[경운대학교 산학협력단] 경운대학교 풍동시험을 위한 날개 및 하부 블록 시스템 제작 용역

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품명

반도체 공정 및 소자 설계 시뮬레이터

규격

SEMI-SIM

제조사

기준모델

TCAD SEMI-SIM

수량

단위

SET

물품분류번호

(8자리)

43232102

세부품명번호

(10자리)

4323210201(유사)

세부사양

(Specification)

A. 특징 (Features)

본 제품은 반도체 공정 및 소자의 물리적 거동을 수치 시뮬레이션을 통해 분석하는 TCAD (Technology Computer-Aided Design) 시뮬레이터이다.

실제 공정을 수행하기 전에 공정 파라미터 최적화, 소자 특성 예측, 신뢰성 분석 등을 가상 환경에서 수행함으로써 개발 비용 및 시간을 절감한다

본 제품은 4개의 핵심 모듈로 구성된다. 공정 시뮬레이터(Process Simulator)는 산화, 확산, 이온주입, 식각, 증착 등 반도체 제조 공정의 각 단계를 수치적으로 모사한다.

소자 시뮬레이터(Device Simulator)는 PN 접합, MOS 소자, BJT, 전력 소자 등 다양한 반도체 소자의 전기적 특성을 해석한다.

메시 생성기(Mesh Generator)는 2D 및 3D 구조에 대해 적응형 메시를 자동으로 생성하며, 시각화 도구(Visualizer)는 농도 분포, 전위, 전류 밀도 등 시뮬레이션 결과를 그래픽으로 표현한다.

모든 시뮬레이션 결과는 3D 그래픽 공간에서 마우스를 이용하여 회전이 가능하며, 공정 및 소자에서 시간에 따른 물리적 변화를 그래픽으로 가시화하여 볼 수 있다.

4개의 핵심 모듈은 서로 다른 응용프로그램이 아니라 한의 응용 프로그램안에서 실행된다.

B. 규격 (Specifications)

공정 시뮬레이터

1. 산화 공정 (Oxidation)

산화 공정 시뮬레이션은 Deal-Grove 선형-포물선 모델을 기본으로 하며, 응력 의존 점성 유동 모델을 추가로 지원한다. Dry O₂, Wet O₂(H₂O), Pyrogenic 방식의 산화를 모두 모사할 수 있다. 공정 온도는 700°C에서 1200°C, 압력은 0.1 atm에서 25 atm 범위를 지원한다. 산화 진행 중 불순물의 편석 및 재분포를 자동으로 계산하며, 산화막 두께, Si 소모량, 계면 위치, 응력 분포를 결과로 출력한다.

2.. 확산 공정 (Diffusion)

확산 시뮬레이션은 Fick의 법칙 기반의 연속 방정식을 풀며, 페어(Pair) 확산 모델과 Fermi 통계 보정을 포함한다. 지원 도펀트는 B, P, As, Sb, In으로 p형 및 n형 모두 해석 가능하다. 공정 온도는 600°C에서 1200°C이며, N₂, O₂, H₂, Ar 및 혼합 가스 분위기에서의 확산을 지원한다. 시뮬레이션 결과로 1D/2D 농도 프로파일, 접합 깊이(Xj), 시트 저항(Rs)을 추출한다.

3. 이온주입 공정 (Ion Implantation)

이온주입은 Pearson IV 해석 모델을 기본으로 사용하며, 정밀도가 요구되는 경우 Monte Carlo 모델을 선택할 수 있다. 주입 에너지는 1 keV에서 10 MeV, 도즈는 1×10¹⁰에서 1×10¹⁶ cm⁻² 범위를 지원한다. 틸트 각도는 0°에서 60°까지 설정 가능하며, 채널링 효과는 Dual Pearson 파라미터로 반영한다. 주입 후 발생하는 결함은 +1 모델, {311} 결함, 전위루프 생성 및 소멸 모델로 추적한다. 경정내에서의 이온의 거동에 대한 해석이 가능하다. Monte Carlo 모델을 이용한 시뮬레이션에서 이온주입 중 이온의 모재내의 분포는 3D 그래픽으로 가시화하여 학생들의 교육에 도움을 준다.

