周郁明

（安徽工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，安徽 馬鞍山243002）

“半導體工藝”是微電子類專業(yè)的核心課程。該課程的目的是讓學生掌握半導體器件和集成電路的制造工藝，是一門實踐性很強、并與理論緊密結(jié)合的課程。［1－2］然而，該課程所涉及到的一些關(guān)鍵設(shè)備，價格昂貴，難以滿足教學需要。為了提高教學效果，可以利用計算機輔助設(shè)計（TCAD）技術(shù)模擬半導體器件及集成電路制造的全部流程，讓學生無需接觸實際設(shè)備就能掌握工藝原理。［3－6］

一、TCAD虛擬實驗教學優(yōu)勢

計算機輔助設(shè)計（TCAD）是根據(jù)半導體工藝與器件的物理、化學等模型，通過計算機技術(shù)進行數(shù)值求解，模擬出半導體工藝的工作流程，并仿真半導體器件在外部條件作用下的電學、力學、熱學等特性的技術(shù)。TCAD通過構(gòu)建虛擬的制造系統(tǒng)，由于可以節(jié)約開發(fā)時間，減小開發(fā)成本，已經(jīng)在半導體工業(yè)界和科研領(lǐng)域得到廣泛的應用。

應用TCAD開展虛擬實驗教學，有著較大的優(yōu)勢。首先，所需要的時間少、速度快。例如，一個基本的MOSFET的制造過程一般需要幾天或者上月的時間，而用TCAD軟件模擬該制造過程，一次僅需幾分鐘，而且學生能在實驗教學過程中隨時觀察虛擬實驗每一步所帶來的半導體器件形貌和內(nèi)部物理特性的變化，從而得到即時全面的認知。其次，基于圖形化界面的仿真程序簡單易學、成本低，學生可以根據(jù)自己的想法改變工藝參數(shù)或者器件結(jié)構(gòu)，進行探索性實驗，甚至可以針對特定器件進行優(yōu)化仿真，而不用擔心損壞昂貴的半導體工藝制造設(shè)備。

二、TCAD虛擬實驗教學實例

一是擴散。半導體工藝中的擴散，是使一定種類或者一定數(shù)量的雜質(zhì)摻入到半導體中去，以改變半導體的電學性質(zhì)。一般而言，擴散在管式爐中進行，擴散源有固體也有液體。為了加快擴散過程，擴散爐的溫度一般也設(shè)定在幾百至一千多度。雜質(zhì)在半導體襯底中的濃度和深度分布與幾個參數(shù)有關(guān)：襯底雜質(zhì)濃度、表面雜質(zhì)濃度、擴散時間、擴散溫度。半導體工廠在組織生成之前，一般采用經(jīng)驗公式或者查表來計算擴散時間或者溫度等參數(shù)。在“半導體工藝”課程教學中，也是用公式或者圖表給學生講授擴散工藝，而在SILVACO的半導體工藝模擬器ATHENA中，有多個擴散模型可供選擇，使用手冊也介紹了各個模型的特點。在虛擬實驗教學中，可以在程序中設(shè)定雜質(zhì)類型、濃度、溫度、時間等參數(shù)，程序運行結(jié)束，可以即時查看雜質(zhì)在半導體中的分布，如果不符合要求，可以修改參數(shù)，再次運行，直到結(jié)果滿意為止。整個模擬過程快，學生能掌握到各種參數(shù)對雜質(zhì)在半導體襯底中的濃度和深度分布的影響，非常直觀，教學效果比傳統(tǒng)的方式更加有效。

二是離子注入。離子注入是將雜質(zhì)原子電離并加速，然后直接打入到半導體中。離子注入機結(jié)構(gòu)較為復雜，價格也很高昂。雜質(zhì)在半導體中的分布與離子注入能量、劑量、溫度、注入角度等參數(shù)有關(guān)。與擴散工藝不同，雜質(zhì)經(jīng)過擴散后在半導體內(nèi)的分布是最高濃度在表面處，往內(nèi)是逐漸衰減。而離子注入的雜質(zhì)在半導體內(nèi)的分布，最高濃度是在離表面一定距離的地方。學生在模擬器中可以自由地修改兩種工藝參數(shù)，清楚地了解擴散和離子注入兩種工藝的差別。

眾所周知，晶體原子是有規(guī)則排列的，整個晶體可以看成是由很多晶面疊合而成的。當入射離子的方向平行于某一晶面族時，似乎有的離子可以正好從晶面間的“縫隙”中穿入，它們所受到的阻擋較小，則能量衰減較慢，于是這些離子可注入到半導體襯底內(nèi)部較深處，這種現(xiàn)象稱為“溝道效應”。在ATHENA模擬器的離子注入模型中，可以通過設(shè)定半導體晶面和入射角度，能方便地模擬出“溝道效應”。通過這種模擬實驗，學生能更容易地理解“半導體工藝”課程中一些抽象的概念，具有很好的教學效果。

