基于TCAD軟件的《半導(dǎo)體物理與器件》教學(xué)改革研究

李平

（福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

半導(dǎo)體物理與器件是電子信息和通信類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，它主要介紹半導(dǎo)體材料和器件的特性、工作原理及其局限性的基礎(chǔ)知識，該課程的學(xué)習(xí)情況將會對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生重要影響[1]。在當(dāng)今發(fā)展的大趨勢下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，半導(dǎo)體相關(guān)知識不斷更新，對半導(dǎo)體物理專業(yè)基礎(chǔ)教育提出了新的、更高的要求[2-3]。

目前高校的《半導(dǎo)體物理與器件》是多個理工專業(yè)的核心課程，但在教學(xué)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(dǎo)復(fù)雜，學(xué)生需要對高等數(shù)學(xué)、量子力學(xué)、固體物理的知識有一定的儲備；其次，集成電路制造技術(shù)的快速發(fā)展，工藝和器件結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，這要求大學(xué)教師需要不斷提升自己的知識和專業(yè)技能；最后，半導(dǎo)體器件的開發(fā)和制造需要使用復(fù)雜、昂貴的設(shè)備以及大量的專業(yè)人才，而絕大部分高校無法向?qū)W生提供相關(guān)的設(shè)備，教師只能給通過PPT講授的方式為學(xué)生傳授理論知識，學(xué)生幾乎沒有參與感，這會導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程感到枯燥乏味，對半導(dǎo)體材料以及器件的理解和應(yīng)用上都存在相當(dāng)?shù)碾y度[4]。考慮到上述原因，我們嘗試將計算機仿真技術(shù)引入半導(dǎo)體物理與器件的教學(xué)中來，試圖通過探索，逐步形成基于計算機仿真的半導(dǎo)體物理與器件新教學(xué)體系。半導(dǎo)體工業(yè)制造流程涉及幾十個不同的工藝步驟，設(shè)計過程的復(fù)雜性使得當(dāng)今的半導(dǎo)體工業(yè)越來越多地依賴各種軟件進(jìn)行輔助設(shè)計，其中計算機輔助設(shè)計（TCAD）的使用已成為工業(yè)發(fā)展周期中的關(guān)鍵實現(xiàn)途徑。

TCAD全稱為technology computer aided design，是指使用計算機模擬來開發(fā)和優(yōu)化半導(dǎo)體工藝和器件。TCAD通過執(zhí)行數(shù)值過程和器件仿真的能力，能夠準(zhǔn)確預(yù)測各種工藝條件下的器件性能，可以大大減少技術(shù)開發(fā)的時間和成本[5]。

在《半導(dǎo)體物理與器件》這門課程中，TCAD可以用于進(jìn)行半導(dǎo)體工藝仿真和器件仿真。其中，工藝仿真可以幫助學(xué)生了解實際集成電路生產(chǎn)中涉及的氧化、擴散、沉積、光刻、蝕刻、化學(xué)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(dǎo)體器件的光學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)行為，幫助學(xué)生熟悉器件結(jié)構(gòu)、材料特性以及工作條件等對器件性能的影響，有效增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，提高教學(xué)效果。

在本論文中，我們展示了如何應(yīng)用最先進(jìn)的TCAD 工具來幫助本科生理解關(guān)鍵半導(dǎo)體器件的電物理行為、建立器件模型和優(yōu)化器件性能。

1 基于TCAD仿真的實踐教學(xué)探索

1.1 半導(dǎo)體物理現(xiàn)象

在半導(dǎo)體物理與器件教學(xué)過程中，存在大量抽象的概念和相關(guān)的公式推導(dǎo)，通過引入TCAD對半導(dǎo)體現(xiàn)象進(jìn)行仿真，可以在課堂上將模擬過程和結(jié)果演示給學(xué)生，也可以讓學(xué)生自己完成相應(yīng)的模擬。這樣會使得半導(dǎo)體物理現(xiàn)象變得更加形象，使學(xué)生更加深刻地理解半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、能帶、有效質(zhì)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(guān)內(nèi)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(xué)生對遷移率概念以及半導(dǎo)體電導(dǎo)率公式的理解。仿真得到的結(jié)果如圖1所示。

在圖1（a）中，在雜質(zhì)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(zhì)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(zhì)量要小于空穴的有效質(zhì)量。圖1（b）為電阻率隨雜質(zhì)濃度的變化趨勢，可以看出雜質(zhì)濃度高于1018cm-3時，曲線嚴(yán)重偏離直線，一方面這是由于在室溫下高摻雜濃度半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)不能完全電離，另一方面是由于高濃度時遷移率隨雜質(zhì)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(zhì)濃度的關(guān)系

上述仿真結(jié)果與所用教材—尼曼版《半導(dǎo)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(tài)過程演示，學(xué)生對載流子遷移率、載流子散射機制以及雜質(zhì)電離等重要概念有了更深層次的認(rèn)識，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。

1.2 半導(dǎo)體工藝

半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中，需要用到包括光刻、化學(xué)氣相沉積、刻蝕、離子注入、氧化以及表面處理等設(shè)備，這些設(shè)備往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、維護(hù)困難，這導(dǎo)致絕大部分高校無法開展相關(guān)的實驗。引入TCAD可以對集成電路工藝中所有的步驟進(jìn)行工業(yè)級的仿真，學(xué)生通過模擬各個步驟工藝參數(shù)對器件形貌和內(nèi)部性質(zhì)的影響，深入了解半導(dǎo)體工藝原理，培養(yǎng)學(xué)生的半導(dǎo)體工藝設(shè)計能力。因此，在教學(xué)中，我們針對集成電路中半導(dǎo)體隔離工藝設(shè)計了相關(guān)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(dǎo)致功耗增大，相鄰器件相互干擾的問題，半導(dǎo)體隔離技術(shù)就成了集成電路工藝制程的關(guān)鍵之一。早期集成電路最常用的隔離技術(shù)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(xiàn)器件間的隔離。

