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TCAD亦即TechnologyCAD，指的是采用计算机模拟开发和优化半导体工艺技术和半导体器件。TCAD模拟工具解算基本的物理偏微分方程，例如扩散和传输方程。这种底层的物理方法使得TCAD模拟可以产生具有预测价值的结果（主要指精度可以与试验结果相近）。
因此，在开发新的半导体器件或工艺时，有可能采用TCAD计算机模拟部分代替昂贵而且耗时的测试晶圆（Wafer Test）。
TCAD模拟在半导体工业界被广泛使用。随着技术变得越来越复杂，半导体工业界愈发依赖于TCAD以降低成本，并加速研发进程。另外，半导体制造商采用TCAD进行成品率分析，亦即：监测、分析和优化其IC工艺流程，分析工艺起伏的影响。
TCAD主要功能
工艺模拟
在工艺模拟时，基于各种物理方程（不同的工艺步骤对应不同的物理方程）模拟诸如刻蚀、淀积、离子注入、热退火和氧化等各种工艺步骤。被模拟的晶圆被离散化，表现为一种有限元结构（见图1）。
例如，在模拟热退火时，在该网格上解算每种杂质的扩散方程。对于氧化模拟，基于氧气的扩散、边角处的机械应力等模拟SiO2的生长。
器件模拟
器件模拟可以被想象为半导体器件（如晶体管或二极管）电特性的虚拟测量。器件被描绘成离散化的有限元结构。器件的每个网格点都有相应的性质与之关联，例如材料的种类和掺杂浓度。器件模拟其实就是计算每一个网格点的载流子浓度、电流密度、电场、产生和复合速率、等等（见图2）。
电极被描绘成多个区域（are represented as areas），在每个区域施加边界条件，例如电压。器件模拟器解算泊松方程和载流子连续性方程（也可能是其它方程）。在解算完这些方程之后，可以提取触点（contacts）处的电流（见图3）。
TCAD工具集
1.Sentaurus Workbench
一个可视化的集成环境，其直观的GUI可用于设计、组织和运行模拟。各种模拟以工程的形式进行组织。一个完整的模拟流程通常包括多个工具，例如工艺模拟器Sentaurus Process，网格化工具mesh，器件模拟器Sentaurus Device，绘图和分析工具nspect。
Sentaurus Workbench自动管理从一个工具到另一个工具的信息流。包括用户输入文件的前处理、参数化工程、工具的设置和执行以及结果的查看。
Sentaurus Workbench允许用户定义参数和变量以运行复杂的参变量分析。采用数学和逻辑表达式对模拟的输入文件进行动态前处理。模拟的结果可输入到统计分析软件和电子表格软件。
2.Ligament
Ligament是TCAD工艺模拟的一个通用接口。利用Ligament，可以在一个更高的抽象层次上设置和执行TCAD模拟。自动产生模拟程序的输入文件。Ligament被集成在SWB中，可以与所有的Sentaurus模拟程序协同工作。开放式的架构允许用户对命令和模拟转换模块进行定制化的修改和添加。
Ligament流程编辑器
Ligament流程编辑器提供一个方便的GUI用于工艺流程的创建和编辑。采用宏（包括用户定义的局部宏和Ligament工具库中定义的全局宏）装配一个工艺流程。
Ligament采用SPR（Simple Process Representation）语言，独立于任何特定工艺模拟器的语法。
Ligament版图编辑器
Ligament版图编辑器提供一个GUI用于创建和编辑版图。Ligament版图编辑器是EDA版图工具和TCAD之间的一个接口，可用于定义一维、二维或三维模拟区域或者进行版图的参数化拉伸（例如在Vt roll-off模拟时）。Ligament版图编辑器支持GDSII和GIF格式的外部版图。
3.Sentaurus Process
Sentaurus Process是一个完整的和高度灵活的多维工艺模拟环境。采用验证过的（proven）校准方法面向大量的最新实验数据进行校准，SentaurusProcess可以为现代Si工艺和非Si工艺提供空前的预测能力。
Sentaurus Process基于最初由Florida大学开发，现在广泛使用的软件。Synopsys强化了该软件的一些特性，将Sentaurus Process从一个广泛使用的研究工具转换成一个快速且健壮的（robust）工业软件。与Synopsys的工艺模拟器Dios完全兼容。
增强的部分包括：一个与SDE的接口，用于三维刻蚀和淀积；一个模拟SiGe和应变Si的晶格失配模型；基于Crystal-TRIM的MonteCarlo注入；先进的校准注入表；解析的注入和损伤模型；代表最新发展水平的扩散模型。另外，还有一个基于levelset方法的被称为MGOALS的网格化模块。MGOALS、高质量的各向异性网格和高性能的求解程序PARDISO结合在一起，形成了优秀的效率和鲁棒性。