三是氧化?！鞍雽w工藝”中的氧化，就是在半導體材料硅表面生長一層二氧化硅（SiO2）薄膜。這層薄膜的主要用途是：保護和鈍化半導體表面；作為雜質(zhì)選擇擴散的掩蔽層；用作MOS電容和MOS器件柵極的介質(zhì)層；在集成電路介質(zhì)隔離中起電氣絕緣作用；等等。氧化是在氧化爐中完成，分為濕氧和干氧兩種。干氧生成的氧化膜結(jié)構(gòu)致密，但生長速率較慢；濕氧生成的氧化膜結(jié)構(gòu)疏松，但生長速率較快。在ATHENA模擬器中，通過設(shè)定氧化氣氛、時間、壓力等參數(shù)，可以查看氧化后生成的SiO2層的厚度。這種虛擬實驗教學，讓學生無需通過實驗設(shè)備的操作就可以掌握工藝原理。

四是刻蝕?？涛g是用化學或物理方法有選擇地從半導體材料表面去除不需要的材料的過程?？煞譃闈穹涛g和干法刻蝕。濕法刻蝕利用刻蝕溶液，借由化學反應達到刻蝕的目的；干法刻蝕利用高化學活性的氣態(tài)電漿轟擊刻蝕，一般是化學和物理結(jié)合的過程。ATHENA模擬器是通過設(shè)定刻蝕機器來選擇是干法刻蝕還是濕法刻蝕。設(shè)定好刻蝕類型后，可以定義刻蝕區(qū)域、刻蝕速率、刻蝕時間等參數(shù)，程序運行結(jié)束，可以即時查看刻蝕效果。通過虛擬實驗，學生可以了解到濕法刻蝕具有各向同性的特性，也就是說，刻蝕溶液對刻蝕區(qū)域縱向蝕刻時，側(cè)向的蝕刻也同時發(fā)生；干法刻蝕可以是各向異性也可以是各向同性，可以非常好地控制側(cè)向的刻蝕。

三、TCAD在“半導體工藝”中的教學效果

從上述仿真教學實踐可以看到，TCAD創(chuàng)造了一個良好的虛擬實驗平臺，更方便的是，通過ATHENA模擬器生成的半導體器件，可以直接和SILVACO的器件模擬器ATLAS無縫連接，也就是說從工藝到器件甚至電路的仿真，都可以在SILVACO的TCAD虛擬實驗平臺上完成，假如器件或者電路仿真結(jié)果不理想，可以多次反復修改工藝參數(shù)，直到滿意為止。這種虛擬實驗平臺，可以節(jié)約大量的時間，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。學生通過平臺的模擬實驗，可以掌握半導體工藝的各種工藝原理。如果和器件、電路模擬連接起來，則可以實現(xiàn)工藝―器件―電路的完美銜接，讓學生系統(tǒng)地學習“半導體工藝”以及微電子專業(yè)其它課程。

“半導體工藝”是一門理論與實驗結(jié)合的課程，通過TCAD虛擬平臺開展實驗教學，可以節(jié)約實驗室建設(shè)成本，減少實驗時間；借助圖形工具，可以直觀地觀察實驗過程以及半導體器件內(nèi)部物理量的變化，提高教學效果；通過工藝、結(jié)構(gòu)的變化分析工藝和器件的工作原理，與“半導體工藝”課程的理論教學密切結(jié)合，引入新技術(shù)，可以激發(fā)學生的學習興趣，加深對課程的理解，增強實踐和創(chuàng)新能力。

［1］王思杰，周水仙.加強實踐性教學環(huán)節(jié) 提高“半導體工藝原理”課教學質(zhì)量［J］.高等理科教育，1995（3）：71－74.

［2］王彩琳.“半導體工藝原理”教學方法的改革［J］.電氣電子教學學報，2011（1）：108－110.

［3］尹勝連，馮彬.TCAD技術(shù)及其在半導體工藝中的應用［J］.半導體技術(shù)，2008（6）：480－482.

［4］戚玉婕.TCAD在“半導體工藝”課程中應用的教學探討［J］.揚州教育學院學報，2013（3）：85－88.

［5］劉劍霜，郭鵬飛，李伙全.TCAD技術(shù)在微電子實驗教學體系中的應用與研究［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2012（2）：78－80.

［6］朱筠.利用SILVACO TCAD軟件改進集成電路實踐教學的研究［J］.數(shù)字技術(shù)與應用，2012（7）：114－116.