实验报告3PN结工艺制备.docx
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实验报告3PN结工艺制备
学生实验报告
院别
课程名称
器件仿真与工艺综合设计实验
班级
实验三
PN结工艺制备
姓名
实验时间
学号
指导教师
成绩
批改时间
报告内容
一、实验目的和任务
1、掌握二极管的基本结构原理,二极管的电流电压特性;
2、掌握SilvacoTCAD工艺仿真器仿真设计流程及工艺仿真器Athena语法规则;
3、分析二极管制备工艺参数变化对器件结构及主要电学特性的影响。
二、实验原理
1.二极管工艺制备流程
(一)准备
准备:
1、通过单晶晶生长和对晶圆的切、磨、抛来制备单晶硅片,在形成
单晶的过程中进行磷掺杂;2、对硅片表面进行化学清洗。
(二)氧化
二氧化硅薄膜的作用:
某些情况下,离子注入前在硅片表面生长或淀积一薄
层氧化层,因为注入离子通过这样一层非晶氧化层后进入硅片,它们的方向将是
随机的,所以可以减小沟道效应,该二氧化硅薄膜被称为掩蔽氧化层,有时也称
为牺牲氧化层,因为它是为了注入工艺而淀积的,并在注入之后需要去除。
(三)涂胶
(四)曝光
在氧化层上刻出扩散窗口,这个窗口最终将成为PN结二极管的位置;
光刻胶:
未感光的光刻胶溶于显影溶液,称为负胶;感光的光刻胶溶于显影
溶液称为正胶。
(五)显影
用显影液除去曝光后硅片上应去掉的那部分光致蚀剂的过程。
(六)腐蚀
将x=1um左边的二氧化硅全部刻蚀掉。
(七)去胶
(八)杂质扩散
注入硼离子,形成P区。
(九)驱入
进行杂质的再分布,在未被氧化层保护的区域形成P+N结。
(十)再腐蚀
刻蚀全部氧化层(氧化层刻蚀)。
(十一)金属化
将器件与外部链接起来。
(十二)涂胶
通过光刻去除扩散结区域之外的多余的金属薄膜。
(十三)曝光
(十四)显影
(十五)腐蚀
刻蚀掉x=1um右边的全部铝(形成铝接触)。
(十六)去胶
完成金属化接触之后,对器件进行塑封或者密封在金属管壳内。
2.Athena工艺仿真器仿真流程
Athena工艺仿真器开发和优化半导体制造工艺流程,功能如下:
(1)用来模拟离子注入、扩散、氧化等以模拟掺杂分布为主的模块;
(2)用来模拟刻蚀、淀积等以形貌为主的模块;
(3)用来模拟固有和外来衬底材料参数及/或制造工艺条件参数的扰动对工
艺结果影响的所谓IC工艺统计模拟。
athena工艺仿真器仿真流程如下:
建立仿真网格、仿真初始化、工艺步骤(离
子注入、扩散、氧化、沉积、刻蚀、外延、光刻等)、提取特性、结构操作及tonyplot
显示。
三、实验内容
1.设计目标参数
尺寸:
N型衬底(2um×2um)。
2.采用Athena工艺仿真器设计器件
(1)调用ATHENA仿真器并生成网格信息。
goathena
linexloc=0.00spac=0.2
linexloc=1spac=0.1
linexloc=1.1spac=0.02
linexloc=2spac=0.25
lineyloc=0.00spac=0.02
lineyloc=0.2spac=0.1
lineyloc=0.4spac=0.02
lineyloc=2spac=0.5
(2)初始化N型Si衬底,含磷浓度5×e18cm-3,晶向为100(衬底的定义)。
initsiliconc.phos=5.0e18orientation=100
(3)淀积氧化层厚度为0.50um,将新淀积层分成5条网格线。
depositoxidethick=0.50divisions=5
(4)将x=1um左边的二氧化硅全部刻蚀掉。
etchoxideleftp1.x=1
(5)对表面进行硼离子注入,浓度为1.0×e15cm-2,离子能为50KeV,注入
离子束与晶圆法线的角度为7,注入离子束和仿真面的角度0,非晶硅。
implantborondose=1.0e15energy=50pearsontilt=7rotation=0amorph
(6)热退火工艺(杂质再分布),TCAD仿真默认扩散是在非平面结构及没
有损伤的衬底进行的,选择compress氧化模型以及fermi扩散模型,扩散时间
30min,温度1000℃,气体氛围为氮气,分压为1atm。
methodfermicompress
diffustime=30temp=1000nitropress=1.00
(7)提取器件结构参数(结深,方块电阻)。
extractname="xj"xjmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0junc.occno=1
