基于TCAD软件的《半导体物理与器件》教学改革研究

李平

（福建江夏学院 电子信息科学学院，福建 福州 350108）

0 引言

半导体物理与器件是电子信息和通信类专业的一门基础课程，它主要介绍半导体材料和器件的特性、工作原理及其局限性的基础知识，该课程的学习情况将会对后续课程的学习产生重要影响[1]。在当今发展的大趋势下，半导体产业已成为我国国民经济和社会发展的战略性产业。在过去的七八十年中，特别是集成特征尺寸不断缩小的后摩尔时代，半导体产业发展迅猛，半导体相关知识不断更新，对半导体物理专业基础教育提出了新的、更高的要求[2-3]。

目前高校的《半导体物理与器件》是多个理工专业的核心课程，但在教学过程中存在如下几个方面的问题：首先，该课程理论深奥、知识点多、涵盖范围广、物理概念抽象、公式推导复杂，学生需要对高等数学、量子力学、固体物理的知识有一定的储备；其次，集成电路制造技术的快速发展，工艺和器件结构变得越来越复杂，这要求大学教师需要不断提升自己的知识和专业技能；最后，半导体器件的开发和制造需要使用复杂、昂贵的设备以及大量的专业人才，而绝大部分高校无法向学生提供相关的设备，教师只能给通过PPT讲授的方式为学生传授理论知识，学生几乎没有参与感，这会导致学生在学习过程感到枯燥乏味，对半导体材料以及器件的理解和应用上都存在相当的难度[4]。考虑到上述原因，我们尝试将计算机仿真技术引入半导体物理与器件的教学中来，试图通过探索，逐步形成基于计算机仿真的半导体物理与器件新教学体系。半导体工业制造流程涉及几十个不同的工艺步骤，设计过程的复杂性使得当今的半导体工业越来越多地依赖各种软件进行辅助设计，其中计算机辅助设计（TCAD）的使用已成为工业发展周期中的关键实现途径。

TCAD全称为technology computer aided design，是指使用计算机模拟来开发和优化半导体工艺和器件。TCAD通过执行数值过程和器件仿真的能力，能够准确预测各种工艺条件下的器件性能，可以大大减少技术开发的时间和成本[5]。

在《半导体物理与器件》这门课程中，TCAD可以用于进行半导体工艺仿真和器件仿真。其中，工艺仿真可以帮助学生了解实际集成电路生产中涉及的氧化、扩散、沉积、光刻、蚀刻、化学机械研磨、器件测试等一系列工艺流程；器件仿真可以模拟常见半导体器件的光学、电学和热学行为，帮助学生熟悉器件结构、材料特性以及工作条件等对器件性能的影响，有效增加学生学习兴趣和积极性，提高教学效果。

在本论文中，我们展示了如何应用最先进的TCAD 工具来帮助本科生理解关键半导体器件的电物理行为、建立器件模型和优化器件性能。

1 基于TCAD仿真的实践教学探索

1.1 半导体物理现象

在半导体物理与器件教学过程中，存在大量抽象的概念和相关的公式推导，通过引入TCAD对半导体现象进行仿真，可以在课堂上将模拟过程和结果演示给学生，也可以让学生自己完成相应的模拟。这样会使得半导体物理现象变得更加形象，使学生更加深刻地理解半导体的结构、能带、有效质量等抽象的概念以及繁琐枯燥的公式。

在讲解载流子传输特性相关内容的时候，我们引入TCAD的Athena模块来研究硅片掺杂浓度对电阻率和电子迁移率的影响，提高学生对迁移率概念以及半导体电导率公式的理解。仿真得到的结果如图1所示。

在图1（a）中，在杂质掺杂浓度较低时，载流子迁移率几乎不随掺杂浓度变化，此时晶格散射为主要散射机制，掺杂浓度对迁移率影响不大，而随着掺杂浓度增大到1016cm-3时，迁移率随着掺杂浓度的增大而减小，这是由于随掺杂浓度的增大，杂质电离散射作用逐渐成为主要散射机制。此外，对于给定的掺杂浓度，电子迁移率总是大于空穴迁移率，这是因为电子的有效质量要小于空穴的有效质量。图1（b）为电阻率随杂质浓度的变化趋势，可以看出杂质浓度高于1018cm-3时，曲线严重偏离直线，一方面这是由于在室温下高掺杂浓度半导体内杂质不能完全电离，另一方面是由于高浓度时迁移率随杂质浓度增加而显著下降[6]。

图1 T=300K 时，硅中的载流子迁移率、电阻率与杂质浓度的关系

上述仿真结果与所用教材—尼曼版《半导体物理与器件》第5章中图5.3和5.4中所示的硅的迁移率和电阻率图相符[6]。通过这样的动态过程演示，学生对载流子迁移率、载流子散射机制以及杂质电离等重要概念有了更深层次的认识，有效地提高了教学质量。

1.2 半导体工艺

半导体器件生产过程中，需要用到包括光刻、化学气相沉积、刻蚀、离子注入、氧化以及表面处理等设备，这些设备往往结构复杂、价格昂贵、维护困难，这导致绝大部分高校无法开展相关的实验。引入TCAD可以对集成电路工艺中所有的步骤进行工业级的仿真，学生通过模拟各个步骤工艺参数对器件形貌和内部性质的影响，深入了解半导体工艺原理，培养学生的半导体工艺设计能力。因此，在教学中，我们针对集成电路中半导体隔离工艺设计了相关的实验。