4. 식각 공정 (Etching)

식각 공정은 등방성(Isotropic), 이방성(Anisotropic), 반응성 이온 식각(RIE) 방식을 모두 지원한다. 주요 반도체 재료에 대한 식각을 모사하며, 포토레지스트, 산화막, 질화막을 이미지를 이용한 마스크 레이어로 정의할 수 있다. 수직 프로파일, 언더컷, 사면각 등 다양한 식각 형상 제어가 가능하다. 에칭공정은 1차, 2차 까지의 물리적 해석이 가능하며, 시간에 대한 스텝의 변화를 3차원 공간 상에서 분석이 가능하다.

5. 증착 공정 (Deposition)

증착 공정은 CVD(등각), PVD(방향성), ALD(원자층) 방식을 지원한다. 증착 가능한 두께 범위는 0.5 nm에서 수 µm까지 설정 가능하다. 컨포멀(Conformal) 및 비컨포멀 스텝 커버리지 모델을 선택적으로 적용할 수 있다. 시간에 대한 스텝의 변화를 3차원 공간 상에서 분석이 가능하다.

6. 포토리소그래피 (Photolithography)

포토리소그래피 시뮬레이션은 이미지파일을 이용하여 마스크 레이아웃을 정의할 수 있다. 광학 모델은 공중노광(Aerial image) 시뮬레이션을 기반으로 하며, 레지스트 모델로는 Dill ABC 모델과 화학증폭형(CAR) 레지스트 모델을 제공한다. 현상 과정은 셀룰라 오토마타 방식 또는 속도 함수 기반 모델로 해석한다. 전체 3D 해석이 가능하며 광원의 변화에 대한 레지스트 내의 패턴 변화를 관찰할 수 있다.

소자 시뮬레이터

1. 기본 물리 모델

소자 시뮬레이터는 포아송 방정식과 전자/정공 연속 방정식(드리프트-확산 모델)을 결합하여 풀며, 2D 및 3D 구조를 모두 지원한다. 캐리어 통계는 저농도 영역에서 Boltzmann 통계를, 고농도 영역에서 Fermi-Dirac 통계를 사용한다. 이동도 모델은 Lombardi 이동도, Arora 모델, Caughey-Thomas 속도 포화 모델을 포함한다. 재결합 메커니즘으로는 SRH, Auger, 직접 밴드-밴드 재결합, 계면 재결합을 모두 지원하며, 온도 의존 밴드갭 좁아짐(BGN) 모델도 포함된다.

2. PN 접합 다이오드 (PN Junction Diode)

PN 접합 다이오드에 대해서는 순방향/역방향 I-V 곡선과 이상지수(n)를 추출할 수 있으며, 애벌란시(Avalanche) 및 제너(Zener) 항복 메커니즘을 구분하여 해석한다. C-V 특성 분석을 통해 공핍층 용량, 내장 전위(Vbi), 공핍층 폭을 도출하며, 소수 캐리어 수명·확산 길이·재결합 분포를 공간적으로 시각화한다. 분석 온도 범위는 200 K에서 500 K이며, 쇼트키 다이오드 및 터널 다이오드 구조로의 확장 적용이 가능하다.

3. MOSFET (금속-산화물-반도체 전계효과 트랜지스터)

MOSFET 해석은 nMOS, pMOS, CMOS를 지원하며, Bulk, SOI, FinFET 구조를 모두 모사할 수 있다. Id-Vg(선형/포화 영역) 및 Id-Vd 특성 곡선을 출력하고 문턱전압(Vth)을 자동 추출한다. 단채널 효과로는 DIBL, 문턱전압 롤오프, 펀치스루(Punchthrough) 현상을 분석한다. 게이트 산화막은 SiO₂ 외에 HfO₂ 등 High-k 재료를 지원하며 EOT를 계산한다. 게이트 전극 재료로 n+/p+ Poly-Si 및 금속 게이트를 사용할 수 있으며 일함수 설정이 가능하다. 계면 트랩 밀도(Dit) 분포와 고정 산화막 전하(Qox)의 영향을 반영할 수 있으며, AC 소신호 해석을 통해 Cgg, Cgd, Cgs 용량과 fT, fmax를 추출한다.

