實(shí)驗(yàn)報(bào)告3(PN結(jié)工藝制備)

1、學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告院別課程名稱器件仿真與工藝綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)班級實(shí)驗(yàn)三PN結(jié)工藝制備姓名實(shí)驗(yàn)時(shí)間學(xué)號指導(dǎo)教師成績批改時(shí)間報(bào)告內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)1、掌握二極管的基本結(jié)構(gòu)原理，二極管的電流電壓特性；2、掌握SilvacoTCAD工藝仿真器仿真設(shè)計(jì)流程及工藝仿真器Athena語法規(guī)則；3、分析二極管制備工藝參數(shù)變化對器件結(jié)構(gòu)及主要電學(xué)特性的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理1二極管工藝制備流程（一）準(zhǔn)備準(zhǔn)備：1、通過單晶晶生長和對晶圓的切、磨、拋來制備單晶硅片，在形成單晶的過程中進(jìn)行磷摻雜；2、對硅片表面進(jìn)行化學(xué)清洗。（二）氧化二氧化硅薄膜的作用：某些情況下，離子注入前在硅片表面生長或淀積一薄層氧化層，因?yàn)樽⑷腚x子通過這樣

2、一層非晶氧化層后進(jìn)入硅片，它們的方向?qū)⑹请S機(jī)的，所以可以減小溝道效應(yīng)，該二氧化硅薄膜被稱為掩蔽氧化層，有時(shí)也稱為犧牲氧化層，因?yàn)樗菫榱俗⑷牍に嚩矸e的，并在注入之后需要去除。（三）涂膠（四）曝光在氧化層上刻出擴(kuò)散窗口，這個(gè)窗口最終將成為PN結(jié)二極管的位置；光刻膠：未感光的光刻膠溶于顯影溶液，稱為負(fù)膠；感光的光刻膠溶于顯影溶液稱為正膠。（五）顯影用顯影液除去曝光后硅片上應(yīng)去掉的那部分光致蝕劑的過程。（六）腐蝕將x=1um左邊的二氧化硅全部刻蝕掉。（七）去膠（八）雜質(zhì)擴(kuò)散注入硼離子，形成P區(qū)。（九）驅(qū)入進(jìn)行雜質(zhì)的再分布，在未被氧化層保護(hù)的區(qū)域形成P+N結(jié)。（十）再腐蝕刻蝕全部氧化層（氧化層刻蝕）

3、。（十一）金屬化將器件與外部鏈接起來。（十二）涂膠通過光刻去除擴(kuò)散結(jié)區(qū)域之外的多余的金屬薄膜。（十三）曝光（十四）顯影（十五）腐蝕刻蝕掉x=1um右邊的全部鋁（形成鋁接觸）。（十六）去膠完成金屬化接觸之后，對器件進(jìn)行塑封或者密封在金屬管殼內(nèi)。2.Athena工藝仿真器仿真流程Athena工藝仿真器開發(fā)和優(yōu)化半導(dǎo)體制造工藝流程，功能如下：（1）用來模擬離子注入、擴(kuò)散、氧化等以模擬摻雜分布為主的模塊（2）用來模擬刻蝕、淀積等以形貌為主的模塊；（3）用來模擬固有和外來襯底材料參數(shù)及/或制造工藝條件參數(shù)的擾動對工藝結(jié)果影響的所謂IC工藝統(tǒng)計(jì)模擬。athena工藝仿真器仿真流程如下：建立仿真網(wǎng)格、仿真初

4、始化、工藝步驟（離子注入、擴(kuò)散、氧化、沉積、刻蝕、外延、光刻等）、提取特性、結(jié)構(gòu)操作及tonyplot顯示。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)尺寸:N型襯底（2umx2um）。采用Athena工藝仿真器設(shè)計(jì)器件（1）調(diào)用ATHENA仿真器并生成網(wǎng)格信息。goathenalinexloc=0.00spac=0.2linexloc=1spac=0.1linexloc=1.1spac=0.02linexloc=2spac=0.25lineyloc=0.00spac=0.02lineyloc=0.2spac=0.1lineyloc=0.4spac=0.02lineyloc=2spac=0.5（2）初始化N型Si

