的材料参数 （如发射区、基区的掺杂浓度） 、结构参数 （如基区宽度） 紧密相关， 而且也强烈依赖于测试条件 （如基极注入电流、结温等） .直流增益不同于击穿电压和饱和压降等直流参数， 很难利用经验公式计算得到满足一定HFE指标要求的晶体管结构参数。在流片过程中， 最常见的方法是在晶体管发射区形成后， 通过调整发射区结深来调整HFE, 这势必大大增加工艺成本。如果将器件仿真技术应用于大功率晶体管工艺实验， 不仅可以加深学生对晶体管电参数、结构参数和工艺参数的理解， 而且在一定程度上降低了晶体管的设计难度和工艺成本。

　　利用Silvaco/Athena工艺仿真模块建立大功率晶体管二维结构， 如图1所示。基本结构参数为：器件总厚度为190μm, 集电区厚度为40μm, 电阻率为20Ω。cm, 少子寿命为10μs, 晶向为<111>.器件单元宽度 （相邻发射极与基极中点间距离） 为240μm.基区宽度、发射结结深以及掺杂浓度为变量。表1和表2为利用Silvaco/Atlas器件仿真模块计算得到的在不同注入条件和结构参数情况下的直流增益HFE.图2为仿真得到的大功率晶体管输出IC~VCE特性曲线， 通过IC~VCE特性曲线可以读取直流增益。仿真过程中复合模型考虑了与掺杂浓度相关的SRH复合 （CONSRH） 和俄歇复合 （AUGER） ;迁移率模型考虑与温度、掺杂浓度以及横向、纵向电场相关的完全模型 （CVT） .另外还考虑了重掺杂引起的禁带变窄效应 （BGN） 、能带简并效应 （FERMI-DIRAC统计） 以及SELBERHERR碰撞电离模型[5].测试条件为：25℃， 基极注入电流：0.0001μA/μm~100μA/μm, 步进×10.集电极扫描电压：0~5V.

　　图1 二维大功率晶体管单元结构  

　　工艺仿真条件一：

　　基区硼离子注入剂量为5×1015cm-2, 注入能量为50Ke V.退火时间为750min, 温度为1150℃。发射区磷注入剂量为5×1017cm-2, 注入能量为40Ke V, 退火时间为370min, 温度为1050℃。基区次表面硼杂质度为1.89×1018cm-3, 基区宽度为3.4μm.发射区表面浓度为4.61×1020cm-3, 发射结结深为3.8μm.由表1可见， 当IB=0.1μA/μm时， HFE最大。当IB增大或减小时， HFE均降低。原因为：当IB较大 （≥1μA/μm） 时， 由大注入导致的基区电导调制效应显著[6], 有效基区电导率提高， 因此， HFE迅速降低。当IB逐渐减小 （≤0.01μA/μm） 时， 发射结势垒区复合电流在总发射极电流中的比例增大[6], 使得注入效率γ减小， 从而导致HFE降低。

　　表1 不同基极注入水平下的直流增益， 测试电压VCE=2V

　　工艺仿真条件二：

　　基区硼离子注入剂量、注入能量及退火温度同工艺一， 退火时间增长为1250min.发射区磷注入剂量、注入能量以及退火推进温度同工艺一， 退火时间减少为270min.基区次表面硼杂质浓度为3.25×1018cm-3, 基区宽度增大为8.4μm.发射区表面浓度为4.75×1020cm-3, 发射结结深减小为3μm.由表2可见， 相比于工艺一， 基区宽度显著增大， 使得基区输运系数β*降低。晶体管基区次表面浓度增大， 导致注入效率γ的降低。由于HFE正比β*与γ的乘积[6], 因此， HFE有大幅度降低。并且使得发生基区电导调制效应的临界基极注入电流增大。

　　表2 不同基极注入水平下的直流增益， 测试电压VCE=2V

　　图2大功率晶体管输出IC~VCE特性曲线。 （a） 工艺条件一； （b） 工艺条件二。

　　三、结论

　　将Silvaco半导体器件仿真软件应用于微电子工艺实验教学， 可清晰、直观地向学生们展现半导体器件电学参数、结构参数及工艺参数之间的联系。进一步充实教学内容、丰富教学方法、增强教学效果， 并提高学生器件设计和制造的能力。

　　参考文献
　　[1]刘剑霜， 郭鹏飞， 李伙全。TCAD技术在微电子实验教学体系中的应用与研究[J].实验技术与管理， 2012, 29 （2） :78-80.
　　[2]张儒。高校微电子技术教学与生产实践的结合[J].新课程研究：高等教育， 2012, （6） :117-119.
　　[3]王蔚， 田丽， 付强。微电子工艺课/实验/生产实习的整合研究[J].中国现代教育装备， 2012, （23） :47-50.
　　[4]黄杰。微电子学课程体系的教学仿真平台构建--以西南大学为例[J].西南师范大学学报：自然科学版， 2013, 38 （4） :155-158.
　　[5]SILVACO International.ATLAS user's manual[K].Santa Clara, 2010.
　　[6]陈星弼， 张庆中。晶体管原理与设计[M].北京：电子工业出版社， 2006.