在課程中，讓學(xué)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(cè)區(qū)域，然后濕法刻蝕硅形成凹陷，如圖2（a）所示。將上述結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)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(yīng)”，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果非常類似。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生分析“鳥嘴”出現(xiàn)的原因、設(shè)法消除或減小“鳥嘴效應(yīng)”，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(jù)課程要求和課時設(shè)計，可讓學(xué)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(jìn)行仿真。

圖2 TCAD 仿真LOCOS 工藝的“鳥嘴效應(yīng)”

1.3 半導(dǎo)體器件

在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，單純依賴印刷教材略知一二地給學(xué)生講解BJT晶體管、MOS場效應(yīng)管等半導(dǎo)體器件時，學(xué)生對半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)以及特性的理解存在困難，并且教材上的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)與實際工業(yè)中的結(jié)構(gòu)往往還有較大的區(qū)別。引入TCAD對復(fù)雜的半導(dǎo)體器件進(jìn)行仿真有助于學(xué)生理解半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和工作原理。在近兩年的教學(xué)中，我們對MOS場效應(yīng)晶體管進(jìn)行了仿真，幫助學(xué)生建立半導(dǎo)體理論與實際器件相結(jié)合的思維方式，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)教學(xué)知識分析和解決實際的工程問題的能力。

MOS場效應(yīng)晶體管是集成電路中的核心器件，這些電路通常集成了數(shù)以萬計的MOS場效應(yīng)管。近幾十年來，集成電路遵循摩爾定律不斷發(fā)展，器件尺寸不斷縮小，系統(tǒng)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(yīng)晶體管的工藝和物理都變得非常復(fù)雜[7]。

在確認(rèn)學(xué)生對半導(dǎo)體工藝流程和工作原理有了初步認(rèn)識的前提下，基于實際MOSFET制備流程，指導(dǎo)學(xué)生通過仿真半導(dǎo)體制造工藝來制備MOSFET器件，并進(jìn)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(nèi)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(nèi)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(yīng)管轉(zhuǎn)移和輸出特性的結(jié)果與教材進(jìn)行比較，通過完整的仿真來幫助學(xué)生理解MOSFET的工作原理，進(jìn)一步理解所學(xué)的理論知識[8]。

圖3（a）為TCAD仿真的NMOS器件的3D結(jié)構(gòu)，用于向?qū)W生展示真實的器件結(jié)構(gòu)。圖3（b）為學(xué)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(jié)構(gòu)，在工藝仿真的過程中，學(xué)生對集成電路中各個復(fù)雜的工藝有了更加深入的了解。學(xué)生還可以通過另外一個仿真模塊atlas來對制備的器件進(jìn)行性能測試，該器件的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線如圖3（c）～（d）所示。后續(xù)可以讓學(xué)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(dǎo)學(xué)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(jié)構(gòu)及特征曲線

1.4 前沿技術(shù)拓展教學(xué)

半導(dǎo)體技術(shù)日新月異，目前集成電路制程已經(jīng)到達(dá)3nm，進(jìn)入了后摩爾定律時代，傳統(tǒng)的CMOS工藝技術(shù)已經(jīng)無法滿足先進(jìn)制程的要求。因此，近年來，鰭型場效應(yīng)晶體管（FinFET）、高電子遷移率晶體管（HEMT）等先進(jìn)技術(shù)不斷出現(xiàn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CMOS工藝技術(shù)。其中FinFET已經(jīng)全面占據(jù)了移動端處理器的市場，而HEMT器件則主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域。TCAD還可以提供上述先進(jìn)技術(shù)的仿真，通過引導(dǎo)學(xué)生對這些先進(jìn)制程的器件進(jìn)行仿真，深入探究器件電學(xué)參數(shù)與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，比較與傳統(tǒng)CMOS工藝技術(shù)的區(qū)別，在理論教學(xué)的同時，有助于學(xué)生了解半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢和適應(yīng)未來就業(yè)市場的需求。

此外，根據(jù)學(xué)生畢設(shè)或科研導(dǎo)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(xué)生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和科研活動提供了多樣化的支持。

2 結(jié)語

隨著半導(dǎo)體和集成電路行業(yè)的迅速發(fā)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(jīng)不夠服務(wù)于當(dāng)今《半導(dǎo)體物理與器件》課程的教學(xué)目標(biāo)和效果。將TCAD虛擬仿真軟件應(yīng)用到電子類專業(yè)《半導(dǎo)體物理與器件》課程，能幫助學(xué)生建立在半導(dǎo)體物理與器件中理論與實踐相結(jié)合的思維方式，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)半導(dǎo)體理論分析和解決實際工程技術(shù)問題的實踐能力。我們在教學(xué)中引入TCAD的經(jīng)驗證明，學(xué)生通過學(xué)習(xí)復(fù)雜的先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝和器件，可以引導(dǎo)學(xué)生積極地參與整個學(xué)習(xí)和實踐過程，取得較好的預(yù)期效果，證明了基于TCAD的《半導(dǎo)體物理與器件》教學(xué)改革在實踐上的可行性和有效性。