5、襯底，含磷濃度5xe18cm-3,晶向?yàn)?00（襯底的定義）。initsiliconc.phos=5.0e18orientation=100（3）淀積氧化層厚度為0.50um，將新淀積層分成5條網(wǎng)格線。depositoxidethick=0.50divisions=5將x=1um左邊的二氧化硅全部刻蝕掉。etchoxideleftpl.x=l對表面進(jìn)行硼離子注入，濃度為1.0 xe15cm-2,離子能為50KeV，注入離子束與晶圓法線的角度為7,注入離子束和仿真面的角度0，非晶硅。implantborondose=1.0e15energy=50pearsontilt=7rotation=0am

6、orph熱退火工藝(雜質(zhì)再分布)，TCAD仿真默認(rèn)擴(kuò)散是在非平面結(jié)構(gòu)及沒有損傷的襯底進(jìn)行的，選擇compress氧化模型以及fermi擴(kuò)散模型，擴(kuò)散時(shí)間30min，溫度1000C，氣體氛圍為氮?dú)?，分壓?atm。methodfermicompressdiffustime=30temp=1000nitropress=1.00提取器件結(jié)構(gòu)參數(shù)(結(jié)深，方塊電阻)。extractname=xjxjmaterial=Siliconmat.occno=1x.val=0junc.occno=1extractname=rhosheet.resmaterial=Siliconmat.occno=1x.val=0

7、region.occno=1刻蝕全部氧化層。etchoxideall沉積鋁厚度為0.2um，將新淀積層分成3條網(wǎng)格線。depositalumthickness=0.2div=3刻蝕掉x=1um右邊的全部鋁(形成鋁接觸)。etchalumrightp1.x=1.0制作電極。electrodename=anodex=0.0electrodename=cathodebackside保存器件結(jié)構(gòu)并繪制器件結(jié)構(gòu)圖。structureoutf=diodeex05_0.strtonyplotdiodeex05_0.str3根據(jù)Atlas器件仿真語法規(guī)則獲取器件特性啟動Atlas器件仿真器。goatlas選擇

8、仿真模型，設(shè)置物理模型為雙極工藝，將模型參數(shù)打印出來，“impactse用于擊穿分析的Selberrherr碰撞電離模型。modelsbipolarbbt.stdprintimpactselb數(shù)值方法選擇語句(method)，用來設(shè)置求解方程或參數(shù)的數(shù)值方法。methodnewtontrapmaxtrap=10climit=1e-4命令執(zhí)行語句(solve)，solve是命令atlas在一個(gè)或多個(gè)偏壓點(diǎn)(biaspoint)進(jìn)行求解的語句。solveinit（5）運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果保存語句（log），輸出結(jié)構(gòu)結(jié)果保存語句log是用來將程序運(yùn)行后所計(jì)算的所有結(jié)果數(shù)據(jù)保存到一個(gè)以log為擴(kuò)展名結(jié)尾的文件

9、中的一個(gè)語句。從solve語句中運(yùn)算后所得到的結(jié)果都會保存在其中。logoutf=diodeex05.log（6）solve語句，以一定的方式給PN結(jié)外加偏壓，將陽極電壓從-0.25提升至-10,間隔為-0.25。solvevanode=-0.25vstep=-0.25vfinal=-10name=anode（7）保存和繪畫IV曲線圖。tonyplotdiodeex05.log-setdiodeex05_log.set（8）參數(shù)提取語句（extract），根據(jù)log文件獲得器件電學(xué)參數(shù)。extractinitinfile=diodeex05.logextractname=bvx.valfrom

10、curve（v.anode,abs（i.anode）wherey.val=1e-10extractname=leakagey.valfromcurve（v.anode,abs（i.anode）wherex.val=-24改變器件工藝條件參數(shù)（擴(kuò)散溫度、熱退火時(shí)間、離子注入角、離子注入能量、離子注入濃度等），分析工藝參數(shù)變化對器件結(jié)構(gòu)及電學(xué)特性影響。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一）器件設(shè)計(jì)1、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示，定義PN結(jié)的網(wǎng)絡(luò)信息x為2.0,y為2.0，該區(qū)域塊沉積鋁厚度為0.2um，刻蝕掉x=1um右邊的全部鋁（形成鋁接觸），均勻p摻雜濃度為5e18每立方厘米，對表面進(jìn)行硼離子注入，pearson分布，

