基于TCAD軟件的《半導體物理與器件》教學改革研究

李平

（福建江夏學院 電子信息科學學院，福建 福州 350108）

0 引言

半導體物理與器件是電子信息和通信類專業的一門基礎課程，它主要介紹半導體材料和器件的特性、工作原理及其局限性的基礎知識，該課程的學習情況將會對后續課程的學習產生重要影響[1]。在當今發展的大趨勢下，半導體產業已成為我國國民經濟和社會發展的戰略性產業。在過去的七八十年中，特別是集成特征尺寸不斷縮小的后摩爾時代，半導體產業發展迅猛，半導體相關知識不斷更新，對半導體物理專業基礎教育提出了新的、更高的要求[2-3]。

目前高校的《半導體物理與器件》是多個理工專業的核心課程，但在教學過程中存在如下幾個方面的問題：首先，該課程理論深奧、知識點多、涵蓋范圍廣、物理概念抽象、公式推導復雜，學生需要對高等數學、量子力學、固體物理的知識有一定的儲備；其次，集成電路制造技術的快速發展，工藝和器件結構變得越來越復雜，這要求大學教師需要不斷提升自己的知識和專業技能；最后，半導體器件的開發和制造需要使用復雜、昂貴的設備以及大量的專業人才，而絕大部分高校無法向學生提供相關的設備，教師只能給通過PPT講授的方式為學生傳授理論知識，學生幾乎沒有參與感，這會導致學生在學習過程感到枯燥乏味，對半導體材料以及器件的理解和應用上都存在相當的難度[4]。考慮到上述原因，我們嘗試將計算機仿真技術引入半導體物理與器件的教學中來，試圖通過探索，逐步形成基于計算機仿真的半導體物理與器件新教學體系。半導體工業制造流程涉及幾十個不同的工藝步驟，設計過程的復雜性使得當今的半導體工業越來越多地依賴各種軟件進行輔助設計，其中計算機輔助設計（TCAD）的使用已成為工業發展周期中的關鍵實現途徑。

TCAD全稱為technology computer aided design，是指使用計算機模擬來開發和優化半導體工藝和器件。TCAD通過執行數值過程和器件仿真的能力，能夠準確預測各種工藝條件下的器件性能，可以大大減少技術開發的時間和成本[5]。

在《半導體物理與器件》這門課程中，TCAD可以用于進行半導體工藝仿真和器件仿真。其中，工藝仿真可以幫助學生了解實際集成電路生產中涉及的氧化、擴散、沉積、光刻、蝕刻、化學機械研磨、器件測試等一系列工藝流程；器件仿真可以模擬常見半導體器件的光學、電學和熱學行為，幫助學生熟悉器件結構、材料特性以及工作條件等對器件性能的影響，有效增加學生學習興趣和積極性，提高教學效果。

在本論文中，我們展示了如何應用最先進的TCAD 工具來幫助本科生理解關鍵半導體器件的電物理行為、建立器件模型和優化器件性能。

1 基于TCAD仿真的實踐教學探索

1.1 半導體物理現象

在半導體物理與器件教學過程中，存在大量抽象的概念和相關的公式推導，通過引入TCAD對半導體現象進行仿真，可以在課堂上將模擬過程和結果演示給學生，也可以讓學生自己完成相應的模擬。這樣會使得半導體物理現象變得更加形象，使學生更加深刻地理解半導體的結構、能帶、有效質量等抽象的概念以及繁瑣枯燥的公式。

在講解載流子傳輸特性相關內容的時候，我們引入TCAD的Athena模塊來研究硅片摻雜濃度對電阻率和電子遷移率的影響，提高學生對遷移率概念以及半導體電導率公式的理解。仿真得到的結果如圖1所示。

在圖1（a）中，在雜質摻雜濃度較低時，載流子遷移率幾乎不隨摻雜濃度變化，此時晶格散射為主要散射機制，摻雜濃度對遷移率影響不大，而隨著摻雜濃度增大到1016cm-3時，遷移率隨著摻雜濃度的增大而減小，這是由于隨摻雜濃度的增大，雜質電離散射作用逐漸成為主要散射機制。此外，對于給定的摻雜濃度，電子遷移率總是大于空穴遷移率，這是因為電子的有效質量要小于空穴的有效質量。圖1（b）為電阻率隨雜質濃度的變化趨勢，可以看出雜質濃度高于1018cm-3時，曲線嚴重偏離直線，一方面這是由于在室溫下高摻雜濃度半導體內雜質不能完全電離，另一方面是由于高濃度時遷移率隨雜質濃度增加而顯著下降[6]。

圖1 T=300K 時，硅中的載流子遷移率、電阻率與雜質濃度的關系

上述仿真結果與所用教材—尼曼版《半導體物理與器件》第5章中圖5.3和5.4中所示的硅的遷移率和電阻率圖相符[6]。通過這樣的動態過程演示，學生對載流子遷移率、載流子散射機制以及雜質電離等重要概念有了更深層次的認識，有效地提高了教學質量。

1.2 半導體工藝

半導體器件生產過程中，需要用到包括光刻、化學氣相沉積、刻蝕、離子注入、氧化以及表面處理等設備，這些設備往往結構復雜、價格昂貴、維護困難，這導致絕大部分高校無法開展相關的實驗。引入TCAD可以對集成電路工藝中所有的步驟進行工業級的仿真，學生通過模擬各個步驟工藝參數對器件形貌和內部性質的影響，深入了解半導體工藝原理，培養學生的半導體工藝設計能力。因此，在教學中，我們針對集成電路中半導體隔離工藝設計了相關的實驗。