集成电路中，由于所有的器件是制作在同一个衬底上的，如果器件之间没有完全隔离，会导致功耗增大，相邻器件相互干扰的问题，半导体隔离技术就成了集成电路工艺制程的关键之一。早期集成电路最常用的隔离技术就是局部氧化硅工艺（先写出英文全称，才有简写LOCOS），该工艺以氮化硅为掩膜层，利用硅和氮化硅的不同氧化速率，采用湿法氧化工艺在没有掩膜的位置生长厚氧化层，实现器件间的隔离。

在课程中，让学生通过Athena模块完成LOCOS工艺的仿真，首先在硅片上沉积二氧化硅/氮化硅叠层薄膜，并刻蚀掉氧化硅/氮化硅薄膜的左侧区域，然后湿法刻蚀硅形成凹陷，如图2（a）所示。将上述结构利用1000℃湿法氧化工艺处理90分钟，模拟氧化过程中薄膜形状的时间演变，如图2（b）～（f）所示。可以发现氧化过程中氮化硅掩模边缘处形成了鸟嘴状，称为“鸟嘴效应”，仿真结果与实验结果非常类似。在此基础上，引导学生分析“鸟嘴”出现的原因、设法消除或减小“鸟嘴效应”，探索多晶硅缓冲局部氧化（PBLOCOS）、凹槽等新型的隔离工艺。此外，根据课程要求和课时设计，可让学生利用Athena模块对集成电路工艺中的外延生长、热氧化、热扩散和离子注入、光刻、蚀刻和金属化等工艺进行仿真。

图2 TCAD 仿真LOCOS 工艺的“鸟嘴效应”

1.3 半导体器件

在以往的教学中发现，单纯依赖印刷教材略知一二地给学生讲解BJT晶体管、MOS场效应管等半导体器件时，学生对半导体器件的结构以及特性的理解存在困难，并且教材上的半导体器件结构与实际工业中的结构往往还有较大的区别。引入TCAD对复杂的半导体器件进行仿真有助于学生理解半导体器件的结构和工作原理。在近两年的教学中，我们对MOS场效应晶体管进行了仿真，帮助学生建立半导体理论与实际器件相结合的思维方式，培养学生利用所学教学知识分析和解决实际的工程问题的能力。

MOS场效应晶体管是集成电路中的核心器件，这些电路通常集成了数以万计的MOS场效应管。近几十年来，集成电路遵循摩尔定律不断发展，器件尺寸不断缩小，系统的集成度不断提高，集成电路工艺制程从1994年的0.5 μm一直缩小到如今的3nm，这使得MOS场效应晶体管的工艺和物理都变得非常复杂[7]。

在确认学生对半导体工艺流程和工作原理有了初步认识的前提下，基于实际MOSFET制备流程，指导学生通过仿真半导体制造工艺来制备MOSFET器件，并进行测试分析。仿真分析外延生长、热氧化、热扩散和离子注入、光刻、蚀刻和金属化等工艺过程对器件内部的掺杂、载流子分布的影响，最终通过可视化工具直观分析器件内部能带、电场以及传输电流等的分布，并将仿真获取的MOS场效应管转移和输出特性的结果与教材进行比较，通过完整的仿真来帮助学生理解MOSFET的工作原理，进一步理解所学的理论知识[8]。

图3（a）为TCAD仿真的NMOS器件的3D结构，用于向学生展示真实的器件结构。图3（b）为学生通过完整的工艺仿真制备的栅长为90nm的NMOS增强型器件2D结构，在工艺仿真的过程中，学生对集成电路中各个复杂的工艺有了更加深入的了解。学生还可以通过另外一个仿真模块atlas来对制备的器件进行性能测试，该器件的转移特性曲线和输出特性曲线如图3（c）～（d）所示。后续可以让学生仿真PMOS增强型器件、NMOS耗尽型器件以及PMOS耗尽型器件，引导学生分析不同栅长以及栅氧厚度对器件输出特性的影响。

图3 TCAD 仿真的NMOS 器件的结构及特征曲线

1.4 前沿技术拓展教学

半导体技术日新月异，目前集成电路制程已经到达3nm，进入了后摩尔定律时代，传统的CMOS工艺技术已经无法满足先进制程的要求。因此，近年来，鳍型场效应晶体管（FinFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）等先进技术不断出现，代替传统的CMOS工艺技术。其中FinFET已经全面占据了移动端处理器的市场，而HEMT器件则主要应用于通信领域。TCAD还可以提供上述先进技术的仿真，通过引导学生对这些先进制程的器件进行仿真，深入探究器件电学参数与工艺参数之间的关系，比较与传统CMOS工艺技术的区别，在理论教学的同时，有助于学生了解半导体技术发展趋势和适应未来就业市场的需求。

此外，根据学生毕设或科研导师的研究方向，TCAD还提供太阳电池、LED、激光器以及TFT显示等方面的仿真，为学生参与创新创业和科研活动提供了多样化的支持。

2 结语

随着半导体和集成电路行业的迅速发展，单纯依赖于一本或几本教材从头讲到尾的授课方式已经不够服务于当今《半导体物理与器件》课程的教学目标和效果。将TCAD虚拟仿真软件应用到电子类专业《半导体物理与器件》课程，能帮助学生建立在半导体物理与器件中理论与实践相结合的思维方式，培养学生利用所学半导体理论分析和解决实际工程技术问题的实践能力。我们在教学中引入TCAD的经验证明，学生通过学习复杂的先进半导体制造工艺和器件，可以引导学生积极地参与整个学习和实践过程，取得较好的预期效果，证明了基于TCAD的《半导体物理与器件》教学改革在实践上的可行性和有效性。