11、濃度為1.0Xe15cm-2,離子能為50KeV,注入離子束與晶圓法線的角度為7，注入離子束和仿真面的角度0,硅晶格結(jié)構(gòu)為amorph，從而形成了該結(jié)構(gòu)，包括AI+區(qū)域，P+區(qū)域，N區(qū)域。anodeAI+P+cathode圖一器件結(jié)構(gòu)2、代碼翻譯、單步仿真、畫結(jié)構(gòu)圖#(c)SilvacoInc.,2013goathena#調(diào)用ATHENA仿真器并生成網(wǎng)格信息#定義x方向網(wǎng)格信息linexloc=0.00spac=0.2linexloc=1spac=0.1linexloc=1.1spac=0.02linexloc=2spac=0.25#定義y方向網(wǎng)格信息lineyloc=0.00spac=0.0

12、2lineyloc=0.2spac=0.1lineyloc=0.4spac=0.02lineyloc=2spac=0.5#對網(wǎng)格進(jìn)行初始化，并設(shè)定襯底材料參數(shù)為硅，生成了均勻分布的雜質(zhì)，濃度為5e18每立方厘米initsiliconc.phos=5.0e18orientation=100two.d#第1次單步仿真#淀積氧化層厚度為0.50um，將新淀積層分成5條網(wǎng)格線。運(yùn)行結(jié)果為在硅片表面生成一層氧化物薄膜depositoxidethick=0.50divisions=5#第2次單步仿真jolt.nn?.a!:=口.二工j:.f.-Sg#選擇compress氧化模型以及fermi擴(kuò)散模型，擴(kuò)散

13、時(shí)間30min,溫度1000C，氣體氛圍為氮?dú)猓謮簽?atmmethodfermicompressdiffustime=30temp=1000nitropress=1.00#第5次單步仿真，結(jié)構(gòu)圖+雜質(zhì)分布圖extractname=xjxjmaterial=Siliconmat.occno=1x.val=0junc.occno=1#提取器件結(jié)構(gòu)參數(shù)（結(jié)深，方塊電阻）extractname=rhosheet.resmaterial=Siliconmat.occno=1x.val=0region.occno=1#刻蝕全部氧化層etchoxideall#第6次單步仿真#制作電極electroden

14、ame=anodex=0.0electrodename=cathodebackside#保存器件結(jié)構(gòu)并繪制器件結(jié)構(gòu)圖struetureoutf=diodeex05_0.strtonyplotdiodeex05_0.str-setdiodeex05_0.set#這一部分，我們將對一個(gè)PN結(jié)進(jìn)行器件仿真#1.陽極外加10V電壓，獲取I-V曲線#2.提取器件參數(shù)，例如反向飽和電流，擊穿電壓等goatlas#設(shè)置模型modelsbipolarbbt.stdprintimpactselb#數(shù)值方法選擇語句（method），用來設(shè)路求解方程或參數(shù)的數(shù)值方法methodnewtontrapmaxtrap=1

15、0climit=1e-4#命令執(zhí)行語句（solve）solveinit#運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果保存語句（log）logoutf=diodeex05.log#solve語句，以一定的方式給PN結(jié)外加偏壓，將陽極電壓從-0.25提升至-10,間隔為-0.25solvevanode=-0.25vstep=-0.25vfinal=-10name=anode#保存和繪畫IV曲線圖tonyplotdiodeex05.log-setdiodeex05_log.set#參數(shù)提取語句（extract），根據(jù)log文件獲得器件電學(xué)參數(shù)extractinitinfile=diodeex05.logextractname=bv

16、min（v.anode）extractname=leakagex.valfromcurve（v.anode,abs（i.anode）wherey.val=1e-10Quit(二)對比分析(1)擴(kuò)散時(shí)間、氣體氛圍類型和氣體分壓不變，改變擴(kuò)散溫度表3-1改變擴(kuò)散溫度所得的器件結(jié)構(gòu)及曲線條件器件剖面圖IV特性曲線表3-2改變擴(kuò)散溫度提取參數(shù)條件結(jié)深xj/(um)Rho方塊電阻擊穿電壓反向飽和電流960C0.37941151.7184.754311.63140e-0131000C0.37199171.0535.663882.37395e-0131100C0.618853353.9497.796832.