集成電路中，由于所有的器件是制作在同一個襯底上的，如果器件之間沒有完全隔離，會導致功耗增大，相鄰器件相互干擾的問題，半導體隔離技術就成了集成電路工藝制程的關鍵之一。早期集成電路最常用的隔離技術就是局部氧化硅工藝（先寫出英文全稱，才有簡寫LOCOS），該工藝以氮化硅為掩膜層，利用硅和氮化硅的不同氧化速率，采用濕法氧化工藝在沒有掩膜的位置生長厚氧化層，實現器件間的隔離。

在課程中，讓學生通過Athena模塊完成LOCOS工藝的仿真，首先在硅片上沉積二氧化硅/氮化硅疊層薄膜，并刻蝕掉氧化硅/氮化硅薄膜的左側區域，然后濕法刻蝕硅形成凹陷，如圖2（a）所示。將上述結構利用1000℃濕法氧化工藝處理90分鐘，模擬氧化過程中薄膜形狀的時間演變，如圖2（b）～（f）所示。可以發現氧化過程中氮化硅掩模邊緣處形成了鳥嘴狀，稱為“鳥嘴效應”，仿真結果與實驗結果非常類似。在此基礎上，引導學生分析“鳥嘴”出現的原因、設法消除或減小“鳥嘴效應”，探索多晶硅緩沖局部氧化（PBLOCOS）、凹槽等新型的隔離工藝。此外，根據課程要求和課時設計，可讓學生利用Athena模塊對集成電路工藝中的外延生長、熱氧化、熱擴散和離子注入、光刻、蝕刻和金屬化等工藝進行仿真。

圖2 TCAD 仿真LOCOS 工藝的“鳥嘴效應”

1.3 半導體器件

在以往的教學中發現，單純依賴印刷教材略知一二地給學生講解BJT晶體管、MOS場效應管等半導體器件時，學生對半導體器件的結構以及特性的理解存在困難，并且教材上的半導體器件結構與實際工業中的結構往往還有較大的區別。引入TCAD對復雜的半導體器件進行仿真有助于學生理解半導體器件的結構和工作原理。在近兩年的教學中，我們對MOS場效應晶體管進行了仿真，幫助學生建立半導體理論與實際器件相結合的思維方式，培養學生利用所學教學知識分析和解決實際的工程問題的能力。

MOS場效應晶體管是集成電路中的核心器件，這些電路通常集成了數以萬計的MOS場效應管。近幾十年來，集成電路遵循摩爾定律不斷發展，器件尺寸不斷縮小，系統的集成度不斷提高，集成電路工藝制程從1994年的0.5 μm一直縮小到如今的3nm，這使得MOS場效應晶體管的工藝和物理都變得非常復雜[7]。

在確認學生對半導體工藝流程和工作原理有了初步認識的前提下，基于實際MOSFET制備流程，指導學生通過仿真半導體制造工藝來制備MOSFET器件，并進行測試分析。仿真分析外延生長、熱氧化、熱擴散和離子注入、光刻、蝕刻和金屬化等工藝過程對器件內部的摻雜、載流子分布的影響，最終通過可視化工具直觀分析器件內部能帶、電場以及傳輸電流等的分布，并將仿真獲取的MOS場效應管轉移和輸出特性的結果與教材進行比較，通過完整的仿真來幫助學生理解MOSFET的工作原理，進一步理解所學的理論知識[8]。

圖3（a）為TCAD仿真的NMOS器件的3D結構，用于向學生展示真實的器件結構。圖3（b）為學生通過完整的工藝仿真制備的柵長為90nm的NMOS增強型器件2D結構，在工藝仿真的過程中，學生對集成電路中各個復雜的工藝有了更加深入的了解。學生還可以通過另外一個仿真模塊atlas來對制備的器件進行性能測試，該器件的轉移特性曲線和輸出特性曲線如圖3（c）～（d）所示。后續可以讓學生仿真PMOS增強型器件、NMOS耗盡型器件以及PMOS耗盡型器件，引導學生分析不同柵長以及柵氧厚度對器件輸出特性的影響。

圖3 TCAD 仿真的NMOS 器件的結構及特征曲線

1.4 前沿技術拓展教學

半導體技術日新月異，目前集成電路制程已經到達3nm，進入了后摩爾定律時代，傳統的CMOS工藝技術已經無法滿足先進制程的要求。因此，近年來，鰭型場效應晶體管（FinFET）、高電子遷移率晶體管（HEMT）等先進技術不斷出現，代替傳統的CMOS工藝技術。其中FinFET已經全面占據了移動端處理器的市場，而HEMT器件則主要應用于通信領域。TCAD還可以提供上述先進技術的仿真，通過引導學生對這些先進制程的器件進行仿真，深入探究器件電學參數與工藝參數之間的關系，比較與傳統CMOS工藝技術的區別，在理論教學的同時，有助于學生了解半導體技術發展趨勢和適應未來就業市場的需求。

此外，根據學生畢設或科研導師的研究方向，TCAD還提供太陽電池、LED、激光器以及TFT顯示等方面的仿真，為學生參與創新創業和科研活動提供了多樣化的支持。

2 結語

隨著半導體和集成電路行業的迅速發展，單純依賴于一本或幾本教材從頭講到尾的授課方式已經不夠服務于當今《半導體物理與器件》課程的教學目標和效果。將TCAD虛擬仿真軟件應用到電子類專業《半導體物理與器件》課程，能幫助學生建立在半導體物理與器件中理論與實踐相結合的思維方式，培養學生利用所學半導體理論分析和解決實際工程技術問題的實踐能力。我們在教學中引入TCAD的經驗證明，學生通過學習復雜的先進半導體制造工藝和器件，可以引導學生積極地參與整個學習和實踐過程，取得較好的預期效果，證明了基于TCAD的《半導體物理與器件》教學改革在實踐上的可行性和有效性。