TCAD在半导体工艺课程虚拟实验中的应用

周郁明

（安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山243002）

“半导体工艺”是微电子类专业的核心课程。该课程的目的是让学生掌握半导体器件和集成电路的制造工艺，是一门实践性很强、并与理论紧密结合的课程。［1－2］然而，该课程所涉及到的一些关键设备，价格昂贵，难以满足教学需要。为了提高教学效果，可以利用计算机辅助设计（TCAD）技术模拟半导体器件及集成电路制造的全部流程，让学生无需接触实际设备就能掌握工艺原理。［3－6］

一、TCAD虚拟实验教学优势

计算机辅助设计（TCAD）是根据半导体工艺与器件的物理、化学等模型，通过计算机技术进行数值求解，模拟出半导体工艺的工作流程，并仿真半导体器件在外部条件作用下的电学、力学、热学等特性的技术。TCAD通过构建虚拟的制造系统，由于可以节约开发时间，减小开发成本，已经在半导体工业界和科研领域得到广泛的应用。

应用TCAD开展虚拟实验教学，有着较大的优势。首先，所需要的时间少、速度快。例如，一个基本的MOSFET的制造过程一般需要几天或者上月的时间，而用TCAD软件模拟该制造过程，一次仅需几分钟，而且学生能在实验教学过程中随时观察虚拟实验每一步所带来的半导体器件形貌和内部物理特性的变化，从而得到即时全面的认知。其次，基于图形化界面的仿真程序简单易学、成本低，学生可以根据自己的想法改变工艺参数或者器件结构，进行探索性实验，甚至可以针对特定器件进行优化仿真，而不用担心损坏昂贵的半导体工艺制造设备。

二、TCAD虚拟实验教学实例

一是扩散。半导体工艺中的扩散，是使一定种类或者一定数量的杂质掺入到半导体中去，以改变半导体的电学性质。一般而言，扩散在管式炉中进行，扩散源有固体也有液体。为了加快扩散过程，扩散炉的温度一般也设定在几百至一千多度。杂质在半导体衬底中的浓度和深度分布与几个参数有关：衬底杂质浓度、表面杂质浓度、扩散时间、扩散温度。半导体工厂在组织生成之前，一般采用经验公式或者查表来计算扩散时间或者温度等参数。在“半导体工艺”课程教学中，也是用公式或者图表给学生讲授扩散工艺，而在SILVACO的半导体工艺模拟器ATHENA中，有多个扩散模型可供选择，使用手册也介绍了各个模型的特点。在虚拟实验教学中，可以在程序中设定杂质类型、浓度、温度、时间等参数，程序运行结束，可以即时查看杂质在半导体中的分布，如果不符合要求，可以修改参数，再次运行，直到结果满意为止。整个模拟过程快，学生能掌握到各种参数对杂质在半导体衬底中的浓度和深度分布的影响，非常直观，教学效果比传统的方式更加有效。

二是离子注入。离子注入是将杂质原子电离并加速，然后直接打入到半导体中。离子注入机结构较为复杂，价格也很高昂。杂质在半导体中的分布与离子注入能量、剂量、温度、注入角度等参数有关。与扩散工艺不同，杂质经过扩散后在半导体内的分布是最高浓度在表面处，往内是逐渐衰减。而离子注入的杂质在半导体内的分布，最高浓度是在离表面一定距离的地方。学生在模拟器中可以自由地修改两种工艺参数，清楚地了解扩散和离子注入两种工艺的差别。

众所周知，晶体原子是有规则排列的，整个晶体可以看成是由很多晶面叠合而成的。当入射离子的方向平行于某一晶面族时，似乎有的离子可以正好从晶面间的“缝隙”中穿入，它们所受到的阻挡较小，则能量衰减较慢，于是这些离子可注入到半导体衬底内部较深处，这种现象称为“沟道效应”。在ATHENA模拟器的离子注入模型中，可以通过设定半导体晶面和入射角度，能方便地模拟出“沟道效应”。通过这种模拟实验，学生能更容易地理解“半导体工艺”课程中一些抽象的概念，具有很好的教学效果。

