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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 ）　　 摘 　 要：“半导体工艺”是一门理论与实验结合紧密的课程，通过 ＴＣＡＤ虚拟平台开展实验教学，可节约成本、减少实验时间，可增强教学的直观性、提高教学效果，还可激发学生学习兴趣，增强实践、创新能力。　　 关键词： ＴＣＡＤ ；半导体工艺；虚拟实验教学　　 中图分类号： Ｇ６４２．０　　　　　　 文献标识码： Ａ　　　　　　 文章编号： １６７１ － ９２４７ （ ２０１５ ） ０３ － ０１０９ － ０２Ｔｈｅ。粒穑穑欤椋悖幔簦椋铮睢。铮妗。裕茫粒摹。椋睢。樱椋恚酰欤幔簦澹洹。牛穑澹颍椋恚澹睿簦蟆。妫铮颉。茫铮酰颍螅澹蟆。铮妗。樱澹恚椋悖铮睿洌酰悖簦铮颉。校颍铮悖澹螅螅冢龋希铡。伲 －ｍｉｎｇ（ Ｓｃｈｏｏｌ。铮妗。牛欤澹悖簦颍椋悖幔臁。幔睿洹。桑睿妫铮颍恚幔簦椋铮睢。牛睿纾椋睿澹澹颍椋睿 ， Ａｎｈｕｉ。眨睿椋觯澹颍螅椋簦 ｏｆ。裕澹悖瑁睿铮欤铮纾 ， Ｍａ ’ａｎｓｈａｎ。玻矗常埃埃 ， Ａｎｈｕｉ ， Ｃｈｉｎａ ）　。粒猓螅簦颍幔悖 ： Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ 。穑颍铮悖澹螅 。椋蟆。帷。簦瑁澹铮颍澹簦椋悖幔臁。幔睿洹。澹穑澹颍椋恚澹睿簦幔臁。悖铮酰颍螅澹裕瑁濉。澹穑澹颍椋恚澹睿簦幔臁。簦澹幔悖瑁椋睿纭。铮睢。簦瑁濉。穑欤幔簦妫铮颍怼。铮妫螅椋恚酰欤幔簦澹洹。裕茫粒摹。螅幔觯澹蟆。悖铮螅簦 ， ｒｅｄｕｃｅｓ。簦澹螅簟。簦椋恚 ， ｅｎｈａｎｃｅｓ。觯椋螅椋猓椋欤椋簦 ａｎｄ。椋恚穑颍铮觯澹蟆。簦澹幔悖瑁椋睿纭 ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｉｔ。悖幔睢。幔欤螅铩。螅簦椋恚酰欤幔簦澹螅簦酰洌澹睿簦 ’ ｉｎｔｅｒｅｓｔ。椋睢。欤澹幔颍睿椋睿 ， ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ。簦瑁澹椋颉。穑颍幔悖簦椋悖濉。幔睿洹。椋恚穑颍铮觯濉。簦瑁澹椋颉。椋睿睿铮觯幔簦椋铮睢。幔猓椋欤椋簦　。耍澹 ｗｏｒｄｓ ：ＴＣＡＤ ； ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ。穑颍铮悖澹螅螅澹 ； ｓｉｍｕｌａｔｅｄ。澹穑澹颍椋恚澹睿簦幔臁。簦澹幔悖瑁椋睿纭　 “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 ＳＩＬ －ＶＡＣＯ 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。蚰芰克ゼ踅下，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　　 收稿日期： ２０１４ － １１ － １５　　 作者简介：周郁明（ １９７１－ ），男，湖北武汉人，安徽工业大学电气与信息工程学院副教授。９ ０ １　 第３。簿淼冢称冢病。啊。薄。的 ５ 月 　　　　　　 　安徽工业大学学报（社会科学版）Ｊｏｕｒｎａｌ。铮妗。粒睿瑁酰椤。眨睿椋觯澹颍螅椋簦 ｏｆ。裕澹悖瑁睿铮欤铮纾 （ Ｓｏｃｉａｌ。樱悖椋澹睿悖澹螅　　　 　　　　 Ｖｏｌ．３２， Ｎｏ．３Ｍａｙ ， ２。啊。薄。