4. BJT (바이폴라 접합 트랜지스터)

BJT 해석은 NPN 및 PNP 유형과 수직형·수평형(Lateral) 구조를 지원한다. Gummel plot(Ic, Ib vs. Vbe)을 출력하여 직류 전류 이득(β = hFE)을 추출하며, 베이스 트랜짓 시간(τB) 및 전류 이득 대역폭적(fT)을 계산한다. 컬렉터-에미터 항복 전압(BVCEO) 및 컬렉터-베이스 항복 전압(BVCBO)을 해석하고, 순방향 및 역방향 Early 전압을 추출한다.

5. 전력 반도체 소자

전력 소자 시뮬레이션은 DMOSFET, VDMOSFET, IGBT, 쇼트키 다이오드 구조를 지원하며, SiC(4H-SiC) 및 GaN 와이드밴드갭 반도체에 대한 재료 파라미터를 내장하고 있다. 항복 전압(BV) 해석 및 전계 집중 영역의 공간 분포를 시각화하며, 온저항(Ron) 및 단위 면적당 비저항(Ron·A)을 계산한다. 동적 특성으로는 스위칭 손실과 역회복(Reverse Recovery) 특성을 해석하고, 전기-열 연성(Electro-thermal) 해석을 통해 접합 온도(Tj)를 산출한다.

6. 태양전지 (Solar Cell)

태양전지 시뮬레이션은 동종접합(Si), 이종접합(HIT), 탠덤 구조를 지원한다. 광학 해석은 AM1.5G 표준 스펙트럼을 적용하며 반사 방지막(ARC)의 효과를 포함한다. 주요 성능 파라미터인 개방전압(Voc), 단락전류(Isc), 충진율(FF), 광전환효율(PCE)을 추출하며, 재결합 손실 분포와 직렬/병렬 저항이 효율에 미치는 영향을 정량적으로 분석한다.

소자 해석

메시 생성은 2D의 경우 Delaunay 삼각메시, 3D의 경우 사면체 메시를 사용하며, 도핑 농도 구배나 계면 등 중요 영역에 대한 적응형 메시 정제(AMR)를 지원한다. 지배 방정식의 이산화는 유한요소법(FEM) 및 Scharfetter-Gummel 방식의 박스 이산화법(Box Method)을 적용한다. 선형 방정식계는 PARDISO, MUMPS, ILU-GMRES 등 희소 행렬 솔버로 풀며, 비선형 수렴은 Newton-Raphson법 및 Gummel 반복법을 혼용한다. 수렴 기준은 전위 잔차 10⁻⁶ V, 전류 잔차 10⁻¹² A 미만이며 사용자가 조정할 수 있다.

수치해석

지원 GPU가 있는 경우 Monte Carlo 이온주입 계산의 병렬 가속이 가능하다.

C. 부속품(Accessories)

반도체 공정설계 PT

반도체 소자설계 PT

USB 라이센스

D. 설치 및 검수

1. 설 치

- 본교 실습장의 지정된 장소에 검수일 1일 전에 설치하고 충분한 시험가동을 원칙으로 한다.

- 시험가동은 수요부의 검수자의 지시에 따라서 이루어져야 하며 시험가동이 만족되었을 때

설치가 완료된 것으로 간주한다.

- 설치 및 시운전에 필요한 모든 비용은 공급업체에서 부담하여야 한다.

2. 성능검사

- 장비가 설치된 후 수요부에서 제시하는 성능을 만족해야 한다.

- 장비가 설치된 후 수요부에서 제시하는 실습모듈에 따라 시운전을 해야 하며 이상 없이 작동되어야 한다.

- 기타 주변장치들은 지정된 장소에 설치 및 24시간 이상 가동 후 성능 상 이상이 없어야 한다.

3. 검수

- 상기 설치 및 교육을 성실히 이행하였을 경우 검수를 원칙으로 한다.