17、50368e-013實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由兩表可知，在擴(kuò)散時(shí)間、氣體氛圍類型和氣體分壓不變，當(dāng)擴(kuò)散溫度逐漸增大，摻雜擴(kuò)散就會越多導(dǎo)致表面濃度下降得越多，從IV曲線中的變化可以看出。從提取參數(shù)來看，結(jié)深在增大，方塊電阻越來越大，擊穿電壓逐漸增強(qiáng)，而反響飽和電流同時(shí)也得到增強(qiáng)。CO6691000C1100C(2)擴(kuò)散溫度、氣體氛圍類型和氣體分壓不變，改變擴(kuò)散時(shí)間表3-3改變擴(kuò)散時(shí)間所得的器件結(jié)構(gòu)及曲線20min條件器件剖面圖IV特性曲線2表3-4改變擴(kuò)散時(shí)間提取參數(shù)條件結(jié)深xj/(um)Rho方塊電阻擊穿電壓反向飽和電流20min0.406894158.1745.117343.06276e-01330min

18、0.437119171.0535.663882.37395e-01335min0.449222177.1155.363762.16505e-01330min35min實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由兩表可知，在擴(kuò)散溫度、氣體氛圍類型和氣體分壓不變，當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間逐漸增大，摻雜擴(kuò)散就會越多導(dǎo)致表面濃度下降得越多，從IV曲線中的變化可以看出。從提取參數(shù)來看，結(jié)深在逐漸增大，方塊電阻在逐漸增大，擊穿電壓在30min處最大，而反響飽和電流在逐漸減小。注入離子濃度、離子能、注入離子束和仿真面的角度不變，設(shè)定注入步驟眾硅晶格結(jié)構(gòu)為imorph,改變注入離子束與晶圓法線的角度表3-5改變注入離子束與晶圓法線的角度所得的器件結(jié)構(gòu)及曲

19、線條件器件剖面圖IV特性曲線表3-6改變注入離子束與晶圓法線的角度提取參數(shù)條件結(jié)深方塊電阻擊穿電壓反向飽和電流20.439392169.4195.527512.05877e-01370.437119171.0535.663882.37395e-013100.434838172.9445.591792.09520e-01310實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由兩表可知，在注入離子濃度、離子能、注入離子束和仿真面的角度不變，設(shè)定注入步驟眾硅晶格結(jié)構(gòu)為amorph,注入離子束與晶圓法線的角度越大，IV曲線中向左移動。從提取參數(shù)來看，結(jié)深在逐漸減小，方塊電阻在逐漸增大，擊穿電壓在條件7處最大，而反響飽和電流也在條件7處最大

20、。（4）注入離子濃度、注入離子束與晶圓法線的角度和注入離子束和仿真面的角度不變，注入步驟眾硅晶格結(jié)構(gòu)為amorph，改變離子能量表3-7改變離子能量所得的器件結(jié)構(gòu)及曲線條件器件剖面圖IV特性曲線30keV表3-8改變離子能量提取參數(shù)條件結(jié)深方塊電阻擊穿電壓反向飽和電流30keV0.375971181.6405.143081.92561e-01350keV0.437119171.0535.663882.37395e-01360keV0.473407168.0745.508041.86383e-013實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由兩表可知，在注入離子濃度、注入離子束與晶圓法線的角度和注入離子束和仿真面的角度不變，注入步驟眾硅晶格結(jié)構(gòu)為amorph,當(dāng)離子能量逐漸增大，IV曲線中的點(diǎn)在中間處越集中。從提取參數(shù)來看，結(jié)深在逐漸增大，方塊電阻在逐漸減小，擊穿電壓在50keV處最大，而反響飽和電流也在50keV處最大。（5）注入離子能量、注入離子束與晶圓法線的角度和注入離子束和仿真面的角度不變，注入步驟眾硅晶格結(jié)構(gòu)為amorph，改變離子濃度表