本章学习目标

• 说明 TCAD 在半导体器件开发中的位置。
• 理解工艺仿真、器件仿真和电热耦合分析的基本分工。
• 认识结构、网格、材料、模型和边界条件之间的关系。
• 能够从一张仿真结果图中读出器件、偏压和物理量信息。

Silvaco TCAD 面向功率器件开发

Silvaco TCAD 将工艺、器件结构和物理响应放在同一套仿真框架中：

• 工艺仿真：形成材料层、几何形貌和掺杂分布。
• 器件仿真：计算端口特性与内部电势、电场和电流密度。
• 模型分析：研究击穿、漏电、热效应和结构可靠性。
• 重点对象包括 PiN、SiC JBS、肖特基二极管、MOSFET、IGBT 和保护环。

TCAD是半导体工艺开发的重要工具

TCAD（Technology Computer-Aided Design）通过计算机模型描述：

• 工艺步骤如何改变器件结构；
• 材料、掺杂和缺陷如何改变载流子输运；
• 结构和偏压如何共同决定电流、电场与击穿行为。

它连接了工艺开发、器件设计、实验验证和可靠性评估。

TCAD补充实验无法直接观测的信息

实验可以测得端口电流、电压和其他外部响应，但通常难以直接确定器件内部的原因。

TCAD 可以帮助回答：

• 高反偏电压下，哪个区域首先出现高电场？
• 某一电压下发生击穿的物理原因是什么？
• 反向电流—电压曲线的拐点对应怎样的内部状态？
• 半导体内部哪些区域发生了电离、复合或载流子拥挤？

TCAD 贯穿功率器件设计闭环

功率器件开发需要把多个层次放在同一条证据链中：

• 工艺窗口决定外延、注入、氧化和终端形貌；
• 器件结构决定耗尽区、表面电场和电流路径；
• 物理模型决定击穿、漏电和热响应的预测能力；
• 实验校准决定仿真结论能否用于设计决策。

仿真需要与实验相互校准

半导体器件和工艺通常包含多个耦合因素。可靠的建模流程应当：

1. 根据实验结果或文献确定材料和工艺参数。
2. 建立结构、物理模型和边界条件。
3. 将仿真输出与实验测量进行对比。
4. 解释差异来源，再决定是否修正模型。

仿真不是实验的替代品，而是解释、预测和优化实验的工具。

Silvaco工艺仿真：从结构到工艺历史

工艺仿真通常按时间顺序描述器件形成过程：

初始结构 → 网格 → 材料与掺杂 → 刻蚀/沉积 → 扩散/注入 → 结构输出

每个工艺步骤都会改变后续仿真的初始条件，因此应保存关键步骤的结构文件和参数。

实体建模建立初始结构

实体建模从尺寸和材料出发建立器件结构，包括：

• 区域和材料的几何边界；
• 电极位置与接触关系；
• 初始掺杂或载流子分布；
• 二维或三维器件的空间范围。

例如，功率 MOSFET 可以先用几何尺寸定义外延层、栅介质、栅电极和源漏区，再进入工艺步骤仿真。

刻蚀与沉积改变器件几何

工艺仿真需要描述：

• 刻蚀速率和方向；
• 沉积层的厚度和覆盖范围；
• 工艺步骤后的边界移动；
• 结构转角、凹槽和薄膜界面的变化。

几何变化会进一步改变局部电场、载流子路径和寄生参数。

形貌变化需要物理模型

形貌模型可以根据晶体学、材料属性和工艺条件描述：

• 各向异性和各向同性刻蚀；
• 薄膜沉积与界面形成；
• 复杂结构中的边界演化；
• 材料属性对表面形貌的影响。

模型精度、计算成本和可获得的工艺参数需要共同权衡。

注入、扩散和退火决定掺杂分布

离子注入和热处理模型通常需要关注：

• 注入离子种类、剂量和能量；
• 注入角度以及沟道效应；
• 扩散系数和温度历程；
• 退火造成的激活与分布变化。

最终掺杂分布会影响结深、阈值电压、导通电阻和击穿电压。

功率器件模型要匹配工作区

功率器件不同工作区关注的物理机制并不相同：

模型选择必须由器件类型、偏压范围、温度和需要解释的指标决定。

功率器件分析是多物理场耦合问题

典型功率器件问题包括：

• PiN 二极管：双极注入、电导调制和关断存储电荷；
• SiC JBS：肖特基路径与 PN 结屏蔽之间的竞争；
• 功率 MOSFET：沟道、漂移区和终端电场的协同；
• IGBT：MOS 控流、双极注入、饱和压降和关断拖尾。

