TCAD
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面向半导体工艺和器件开发的 TCAD 仿真
在同一 Silvaco TCAD 流程中构建工艺、预测器件、逐原子模拟新材料、划分网格、提取寄生参数，并将测量结果转换为 SPICE 模型。
什么是 TCAD 仿真？
TCAD 仿真（Technology Computer-Aided Design，工艺计算机辅助设计）是基于物理的软件建模，用于描述半导体的制造过程及成品器件的行为。它运行离子注入、氧化和刻蚀等工艺步骤，生成虚拟器件结构，再求解该结构中的载流子输运，以预测电流、电容、击穿电压和自热。
展示测量无法揭示的内容
工艺分批试验耗时数周，消耗投片资源，却只能回答一个问题。对于新器件，大部分所需信息都要等芯片制造出来后才能获得，而关键决策早在数月前就已作出。
分批试验。在软件中改变版图、工艺步骤或偏置条件，观察哪些参数发生变化。还可单独开启或关闭物理模型。当仿真与实测数据吻合时，您就接近根本原因了。
结果的去向
进入后续 DTCO 流程。TCAD 生成的结构和 SPICE 模型贯穿版图、电路仿真及 RC 提取，使工艺变化以可用于设计的数据形式传递给电路团队。
从工艺配方到 SPICE 模型
每款工具向下游传递结构或模型，且均可
单独授权。
在单个原子层面计算能带结构、应变和量子输运，并向工艺与器件模型传递经校准的参数。当器件小到无法用漂移扩散描述时，可引入该工具。
从当前任务入手
工艺仿真 Victory Process
从 GDSII 版图出发，在软件中运行从离子注入到刻蚀、沉积和应力的晶圆厂步骤，在进入产线前仿真完整工艺流程。
器件仿真 Victory Device
求解 DC、AC 和瞬态偏置下的 2D 或 3D 器件，必要时加入自热和光学响应，或在 SPICE 电路中运行该器件。
原子级与材料建模 Victory Atomistic
对新材料及小到由量子效应决定行为的器件建模，结构规模最高可达一百万个原子。
网格划分与结构 Victory Mesh
为器件仿真或 RC 提取重新划分并细化现有 2D 或 3D 结构的网格，或通过实体建模从零构建新结构。
寄生参数提取 Victory RCx
从刻蚀和沉积步骤所形成的真实 3D 形状中提取电阻和电容
。
测量与参数提取 Utmost IV
将实测器件转换为电路仿真器可直接
接受的紧凑 SPICE 模型。
比较六款 Silvaco TCAD 工具
Victory Process
通过仿真晶圆厂制造步骤构建器件结构。
- Monte Carlo 和解析注入，以及针对硅和 SiC 校准的扩散与氧化模型
- 直接从 GDSII 版图出发，根据步骤需要，在 1D、2D 或 3D 中进行物理刻蚀、沉积、外延，以及光刻和应力仿真
- 通过 Open Model Interface 和 Open Material Database 添加自定义物理模型和材料
Victory Device
预测结构的性能：电流、电压、热和光。
- 求解 DC、AC 和瞬态条件下的漂移扩散与能量平衡输运
- 自热、光学、辐射及单粒子效应的附加模块
- 在 SPICE 网表中执行混合模式仿真，采用可跨计算机分布的多线程求解器
Victory Atomistic
在连续介质模型失效的尺度上发挥作用。
- 紧束缚能带结构及自洽 Schrödinger-Poisson 求解
- 包含声子、表面粗糙度和杂质散射的 NEGF 量子输运
- 可扩展至约一百万个原子，涵盖 FinFET、纳米线、二维材料和量子点
Victory Mesh
为器件求解器提供能够收敛的网格。
- 采用 Delaunay 或共形方案进行 2D 和 3D 重新网格划分，并支持自动细化
- 通过实体建模裁剪、镜像、拉伸或从零构建结构
- 读取 Victory Process 输出和 Silvaco 结构文件，并导出 .stl 和 .vtk
Victory RCx
从实际工艺生成的几何结构中提取电阻和电容。
- 面向任意形状的基于物理的 3D 场求解器，包括角度不为 45° 和 90° 的器件
- 根据指定精度自适应细化网格，将运行时间用于必要位置
- 将节点名称、电阻和电容反标到网表中
Utmost IV
将实测或仿真数据转换为电路仿真所需的紧凑模型。
- 仪器驱动的特性表征和 DoE 驱动的参数提取
- 包括 BSIM-CMG、BSIM4/6、HiSIM 和 PSP 的紧凑模型，支持 FinFET 和 GAAFET
- 在 SmartSpice 中验证，模型可在 HSPICE、Spectre、Eldo、LTspice 和 QSpice 中运行
典型仿真对象
十类器件各有独特的物理特性，也各有选择
TCAD 而非测量的理由。
功率器件
SiC、GaN、IGBT 和沟槽 MOSFET
先进 CMOS 和 FinFET
3D 几何结构决定静电特性
GAA 和 CFET
量子限域效应要求采用原子级建模