三是氧化。“半导体工艺”中的氧化，就是在半导体材料硅表面生长一层二氧化硅（SiO2）薄膜。这层薄膜的主要用途是：保护和钝化半导体表面；作为杂质选择扩散的掩蔽层；用作MOS电容和MOS器件栅极的介质层；在集成电路介质隔离中起电气绝缘作用；等等。氧化是在氧化炉中完成，分为湿氧和干氧两种。干氧生成的氧化膜结构致密，但生长速率较慢；湿氧生成的氧化膜结构疏松，但生长速率较快。在ATHENA模拟器中，通过设定氧化气氛、时间、压力等参数，可以查看氧化后生成的SiO2层的厚度。这种虚拟实验教学，让学生无需通过实验设备的操作就可以掌握工艺原理。

四是刻蚀。刻蚀是用化学或物理方法有选择地从半导体材料表面去除不需要的材料的过程。可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀利用刻蚀溶液，借由化学反应达到刻蚀的目的；干法刻蚀利用高化学活性的气态电浆轰击刻蚀，一般是化学和物理结合的过程。ATHENA模拟器是通过设定刻蚀机器来选择是干法刻蚀还是湿法刻蚀。设定好刻蚀类型后，可以定义刻蚀区域、刻蚀速率、刻蚀时间等参数，程序运行结束，可以即时查看刻蚀效果。通过虚拟实验，学生可以了解到湿法刻蚀具有各向同性的特性，也就是说，刻蚀溶液对刻蚀区域纵向蚀刻时，侧向的蚀刻也同时发生；干法刻蚀可以是各向异性也可以是各向同性，可以非常好地控制侧向的刻蚀。

三、TCAD在“半导体工艺”中的教学效果

从上述仿真教学实践可以看到，TCAD创造了一个良好的虚拟实验平台，更方便的是，通过ATHENA模拟器生成的半导体器件，可以直接和SILVACO的器件模拟器ATLAS无缝连接，也就是说从工艺到器件甚至电路的仿真，都可以在SILVACO的TCAD虚拟实验平台上完成，假如器件或者电路仿真结果不理想，可以多次反复修改工艺参数，直到满意为止。这种虚拟实验平台，可以节约大量的时间，缩短产品设计周期。学生通过平台的模拟实验，可以掌握半导体工艺的各种工艺原理。如果和器件、电路模拟连接起来，则可以实现工艺―器件―电路的完美衔接，让学生系统地学习“半导体工艺”以及微电子专业其它课程。

“半导体工艺”是一门理论与实验结合的课程，通过TCAD虚拟平台开展实验教学，可以节约实验室建设成本，减少实验时间；借助图形工具，可以直观地观察实验过程以及半导体器件内部物理量的变化，提高教学效果；通过工艺、结构的变化分析工艺和器件的工作原理，与“半导体工艺”课程的理论教学密切结合，引入新技术，可以激发学生的学习兴趣，加深对课程的理解，增强实践和创新能力。

［1］王思杰，周水仙.加强实践性教学环节 提高“半导体工艺原理”课教学质量［J］.高等理科教育，1995（3）：71－74.

［2］王彩琳.“半导体工艺原理”教学方法的改革［J］.电气电子教学学报，2011（1）：108－110.

［3］尹胜连，冯彬.TCAD技术及其在半导体工艺中的应用［J］.半导体技术，2008（6）：480－482.

［4］戚玉婕.TCAD在“半导体工艺”课程中应用的教学探讨［J］.扬州教育学院学报，2013（3）：85－88.

［5］刘剑霜，郭鹏飞，李伙全.TCAD技术在微电子实验教学体系中的应用与研究［J］.现代教育技术，2012（2）：78－80.

［6］朱筠.利用SILVACO TCAD软件改进集成电路实践教学的研究［J］.数字技术与应用，2012（7）：114－116.