分析时需要同时说明结构、材料、偏压、温度、模型和观测物理量。

PiN功率器件的DC分析

PiN 结构的直流分析可以关注：

• 纵向掺杂浓度分布；
• 电流—电压关系；
• 高压下的电场分布；
• 温度变化下的器件响应。

仿真图不能脱离条件解释：必须同时给出器件结构、端口偏压、温度和模型设置。

网格决定空间分辨率与计算成本

网格策略需要在精度和计算量之间平衡：

• 器件边界处需要足够分辨率；
• 结底部和高场区域通常需要局部加密；
• 材料界面附近应避免过粗网格；
• 三维模型的网格数量会显著增加内存和求解时间。

网格加密应服务于物理问题，而不是平均地增加所有网格点。

SiC工艺仿真：离子注入是关键步骤

宽禁带半导体 SiC 的工艺分析可以包括：

• 不同注入条件下的掺杂浓度分布；
• 三维结构中的刻蚀和材料界面；
• 注入能量对掺杂深度的影响；
• 后续激活和退火对器件参数的影响。

铝离子注入能量影响分布深度

示例中比较四种铝离子注入能量：

一般而言，注入能量越高，离子进入材料的平均深度越大；实际分布还受到材料、剂量、注入角度和退火条件影响。

SiC JBS保护环影响击穿特性

SiC JBS 结构的击穿仿真可以比较不同保护环数量下的反向电流—电压关系：

• 保护环用于调节边缘电场；
• 环数量和间距会改变电场分布；
• 反向电流快速增加的区域对应接近击穿的工作状态；
• 需要同时记录结构尺寸、掺杂、偏压扫描范围和收敛设置。

SiC JBS电场：0 V至1400 V

观察电场随反向偏压的变化：

• 0 V：建立零偏压下的基线分布。
• 400 V：耗尽区扩展，电场开始明显重排。
• 1200 V：高场区域更加集中，需要关注边缘终端。
• 1400 V：接近击穿状态，局部峰值电场成为主要风险。

同一器件的不同偏压结果应使用一致的色标和坐标，便于比较。

SiC JBS电流密度与电势

除电场外，还应查看：

• 电流密度：判断导电路径和局部电流拥挤；
• 电势：观察偏压如何在结构内部展开；
• 材料界面：解释电势和电场变化的位置；
• 保护环区域：判断边缘终端是否有效。

结果解释应形成链条：

偏压 → 电势分布 → 电场分布 → 电流密度 → 击穿响应

仿真结果图：功率器件结构与特性

从 TCAD 走向流片：2024 年 IGBT 设计案例

IGBT 把 MOS 栅控与双极电导调制结合起来

结构选择对应明确的电学取舍

器件设计不是单独追求最低通态压降，而是在耐压、损耗、开关速度和可靠性之间建立可制造的工作窗口。

IGBT 版图与封装实物相互对应

课程组 2024 年流片资料：左侧为芯片版图与局部元胞，右侧为三端封装实物。

流片实测结果超过原设计目标

设计目标

阻断电压 1200 V，最大导通电流 50 A。

实测耐压

报告给出的最高阻断电压为 1400 V。

实测电流

报告给出的最大导通电流为 70 A。

流片报告未在这页列出漏电判据、测试温度、栅压和脉冲条件；这些条件必须在正式仿真校准前补齐。

配套栅极驱动芯片补全开关接口

驱动芯片定位

• 采用 0.5 μm、700 V BCD 工艺定制。
• 接收控制侧信号并形成 IGBT 栅极驱动。
• 目标是改善开关速度、降低开关损耗并提高模块可靠性。
• 课程只讨论器件栅极边界，不展开驱动电路设计。

实测流片结果如何反哺 TCAD

• 记录阻断测试的漏电判据、温度和栅极偏压。
• 记录通态测试的栅压、脉冲宽度、结温和电流路径。
• 用版图、工艺剖面和终端尺寸重建可计算结构。
• 分别校准通态、阻断和开关结果，不追求用单条曲线解释全部现象。
• 保留未参与拟合的温度或偏压数据作为独立验证。

本章小结

• TCAD 连接工艺、器件、实验和可靠性评估。
• 工艺仿真通过结构、网格、材料和工艺历史生成器件输入。
• 电热和电学模型需要根据功率器件工作区选择复杂度。
• SiC JBS 案例说明：结构设计最终要通过电场、电势、电流密度和击穿曲线验证。
• 2024 年 IGBT 流片案例说明：设计目标、版图、封装和实测结果必须放在同一证据链中。

下一步：从一个明确的器件问题出发，建立可复现的仿真输入和输出。

本章参考文献

1. SILVACO INTERNATIONAL. Power Device Physics Revealed: TCAD for Power Device Technologies[Z]. Silvaco International, 2010.
2. COURSE TEAM. Silvaco Device Simulation Software: Function Overview[Z]. Course materials, 2026.
3. COURSE TEAM. 2024 IGBT Tape-out and Device Design Report[Z]. Course materials, 2024.