DRAM 和 NAND
存储单元结构及影响数据保持的因素
TCAD 仿真的精度如何？
精度取决于校准。初始模型可正确反映趋势，经实测芯片数据校准后，可获得准确数值。校准是一个四步循环。
01
测量
使用已有芯片：测试结构、分批试验晶圆或上一节点的器件。Utmost IV 接收这些测量结果。
02
提取
Utmost IV 根据您的数据拟合模型参数，而非使用教科书默认值。
01
校准
拟合参数输入工艺和器件模型。Victory Device 将其保存在可编辑的材料数据库中，涵盖硅和化合物半导体；对于尚未测量的材料，Victory Atomistic 可为参数提供物理依据。
02
相关性验证
使用拟合过程中未采用的测量数据检查校准模型。吻合程度决定您能够有把握地外推多远。
晶圆代工厂、PDK 和平台支持
运行平台与处理对象。
晶圆代工厂与工艺设计套件
Victory Process 基于您的工艺定义和版图运行，而非依赖代工厂套件。因此，您可在 PDK 出现前模拟工艺，或在首批芯片制造前生成基于工艺的虚拟 PDK。代工厂 PDK 用于 Silvaco 的模拟与定制设计工具，目前套件涵盖 ams AG、Tower Semiconductor、X-FAB 和 YITOA Micro Technology 从 130 nm 至 600 nm 的工艺。这里只是部分示例，请咨询您的具体工艺。
操作系统
2025 年基准发行版中的每款工具均可在 64 位 Linux 上运行，多数也支持 Windows：Red Hat Enterprise Linux 7、8 和 9，CentOS 7，Rocky Linux 8 和 9，以及 Windows Professional 10 和 11。Victory Atomistic 是仅支持 Linux 的例外。Linux 安装还需少量 32 位兼容性和字体软件包，详见安装指南。
多核、集群和 GPU
Victory Process 支持多线程，Victory Device 的求解器库支持分布式计算，因此大型 3D 仿真可利用整个集群，而非仅一台工作站。在 GPU 方面，Silvaco 于 2026 年 7 月宣布与 NVIDIA 合作，在 NVIDIA AI 和加速计算平台上加速基于物理的数字孪生。向应用工程师说明所选工具和仿真任务，即可了解您的硬件能够带来的收益。
采用 Silvaco TCAD 的客户
从大学实验室到一线半导体公司，超过 400 家客户使用 Silvaco 开展 TCAD
工作，其中包括全球前十家显示器制造商中的八家。
2025 年 10 月 28 日
功率器件
Vicor
将电源模块器件建模从 2D 转向 3D Victory TCAD，使仿真遵循真实器件几何结构，并减少设计迭代。
2025 年 7 月 1 日
GaN 与化合物半导体
Wavetek
选择 Victory TCAD 开发面向 5G、Wi-Fi 和 IoT 连接的 GaN 器件。
2025 年 4 月 2 日
硅光子学
ProMOS Technologies
“Silvaco 的产品领先地位、服务和技术支持，是我们选择 Silvaco 开展光子器件开发的关键因素，帮助我们加快了创新步伐。”
Lynn Lin，ProMOS Technologies 副总裁
2022 年 3 月 2 日
CMOS 图像传感器
Teledyne e2v
“Victory TCAD 解决方案使我们能够快速分析不同的像素结构。我们可以轻松探索不同几何结构的影响，从而识别影响性能的关键参数。”
Ana González Márquez，Teledyne e2v 技术与产品开发总监
Silvaco 新闻中还包括 SK Powertech 的 SiC 工作、Fraunhofer ISIT 的 GaN 工作等内容
当前发行版
Silvaco TCAD 2025 年基准发行版
六款工具均包含在 2025 年基准发行版中，详见 2025 年 12 月的 Simulation Standard。Victory Process 升级了求解器和网格功能，部分仿真环节加速 56–75%。Victory Device 增加多物理场热和光学仿真，Victory RCx 逐节点建模电阻率，套件中的多数工具现已原生支持 Windows。
此基准发行版中的版本
Victory Process
8.57.5.R
Victory Device
2.0.1.R
Victory Atomistic
1.12.0.R
Victory Mesh
1.12.0.R
Victory RCx
1.4.6.R
Utmost IV
2.24.0.R
Silvaco 不公布发布日期。2025 年第四季度 Simulation Standard 的介绍文章是此基准发行版的带日期参考。版本会在年内持续修订。
近期 TCAD 论文和网络研讨会
公开阅读，无需注册。
Simulation Standard
2025 年第四季度