extractname="rho"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0
region.occno=1
(8)刻蚀全部氧化层。
etchoxideall
(9)沉积铝厚度为0.2um,将新淀积层分成3条网格线。
depositalumthickness=0.2div=3
(10)刻蚀掉x=1um右边的全部铝(形成铝接触)。
etchalumrightp1.x=1.0
(11)制作电极。
electrodename=anodex=0.0
electrodename=cathodebackside
(12)保存器件结构并绘制器件结构图。
structureoutf=diodeex05_0.str
tonyplotdiodeex05_0.str
3.根据Atlas器件仿真语法规则获取器件特性
(1)启动Atlas器件仿真器。
goatlas
(2)选择仿真模型,设置物理模型为双极工艺,将模型参数打印出来,
“impactselb”用于击穿分析的Selberrherr碰撞电离模型。
modelsbipolarbbt.stdprint
impactselb
(3)数值方法选择语句(method),用来设置求解方程或参数的数值方法。
methodnewtontrapmaxtrap=10climit=1e-4
(4)命令执行语句(solve),solve是命令atlas在一个或多个偏压点(biaspoint)
进行求解的语句。
solveinit
(5)运行数据结果保存语句(log),输出结构结果保存语句log是用来将
程序运行后所计算的所有结果数据保存到一个以log为扩展名结尾的文件中
的一个语句。
从solve语句中运算后所得到的结果都会保存在其中。
logoutf=diodeex05.log
(6)solve语句,以一定的方式给PN结外加偏压,将阳极电压从-0.25提升
至-10,间隔为-0.25。
solvevanode=-0.25vstep=-0.25vfinal=-10name=anode
(7)保存和绘画IV曲线图。
tonyplotdiodeex05.log-setdiodeex05_log.set
(8)参数提取语句(extract),根据log文件获得器件电学参数。
extractinitinfile="diodeex05.log"
extractname="bv"x.valfromcurve(v."anode",abs(i."anode"))where
y.val=1e-10
extractname="leakage"y.valfromcurve(v."anode",abs(i."anode"))where
x.val=-2
4.改变器件工艺条件参数(扩散温度﹑热退火时间﹑离子注入角﹑离子注入能量
﹑离子注入浓度等),分析工艺参数变化对器件结构及电学特性影响。
四、实验结果
(一)器件设计
1、器件结构设计
如图所示,定义PN结的网络信息x为2.0,y为2.0,该区域块沉积铝厚度为0.2um,刻蚀掉x=1um右边的全部铝(形成铝接触),均匀p掺杂浓度为5e18每立方厘米,对表面进行硼离子注入,pearson分布,浓度为1.0×e15cm-2,离子能为50KeV,注入离子束与晶圆法线的角度为7,注入离子束和仿真面的角度0,硅晶格结构为amorph,从而形成了该结构,包括Al+区域,P+区域,N区域。
图一器件结构
2、代码翻译、单步仿真、画结构图
#(c)SilvacoInc.,2013
goathena
#调用ATHENA仿真器并生成网格信息
#定义x方向网格信息
linexloc=0.00spac=0.2
linexloc=1spac=0.1
linexloc=1.1spac=0.02
linexloc=2spac=0.25
#定义y方向网格信息
lineyloc=0.00spac=0.02
lineyloc=0.2spac=0.1
lineyloc=0.4spac=0.02
lineyloc=2spac=0.5
#对网格进行初始化,并设定衬底材料参数为硅,生成了均匀分布的杂质,浓度为5e18每立方厘米
initsiliconc.phos=5.0e18orientation=100two.d#第1次单步仿真
#淀积氧化层厚度为0.50um,将新淀积层分成5条网格线。
运行结果为在硅片表面生成一层氧化物薄膜
depositoxidethick=0.50divisions=5#第2次单步仿真
#将x=1um左边的二氧化硅全部刻蚀掉
etchoxideleftp1.x=1#第3次单步仿真