비고

무상 유지보수 기간 1년

직접생산증명서 필수제출

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규 격 서

품명

반도체 공정 및 컨트롤러

규격

SEMI-SIM-C

제조사

기준모델

TCAD SEMI-SIM-C

수량

단위

SET

물품분류번호

(8자리)

60106299

세부품명번호

(10자리)

6010629901

세부사양

(Specification)

A. 특징 (Features)

본 제품은 반도체 공정 및 소자의 물리적 거동을 수치 시뮬레이션을 통해 분석하는 TCAD (Technology Computer-Aided Design) 컨트롤러 이다.

실제 공정을 수행하기 전에 공정 파라미터 최적화, 소자 특성 예측, 신뢰성 분석 등을 가상 환경에서 수행 기능이 포함 되어야 한다.

4개의 핵심 모듈을 효과 적으로 제어 및 시뮬레이션 하며. 공정 시뮬레이터(Process Simulator)는 산화, 확산, 이온주입, 식각, 증착 등 반도체 제조 공정의 각 단계를 수치적으로 모사가

가능 하여야 한다.

소자 시뮬레이터(Device Simulator)는 PN 접합, MOS 소자, BJT, 전력 소자 등 다양한 반도체 소자의 전기적 특성을 해석도 할수 있어야 한다.

컨트롤러의 메시 생성기(Mesh Generator)는 2D 및 3D 구조에 대해 적응형 메시를 자동으로 생성하며, 시각화 도구(Visualizer)는 농도 분포, 전위, 전류 밀도 등 시뮬레이션 결과를 그래픽으로 표현 가능 하여야 한다.

모든 시뮬레이션 결과는 3D 그래픽 공간에서 마우스를 이용하여 회전이 가능하며, 공정 및 소자에서 시간에 따른 물리적 변화를 그래픽으로 가시화 기능이 있어야 한다.

4개의 핵심 모듈은 서로 다른 응용프로그램이 아니라 한 프로그램안에서 실행된다.

B. 규격 (Specifications)

반도체 공정/소자 시뮬레이터 컨트롤러

GPU

- 인터페이스 : PCIe4.0x16(at x8)

- 스트림 프로세서 : 2,304개

- 메모리 버스 : 96bit이상

- DLSS 기술지원

- Fick의 법칙 기반의 연속 방정식을 풀며, 페어(Pair) 확산 모델과 Fermi 통계 보정을 포함한다. 지원 도펀트는 B, P, As, Sb, In으로 p형 및 n형 모두 해석. 공정 온도는 600°C에서 1200°C이며, N₂, O₂, H₂, Ar 및 혼합 가스 분위기에서의 확산을 지원한다. 시뮬레이션 결과로 1D/2D 농도 프로파일, 접합 깊이(Xj), 시트 저항(Rs)을 추출 가능.

- Monte Carlo 이온주입 계산의 병렬 가속이 가능

CPU

- 6코어 이상

- 최대 부스터 클럭 : 4.4GHz

- 방열솔류션 : Wraith Stealth

- 포아송 방정식과 전자/정공 연속 방정식(드리프트-확산 모델)을 결합하여 풀며, 2D 및 3D 구조

를 모두 지원한다. 캐리어 통계는 저농도 영역에서 Boltzmann 통계를, 고농도 영역에서

Fermi-Dirac 통계를 사용한다. 이동도 모델은 Lombardi 이동도, Arora 모델, Caughey-Thomas 속

도 포화 모델을 포함한다. 재결합 메커니즘으로는 SRH, Auger, 직접 밴드-밴드 재결합, 계면 재결합을 모두 지원하며, 온도 의존 밴드갭 좁아짐(BGN) 모델도 포함된

3. HMI

- 주사율 : 60Hz 이상

- 응답속도 : 4ms(GTG)

- DCI-P3 : 102%

- Deal-Grove 선형-포물선 모델을 기본, 응력 의존 점성 유동 모델을 추가로 지원한다. Dry O₂,

Wet O₂(H₂O), Pyrogenic 방식의 산화를 모두 모사할 수 있어야 한다

- 공정 온도는 700°C에서 1200°C, 압력은 0.1 atm에서 25 atm 범위를 지원한다. 산화 진행 중

불순물의 편석 및 재분포를 자동으로 계산하며, 산화막 두께, Si 소모량, 계면 위치, 응력 분포

를 결과로 출력 가눙 하여야 한다.