实验报告3(PN结工艺制备)

1、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、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

2、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）

3、。（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

4、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、实验内容设计目标参数尺寸:N型衬底（2umx2um）。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。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、衬底，含磷浓度5xe18cm-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将x=1um左边的二氧化硅全部刻蚀掉。etchoxideleftpl.x=l对表面进行硼离子注入，浓度为1.0 xe15cm-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=0am

6、orph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1000C，气体氛围为氮气，分压为1atm。methodfermicompressdiffustime=30temp=1000nitropress=1.00提取器件结构参数(结深，方块电阻)。extractname=xjxjmaterial=Siliconmat.occno=1x.val=0junc.occno=1extractname=rhosheet.resmaterial=Siliconmat.occno=1x.val=0

7、region.occno=1刻蚀全部氧化层。etchoxideall沉积铝厚度为0.2um，将新淀积层分成3条网格线。depositalumthickness=0.2div=3刻蚀掉x=1um右边的全部铝(形成铝接触)。etchalumrightp1.x=1.0制作电极。electrodename=anodex=0.0electrodename=cathodebackside保存器件结构并绘制器件结构图。structureoutf=diodeex05_0.strtonyplotdiodeex05_0.str3根据Atlas器件仿真语法规则获取器件特性启动Atlas器件仿真器。goatlas选择

8、仿真模型，设置物理模型为双极工艺，将模型参数打印出来，“impactse用于击穿分析的Selberrherr碰撞电离模型。modelsbipolarbbt.stdprintimpactselb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

9、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.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，

11、浓度为1.0Xe15cm-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AI+区域，P+区域，N区域。anodeAI+P+cathode图一器件结构2、代码翻译、单步仿真、画结构图#(c)SilvacoInc.,2013goathena#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=0.2linexloc=1spac=0.1linexloc=1.1spac=0.02linexloc=2spac=0.25#定义y方向网格信息lineyloc=0.00spac=0.0

12、2lineyloc=0.2spac=0.1lineyloc=0.4spac=0.02lineyloc=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jolt.nn?.a!:=口.二工j:.f.-Sg#选择compress氧化模型以及fermi扩散模型，扩散

13、时间30min,温度1000C，气体氛围为氮气，分压为1atmmethodfermicompressdiffustime=30temp=1000nitropress=1.00#第5次单步仿真，结构图+杂质分布图extractname=xjxjmaterial=Siliconmat.occno=1x.val=0junc.occno=1#提取器件结构参数（结深，方块电阻）extractname=rhosheet.resmaterial=Siliconmat.occno=1x.val=0region.occno=1#刻蚀全部氧化层etchoxideall#第6次单步仿真#制作电极electroden

14、ame=anodex=0.0electrodename=cathodebackside#保存器件结构并绘制器件结构图struetureoutf=diodeex05_0.strtonyplotdiodeex05_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.stdprintimpactselb#数值方法选择语句（method），用来设路求解方程或参数的数值方法methodnewtontrapmaxtrap=1

15、0climit=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-0.25solvevanode=-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.logextractname=bv

16、min（v.anode）extractname=leakagex.valfromcurve（v.anode,abs（i.anode）wherey.val=1e-10Quit(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960C0.37941151.7184.754311.63140e-0131000C0.37199171.0535.663882.37395e-0131100C0.618853353.9497.796832.

17、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。CO6691000C1100C(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20min条件器件剖面图IV特性曲线2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20min0.406894158.1745.117343.06276e-01330min

18、0.437119171.0535.663882.37395e-01335min0.449222177.1155.363762.16505e-01330min35min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。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imorph,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

19、线条件器件剖面图IV特性曲线表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20.439392169.4195.527512.05877e-01370.437119171.0535.663882.37395e-013100.434838172.9445.591792.09520e-01310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

20、。（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30keV0.375971181.6405.143081.92561e-01350keV0.437119171.0535.663882.37395e-01360keV0.473407168.0745.508041.86383e-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