#对表面进行硼离子注入,pearson分布,浓度为1.0×e15cm-2,离子能为50KeV,注入离子束与晶圆法线的角度为7,注入离子束和仿真面的角度0,硅晶格结构为amorph。
implantborondose=1.0e15energy=50pearsontilt=7rotation=0amorph
#第4次单步仿真,结构图+杂质分布图
#选择compress氧化模型以及fermi扩散模型,扩散时间30min,温度1000℃,气体氛围为氮气,分压为1atm
methodfermicompress
diffustime=30temp=1000nitropress=1.00
#第5次单步仿真,结构图+杂质分布图
extractname="xj"xjmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0junc.occno=1
#提取器件结构参数(结深,方块电阻)
extractname="rho"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0region.occno=1
#刻蚀全部氧化层
etchoxideall#第6次单步仿真
#沉积铝厚度为0.2um,将新淀积层分成3条网格线
depositalumthickness=0.2div=3#第7次单步仿真
#刻蚀掉x=1um右边的全部铝(形成铝接触)
etchalumrightp1.x=1.0#第8次单步仿真
#制作电极
electrodename=anodex=0.0
electrodename=cathodebackside
#保存器件结构并绘制器件结构图
structureoutf=diodeex05_0.str
tonyplotdiodeex05_0.str-setdiodeex05_0.set
#这一部分,我们将对一个PN结进行器件仿真
#1.阳极外加10V电压,获取I-V曲线
#2.提取器件参数,例如反向饱和电流,击穿电压等
goatlas
#设置模型
modelsbipolarbbt.stdprint
impactselb
#数值方法选择语句(method),用来设臵求解方程或参数的数值方法
methodnewtontrapmaxtrap=10climit=1e-4
#命令执行语句(solve)
solveinit
#运行数据结果保存语句(log)
logoutf=diodeex05.log
#solve语句,以一定的方式给PN结外加偏压,将阳极电压从-0.25提升至-10,间隔为-0.25
solvevanode=-0.25vstep=-0.25vfinal=-10name=anode
#保存和绘画IV曲线图
tonyplotdiodeex05.log-setdiodeex05_log.set
#参数提取语句(extract),根据log文件获得器件电学参数
extractinitinfile="diodeex05.log"
extractname="bv"min(v."anode")
extractname="leakage"x.valfromcurve(v."anode",abs(i."anode"))wherey.val=1e-10
Quit
(二)对比分析
(1)扩散时间、气体氛围类型和气体分压不变,改变扩散温度
表3-1改变扩散温度所得的器件结构及曲线
条件
器件剖面图
IV特性曲线
960℃
1000℃
1100℃
表3-2改变扩散温度提取参数
条件
结深xj/(um)
Rho方块电阻
击穿电压
反向饱和电流
960℃
0.37941
151.718
4.75431
1.63140e-013
1000℃
0.37199
171.053
5.66388
2.37395e-013
1100℃
0.618853
353.949
7.79683
2.50368e-013
实验结论:
由两表可知,在扩散时间、气体氛围类型和气体分压不变,当扩散温度逐渐增大,掺杂扩散就会越多导致表面浓度下降得越多,从IV曲线中的变化可以看出。
从提取参数来看,结深在增大,方块电阻越来越大,击穿电压逐渐增强,而反响饱和电流同时也得到增强。
(2)扩散温度、气体氛围类型和气体分压不变,改变扩散时间
表3-3改变扩散时间所得的器件结构及曲线
条件
器件剖面图
IV特性曲线
20min
30min
35min
表3-4改变扩散时间提取参数
条件
结深xj/(um)
Rho方块电阻
击穿电压
反向饱和电流
20min
0.406894
158.174
5.11734
