基于SILVACO—TCAD的热氧化工艺实验教学探讨

基于SILVACO—TCAD的热氧化工艺实验教学探讨

【摘 要】本文分析了TCAD技术的在实验教学中的优势，探讨其在“半导体热氧化工艺”实验教学中的应用。并以半导体热氧化工艺为例，利用TCAD技术中ATHENA工艺仿真模块，仿真验证了热氧化厚度与热氧化时间的关系。

【关键词】TCAD；ATHENA；半导体工艺；热氧化

0 引言

半导体热氧化过程中，需要使用各种氧化工艺设备，如卧式氧化炉、立式氧化炉、掺氯氧化炉等。在对氧化膜参数和性能测量时，也需要使用半导体参数测量仪、椭偏仪等仪器。这些设备仪器价格昂贵，购置和维护这些设备的费用远远超出了学校的承受能力，导致其中部分实验无法开设。在已经开设的部分半导体氧化实验中，实验人员一般是通过程序设定或者仪器操作进行实验，属于外部和宏观上的观察，对实验的过程和结果不能直观分析，往往是只能观察到部分结果，无法得到一个全面的认识。有些实验的准备时间和实验时间，如抽真空时间、薄膜氧化时间等过长，使得整个实验持续很久，效率低下，学生也感觉浪费了时间。另外有的实验，其过程简单枯燥，实验细节被工艺设备所阻隔，令人感到乏味，降低了学生的兴趣，影响教学效果。

1 TCAD技术在热氧化实验教学中的优势

现在很多的半导体工艺及器件的开发是由计算机仿真程序来完成的。这样的程序被称为TCAD。使用TCAD可以有效的缩短研发成本和研发周期[1]。此类TCAD软件种类较多，其中美国的Silvaco所设计的TCAD软件是最具代表性的工艺及器件仿真软件。Silvaco提供了TCAD Driven CAD Environment，这一套完整的工具使得物理半导体工艺可以给所有阶段的Ic设计方法提供强大的动力：制程模拟和器件工艺；SPICE Model的生成和开发；interconnect，parasitics的极其精确的描述；physically-based可靠性建模以及传统的CAD。所有这些功能整合在统一的框架，提供了工程师在完整的设计中任何阶段中所做更改导致的性能、可靠性等效果直接的反馈[2-3]。

TCAD技术构建的仿真制造系统，由于可以节约开发时间，减少开发成本[4]，已经在半导体工业界和科研领域得到广泛的应用，并获得很大的成功。应用TCAD技术构建虚拟实验教学，具有巨大的优势，可以获得明显的成效。首先，利用TCAD技术进行虚拟实验，所需要的时间少、速度快[5]。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。其次，基于程序的仿真流程，命令简单，操作易于上手，而且即使出现错误操作，也不会损伤仪器，因此虚拟实验的管理维护费用可以基本忽略[6]。再次，在实验前后以及进行过程中，可以随时观察各项数据（包括形貌、杂质分布、电场分布、电流、电阻等），可以分析每一步操作的中间结果，从而得到即时全面的认知。