解锁半导体设计新未来！半导体器件和工艺仿真的现状与展望

导读：半导体行业正处于飞速发展的关键时期，随着技术节点不断向深纳米尺度甚至原子尺度迈进，半导体器件和工艺仿真技术在整个产业中的地位愈发举足轻重。它不仅是推动芯片性能提升、降低生产成本的关键手段，更是探索新型半导体材料和器件结构的重要利器。

为了帮助大家深入了解这一前沿领域，第17期“仿真大讲堂”定于7月17日19时在仿真秀直播间举行，主题为《半导体器件和工艺仿真的现状和展望》。本期活动由中国工业合作协会仿真技术产业分会主办，鸿之微科技（上海）股份有限公司协办，北京华汽工程技术研究院承办。诚邀业内资深专家为大家解读行业动态、分享技术干货。

一、半导体器件和工艺仿真的重要性

在半导体制造过程中，从最初的晶圆制备到最终的芯片封装，涉及到众多复杂且精密的工艺步骤。任何一个环节出现偏差，都可能导致芯片性能下降甚至报废。传统的试错方法不仅成本高昂，而且研发周期漫长，难以满足市场对半导体产品快速迭代的需求。而半导体器件和工艺仿真技术的出现，为行业带来了革命性的改变。它能够通过计算机模拟，在虚拟环境中对各种工艺和器件设计进行预演，提前 预测可能出现的问题，并优化设计方案。这就好比在建造一座摩天大楼之前，先利用计算机模拟技术进行详细的结构分析和外观设计，确保在实际施工过程中能够高效、顺利地进行。通过仿真，工程师们可以在短时间内测试多种不同的工艺参数和器件结构，大大缩短了产品的研发周期，降低了研发成本，同时提高了产品的性能和可靠性。

二、半导体器件和工艺仿真的现状

当下，半导体器件和工艺仿真处于机遇与挑战并存的状态。一方面，随着器件尺寸持续向深纳米甚至原子尺度缩减，量子效应干扰愈发严重，传统仿真模型难以精确描述，致使预测器件性能出现较大偏差，如在 EUV 光刻工艺下的超精细芯片结构设计中，传统模型对量子效应引发的电子云分布变化难以准确捕捉；同时，纳米尺度下获取实验参数困难重重，微小的样品制备差异就可能导致测量结果大幅波动，严重阻碍基于实验数据构建精准仿真模型。此外，碳纳米管晶体管、二维材料器件等新型器件与材料的兴起，其独特物理和电学特性远超传统仿真方法适用范围，现有仿真工具对其建模能力匮乏。但另一方面，仿真技术也取得了丰硕成果，先进的 TCAD 技术能模拟几乎所有半导体制造工艺，借由精确物理模型与数值算法，可有效优化工艺参数、预测器件性能，像模拟离子注入时能精准预测掺杂原子分布；多物理场耦合仿真综合考量电场、热场等多种物理场相互作用，助力分析高功率半导体器件的电热耦合等复杂效应；人工智能在构建高效仿真模型、加速仿真进程及智能分析结果等方面大显身手，如 CRNN 模型就显著提升了刻蚀工艺仿真的建模效率 。

1、面临的挑战

量子效应的困扰：当器件尺寸缩小到深纳米尺度甚至原子尺度时，量子效应变得愈发显著。传统的仿真模型在描述这些量子现象时存在一定的局限性，无法完备地包含量子隧穿、量子涨落等效应。这就导致在预测器件性能时出现较大偏差，给先进半导体器件的设计带来了巨大挑战。例如，在设计极紫外光刻（EUV）工艺下的超精细芯片结构时，量子效应可能导致电子云的分布发生变化，影响器件的电学性能，而传统仿真模型难以准确捕捉这些变化。

实验参数获取困难：随着器件尺寸的不断减小，通过实验手段获得可靠的参数变得越来越困难且费时费力。纳米尺度下的物理现象往往需要高精度的测量设备和复杂的实验技术，而且实验结果容易受到外界因素的干扰。例如，在测量纳米级晶体管的载流子迁移率时，需要在超低温、超高真空等极端条件下进行实验，并且测量结果可能会因为样品制备过程中的微小差异而产生较大 波动。这使得基于实验数据建立准确的仿真模型变得异常艰难。

新型器件和材料的挑战：近年来，诸多新型电子器件和电子材料不断涌现，如碳纳米管晶体管、二维材料（石墨烯、二硫化钼等）器件等。这些新型器件和材料具有独特的物理性质和电学特性，完全超出了传统半导体工艺和器件仿真方法的应用范畴。传统的仿真工具缺乏对这些新材料、新器件的有效建模能力，无法准确模拟它们在实际工作中的性能表现。例如，二维材料的原子结构和电子能带结构与传统硅基材料有很大不同，如何在仿真中准确描述其载流子输运过程和界面特性是当前面临的一大难题。