Sentaurus Process中使用的Alagator脚本语言允许用户快速开发新的扩散模型，使得Sentaurus Process成为一个十分方便的校准工具。
4.Sentaurus Structure Editor(SDE)
SDE是一个二维和三维器件编辑器以及三维工艺仿真器。具有三种截然不同的工作模式：二维结构编辑、三维结构编辑和三维工艺仿真。几何和工艺仿真操作能够自由混合。
利用GUI，采用二维或三维元件（例如：矩形、多边形、立方体、圆柱体、球体）以几何形式创建二维和三维器件。也可通过对二维对象进行简单的挤压（extrusion）或者使二维对象沿某条路径进行扫描从而获得三维结构。
在工艺仿真模式下（Procem），SDE将工艺步骤（例如刻蚀和淀积）转换成几何操作。Procem支持各种选项，例如各向同性和各向异性刻蚀、淀积、圆化、混合（blending），以考虑特殊的工艺效应。
SDE提供最先进的可视化能力。结构以其创建的方式进行显示（所见即所得），功能强大的视图过滤使得可以选择一个子集进行查看或者使特定的区域变得透明。
交互式地定义掺杂分布和网格化策略。布局以半透明的方框进行显示，以方便确认。支持网格生成工具Mesh和Noffset3D的所有掺杂和网格化选项。
GUI还包含一个命令窗口，在该窗口中显示与SDE的GUI操作相对应的命令脚本。也可在命令窗口中直接输入脚本命令。
5.Mesh and Noffset3D
Synopsys提供两种最先进的方法用于自动产生网格。Mesh采用基于四叉树/八叉树的方法，产生与坐标轴对齐的网格结构。Noffset3D是fully unstructured，对材料边界处给予了特别的关注。二者均可用于对工艺和器件模拟器的输入进行离散化。工艺模拟的过程中一般网格是不断调整的，而器件模拟的过程中网格一般不变。网格不仅针对几何结构进行自适应调整，而且针对掺杂浓度进行自适应调整以考虑那些高浓度梯度的地方。
6.Sentaurus Device
SDevice模拟半导体器件的电、热和光性能。是业界领先的器件模拟器，可以处理一维、二维和三维几何结构以及混合模拟。包含一个复杂的物理模型集合，适用于所有相关的半导体器件和工作条件。
Sentaurus Device可以在研发的早期用于对器件进行评估、优化、提取SPICE模型和统计数据。Sentaurus Device的应用包括：VDSM硅，Sentaurus Device被证明在100nm以下工艺均相当精确；SOI器件，Sentaurus Device具有可靠的收敛性和精度；双栅和FinFET器件，实现了量子传输；SiGe；薄膜晶体管；光电子；异质结HEMT和HBT；功率和RF半导体器件。
7.Tecplot SV
Synopsys集成了Tecplot（一个用于科学可视化的专用软件），并对其进行了定制。Tecplot公司是一家历史悠久的提供高质量工程和科学可视化工具的公司。Tecplot SV是一个绘图软件，具有强大的二维和三维功能，可用于查看模拟和实验数据。Tecplot SV代表了最先进的科学可视化。除此之外，Tecplot SV还可用于研究和分析数据，产生二维和三维视图，产生具有演讲质量的图表和动画，以及在Web上共享结果。Tecplot SV的通用性和高质量输出使用户可以获得所需的任何类型的图表。
8.Inspect
Inspect 是一个 x-y 数据的绘图和分析工具，例如半导体器件的掺杂分布和电特性。GUI 使得用户可以快速获得所需的曲线。脚本语言和数学函数库使得用于可以对曲线进行计算，从曲线中提取所需的数据：例如阈值电压。提出的数据可以返回 Sentaurus Workbench 用于更深层次的应用。
9.Calibration Kit
Calibration Kit 是一个扩展了 Sentaurus Workbench 功能的软件包。Calibration Kit 作为一个数据库浏览器（包含二次离子质谱（secondary ion mass spectroscopy，SIMS）数据的校准库），一个模拟和工程管理器。Calibration Kit 辅助用户：
- 完成工艺模拟器（Sentaurus Process，TSUPREM-4，Dios）的有效校准。
- 获得一个评估工艺条件的快速、精确和可靠的方法。
- 理解工艺对各种控制参数的敏感性。
Calibration Kit 允许用户对工艺设备参数对器件电特性的影响进行一个具有预测价值的分析，从而使得用户可以高效地优化设备。
🤗 总结归纳
详细的介绍了TCAD中每个部分的功能和具体的能力，为后续学习TCAD做一个整体的了解。
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