用于动态 RDS(on)、漏电、击穿及基于机器学习的设计探索的常关型 p-GaN HEMT 预测性 TCAD 建模
网络研讨会
使用 Utmost IV 进行考虑 TCAD 的 SPICE 模型提取：从制造到代理电路建模
Simulation Standard
1200 V 垂直 GaN FinFET 的 TCAD 击穿仿真
网络研讨会
面向全器件尺度 GAA-NS-FET 设计探索与优化的快速集成量子输运解决方案
TCAD 软件授权与支持
许可选项
Victory Omni 以单一年费覆盖除 Interactive Tools 外的所有 TCAD 框架，一次运行一款工具，适用于采购区域内的各个站点。可搭配单项工具的期限授权。Time-Based Licensing 提供一年、两年或三年的租用期限，包含更新和支持。所有授权均通过网络授权服务器浮动分配，虚拟机不能充当该服务器。
安装和操作系统支持
支持 64 位 Linux 以及 Windows 10 和 11。授权由 SFLM 7.4.16.R 或第三方 FlexLM 11.19.2.R 服务器提供，安装指南涵盖从下载、授权设置到注册的全过程。
文档
2025 年基准发行版各工具的发行说明、硬件要求表和安装指南，以及按工具和应用分类的实例。
支持门户
在有效维护合同下提交工单并跟踪至解决。下载内容也位于同一门户。
常见问题
TCAD 仿真用于什么？
在投入晶圆前开展工艺和器件开发。TCAD 仿真在软件中解决原本需要分批试验才能回答的问题：注入剂量变化如何影响阈值电压、器件在哪里击穿，以及为何一种几何结构比另一种漏电更多。它还生成电路设计师所使用的紧凑 SPICE 模型。
工艺仿真与器件仿真有何区别？
工艺仿真复现制造顺序（注入、退火、刻蚀、沉积）并输出器件结构。器件仿真器随后计算该结构在偏置下的行为，从电流—电压和电容—电压曲线到击穿和发热。多数项目同时需要两者：前者定义器件，后者描述其性能。
Victory Process 与 Victory Device 有何区别？
Victory Process 是 Silvaco 的工艺仿真器，将工艺步骤和 GDSII 版图转换为 1D、2D 或 3D 结构。Victory Device 是器件仿真器，在 DC、AC 和瞬态条件下求解该结构，并可在 SPICE 网表中协同仿真。Victory Mesh 通常在两者之间细化网格。
TCAD 仿真的精度如何？
精度主要由校准决定，其影响远大于求解器。使用 Utmost IV 将模型拟合到您的实测芯片数据，再用未参与拟合的数据测试。模型在这些保留数据上的吻合程度，就是您可据以规划的精度。
功率器件应使用哪款 Silvaco 工具？
Victory Process 配合 Victory Device，通常采用 3D，因为功率器件的击穿取决于几何结构，而 2D 截面可能无法准确表示。这也是 Vicor 将功率器件建模转向 3D Victory TCAD 的原因。Victory Mesh 细化结构，Utmost IV 将实测器件转换为 SPICE 模型。
Silvaco TCAD 是否支持 SiC 和 GaN？
支持。Victory Process 包含经校准的碳化硅氧化模型，Victory Device 的材料参数同时涵盖硅和化合物半导体。SK Powertech 于 2023 年采用它开展 SiC 功率器件工作，Wavetek 将其用于 GaN 连接器件，Fraunhofer ISIT 则与 Silvaco 合作开展 GaN 工作。
哪些工具取代了 Athena 和 Atlas？
在 Silvaco 当前的 TCAD 流程中，Victory Process 处理制造步骤，Victory Device 处理电学行为。Victory Device 可接受旧版 Atlas 输入，因此现有输入文件可以迁移，而无需从零重建。
Silvaco TCAD 可使用哪些晶圆代工厂 PDK？
无需 PDK。Silvaco TCAD 从工艺描述和版图出发，而非依赖代工厂套件，因此团队可模拟尚无 PDK 的工艺。代工厂套件在电路设计侧对 Silvaco 的模拟与定制 IC 工具很重要，公开示例涵盖 X-FAB、Tower Semiconductor、ams AG 和 YITOA 工艺。
能否在 GPU 上运行 Silvaco TCAD？
Silvaco 在设计 TCAD 求解器时考虑 GPU 和 CPU 性能，旨在每次运行中检查更多设计空间。GPU 的帮助程度取决于工具和仿真类型，因此请与应用工程师确认具体情况。2026 年宣布的 NVIDIA 合作将这项工作扩展到基于物理的数字孪生。
Silvaco TCAD 是否可用于大学研究？
提供学术授权，区别于商业授权：低成本研究授权、教学课程包，以及覆盖所有框架的 TCAD Academic Omni License。授权包含更新。已有超过 200 所大学参与，任何经认证且可授予学位的机构均可通过 University Program 申请。