2、现有技术成果

先进的 TCAD 技术：TCAD（Technology Computer - Aided Design）技术作为半导体工艺和器件仿真的核心技术，在近年来取得了长足的发展。目前的 TCAD 工具能够模拟从晶体生长、离子注入、退火、氧化、化学气相沉积到光刻、刻蚀等几乎所有的半导体制造工艺过程。通过精确的物理模型和数值算法，TCAD 可以对工艺参数进行优化，预测器件的电学性能、热性能等。例如，在模拟离子注入过程时，TCAD 工具采用蒙特卡洛方法来模拟离子在晶体中的路径和能量沉积，从而准确预测掺杂原子在硅片中的深度分布和浓度分布，为后续的工艺设计提供重要依据。

多物理场耦合仿真：为了更全面、准确地描述半导体器件在实际工作中的行为，多物理场耦合仿真技术得到了广泛应用。半导体器件在工作时往往会受到多种物理场的相互作用，如电场、磁场、热场、应力场等。多物理场耦合仿真能够将这些不同的物理场进行综合考虑，模拟它们之间的相互影响。例如，在高功率半导体器件中，电流通过会产生焦耳热，导致器件温度升高，而温度的变化又会反过来影响材料的电学性能和载流子迁移率。通过多物理场耦合仿真，可以精确分析这种电热耦合效应，为器件的热管理和性能优化提供有力支持。

人工智能辅助仿真：随着人工智能技术的飞速发展，其在半导体器件和工艺仿真领域的应用也日益广泛。人工智能可以用于构建更高效的仿真模型、加速仿真过程以及对仿真结果进行智能分析。例如，通过机器学习算法对大量的实验数据和仿真数据进行学习，可以建立起能够快速准确预测器件性能的模型，大大缩短仿真时间。在刻蚀工艺的仿真加速方面，有研究团队提出了一种级联递归神经网络（CRNN），该模型通过递归神经网络充分表征刻蚀轮廓，通过级联组合层实现轮廓特征与工艺参数（如压力、功率、温度和电压）的信息融合。实验结果表明，与传统刻蚀模型仿真结果对比，CRNN 模型在保证预测精度的前提下，显著提升了建模效率。

三、半导体器件和工艺仿真的未来展望

四、半导体器件和工艺仿真公开课

本次直播我们有幸邀请到了鸿之微科技（上海）股份有限公司研发总监曹宇博士主讲，无论你是半导体行业的从业者、科研人员，还是对半导体技术感兴趣的爱好者，这场直播都将为你带来一场知识的盛宴。

1、主讲嘉宾

曹宇  博士

曹宇博士于2011年在复旦大学材料物理专业取得理学学士学位，2016年在复旦大学材料科学系获得工学博士学位。2016年加入中芯国际集成电路新技术研发（上海）有限公司，担任工艺整合研发工程师。2018年加入鸿之微科技（上海）股份有限公司后，任集成电路计算产品部经理，负责集成电路相关软件产品开发及高校联合实验室运营。他的主要研究方向包括集成电路先进工艺、半导体器件仿真和半导体材料性质仿真。 

2、特邀嘉宾

3、报告内容

本期活动以半导体器件与工艺仿真技术发展态势为主题，系统阐述仿真技术在半导体研发中的核心价值，并深度剖析先进工艺节点下仿真技术所面临的挑战。结合鸿之微在半导体仿真领域的技术积累及其人工智能大模型项目实践，展望人工智能驱动下仿真技术的未来发展方向，并探讨其在集成电路先进制程开发、良率提升等场景的应用潜力。自问世以来，TCAD仿真工具已成为半导体企业与研究机构的关键技术支撑。硅基器件工艺与器件仿真精度显著提高，化合物半导体功率器件仿真亦取得长足进展。同时，TCAD仿真有力推进了氧化镓等半导体新材料的研发进程。

在工艺设计协同优化（DTCO）方法中，TCAD是不可或缺的环节。其核心研发方向主要包括：三维结构快速仿真技术、实验数据优化拟合方法，以及原子级仿真技术的融合应用。未来，TCAD仿真将持续致力于高速化与智能化发展方向的探索。

4、如何观看

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仿真大讲堂第17讲：半导体器件和工艺仿真的现状和展望-仿真秀直播

最后，让我们一起走进半导体器件和工艺仿真的世界，探索半导体行业的未来发展之路。快来预约直播，与我们一起开启这场科技之旅吧！