3.06276e-013
30min
0.437119
171.053
5.66388
2.37395e-013
35min
0.449222
177.115
5.36376
2.16505e-013
实验结论:
由两表可知,在扩散温度、气体氛围类型和气体分压不变,当扩散时间逐渐增大,掺杂扩散就会越多导致表面浓度下降得越多,从IV曲线中的变化可以看出。
从提取参数来看,结深在逐渐增大,方块电阻在逐渐增大,击穿电压在30min处最大,而反响饱和电流在逐渐减小。
(3)注入离子浓度、离子能、注入离子束和仿真面的角度不变,设定注入步骤众硅晶格结构为amorph,改变注入离子束与晶圆法线的角度
表3-5改变注入离子束与晶圆法线的角度所得的器件结构及曲线
条件
器件剖面图
IV特性曲线
2
7
10
表3-6改变注入离子束与晶圆法线的角度提取参数
条件
结深
方块电阻
击穿电压
反向饱和电流
2
0.439392
169.419
5.52751
2.05877e-013
7
0.437119
171.053
5.66388
2.37395e-013
10
0.434838
172.944
5.59179
2.09520e-013
实验结论:
由两表可知,在注入离子浓度、离子能、注入离子束和仿真面的角度不变,设定注入步骤众硅晶格结构为amorph,注入离子束与晶圆法线的角度越大,IV曲线中向左移动。
从提取参数来看,结深在逐渐减小,方块电阻在逐渐增大,击穿电压在条件7处最大,而反响饱和电流也在条件7处最大。
(4)注入离子浓度、注入离子束与晶圆法线的角度和注入离子束和仿真面的角度不变,注入步骤众硅晶格结构为amorph,改变离子能量
表3-7改变离子能量所得的器件结构及曲线
条件
器件剖面图
IV特性曲线
30keV
50keV
60keV
表3-8改变离子能量提取参数
条件
结深
方块电阻
击穿电压
反向饱和电流
30keV
0.375971
181.640
5.14308
1.92561e-013
50keV
0.437119
171.053
5.66388
2.37395e-013
60keV
0.473407
168.074
5.50804
1.86383e-013
实验结论:
由两表可知,在注入离子浓度、注入离子束与晶圆法线的角度和注入离子束和仿真面的角度不变,注入步骤众硅晶格结构为amorph,当离子能量逐渐增大,IV曲线中的点在中间处越集中。
从提取参数来看,结深在逐渐增大,方块电阻在逐渐减小,击穿电压在50keV处最大,而反响饱和电流也在50keV处最大。
(5)注入离子能量、注入离子束与晶圆法线的角度和注入离子束和仿真面的角度不变,注入步骤众硅晶格结构为amorph,改变离子浓度
表3-9改变离子浓度所得的器件结构及曲线
条件
器件剖面图
IV特性曲线
1.5e15
1.0e15
0.5e15
表3-10改变离子浓度提取参数
条件
结深
方块电阻
击穿电压
反向饱和电流
1.5e15
0.483738
108.878
4.60806
7.13748e-013
1.0e15
0.437119
171.053
5.66388
2.37395e-013
0.5e15
0.362049
399.874
6.01650
2.29465e-013
实验结论:
由两表可知,在注入离子能量、注入离子束与晶圆法线的角度和注入离子束和仿真面的角度不变,注入步骤众硅晶格结构为amorph,当离子浓度逐渐减小,IV曲线中的点在中间处越集中。
从提取参数来看,结深在逐渐减小,方块电阻在逐渐增大,击穿电压在逐渐最大,而反响饱和电流在逐渐减小。
(6)初始化Si衬底,晶向不变,改变衬底含磷浓度
表3-11改变衬底含磷浓度所得的器件结构及曲线
条件
器件剖面图
IV特性曲线
3.0e18
5.0e18
7.0e18
表3-12改变衬底含磷浓度提取参数
条件
结深
方块电阻
击穿电压
反向饱和电流
3.0e18
0.458651
151.456
6.25057
1.44196e-013
5.0e18
0.437119
171.053
5.66388
2.37395e-013
7.0e18
0.419542
193.835
5.37205
2.81437e-013
实验结论:
由两表可知,在初始化Si衬底,晶向不变,当衬底含磷浓度逐渐增大,IV曲线中的点在中间处越集中并向右移。
从提取参数来看,结深在逐渐减小,方块电阻在逐渐增大,击穿电压在逐渐减小,而反响饱和电流在逐渐增大。
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