《微電子工藝及器件仿真》課程教學(xué)方法研究

劉興輝+康大為

摘要：《微電子工藝及器件仿真》是在創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量的背景下，為增強微電子專業(yè)本科生的創(chuàng)新精神和實踐能力而開設(shè)的一門專業(yè)課，課程的知識結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)目標(biāo)與行業(yè)需求緊密對接。針對課程綜合性、系統(tǒng)性和應(yīng)用性強、學(xué)生不易掌握的特點，采用精講多練的授課模式：在講授環(huán)節(jié)，教師對仿真文件中的仿真規(guī)則、關(guān)鍵語句、物理模型及需要采用的處理方法進行重點闡述，同時使用案例式教學(xué)法，便于學(xué)生掌握仿真要領(lǐng)；在練習(xí)環(huán)節(jié)，借助于翻轉(zhuǎn)課堂模式和提供開放實驗室，增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力并訓(xùn)練修正反饋、舉一反三等多維能力，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：工藝及器件仿真；案例教學(xué)；翻轉(zhuǎn)課堂；修正反饋

中圖分類號：G642.4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）01-0215-03

按照《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高[2012]4號）、《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》（國辦發(fā)[2015]36號）和《教育部、國家發(fā)展改革委、財政部關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》（教發(fā)[2015]7號）的文件精神，高等學(xué)校的人才培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)逐步向集知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高相融合的方向轉(zhuǎn)變。為深化本科教學(xué)改革，培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才，教師授課應(yīng)突出把握創(chuàng)新型課堂教學(xué)[1]、引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新性自主學(xué)習(xí)[2]兩個重點。

當(dāng)今，微電子和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，已成為支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，這為高等學(xué)校微電子及相關(guān)專業(yè)如何培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、且與行業(yè)需求緊密對接的人才提出了更高的要求。具體來說，對知識的傳授應(yīng)以工程實踐能力培養(yǎng)為主線[3]，實現(xiàn)學(xué)生在知識結(jié)構(gòu)、能力及素質(zhì)等方面能夠適應(yīng)行業(yè)需求。

《微電子工藝及器件仿真》是利用計算機輔助設(shè)計工具實現(xiàn)微電子工藝虛擬制造、器件性能驗證、預(yù)測以及電參數(shù)提取的一門課程。該課程將《半導(dǎo)體物理》、《半導(dǎo)體器件物理》、《半導(dǎo)體工藝》等專業(yè)理論知識和微電子行業(yè)實際生產(chǎn)制造有效銜接。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，一方面，可充分理解專業(yè)知識在微電子行業(yè)中的具體應(yīng)用，能夠強化理論教學(xué)效果。另一方面，仿真可部分取代耗費成本的流片實驗、降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期以及提高成品率。

為使學(xué)生更好地掌握該課程要點，探索合適的教學(xué)方法是必不可少的。然而，沒有哪種教學(xué)模式和方法是適合所有科目、所有學(xué)生的。一種好的教學(xué)方法應(yīng)該是針對課程的內(nèi)容和特點，在實踐中總結(jié)出來的。

一、《微電子工藝及器件仿真》課程的特點

微電子工藝指的是微電子器件和集成電路制造過程中所涉及的氧化、擴散、淀積、光刻等一系列工藝流程。每項流程的仿真都是基于一定的數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)[4]，仿真中按實際生產(chǎn)工序，可使用特定關(guān)鍵詞調(diào)用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型去模擬每一個分步工藝，最終實現(xiàn)虛擬制造。微電子器件仿真通過分析電學(xué)特性以驗證器件結(jié)構(gòu)是否正確，或借助于仿真去設(shè)計帶有新結(jié)構(gòu)、新材料的器件，仿真也能夠用于提取電參數(shù)、或提出簡約模型以用于電路仿真。

該課程側(cè)重專業(yè)知識的系統(tǒng)和綜合運用能力，學(xué)生只有將先修課程中所學(xué)的知識系統(tǒng)、靈活地運用，并根據(jù)工藝和器件仿真的文件的編寫規(guī)則和仿真要領(lǐng)，才能順利實現(xiàn)仿真文件的編寫，進而完成仿真工作，單純的理解原理無法滿足課程的需要。例如：在半導(dǎo)體工藝仿真中涉及的刻蝕速率控制法，如何調(diào)整刻蝕參數(shù)去控制各向異性刻蝕的形狀和速率，在刻蝕側(cè)墻和溝槽的時候，如何控制側(cè)墻厚度和溝槽的形狀，需要積累經(jīng)驗。在器件仿真時，要用到物理模型定量計算，例如，遷移率和哪些因素有關(guān)？復(fù)合機制和哪些因素有關(guān)？對于MOS器件，怎樣考慮硅/SiO2界面遷移率下降的影響？重?fù)诫s導(dǎo)致半導(dǎo)體帶隙變窄對其有效本征態(tài)密度有什么影響？

仿真中會涉及先修專業(yè)課程未涵蓋的內(nèi)容。例如，在納米器件中，由于電場變化快，電子遷移率和擴散系數(shù)不再是電場的定域方程，因而傳統(tǒng)的擴散漂移模型不再適用，需要采用更精確的流體力學(xué)傳輸模型。若考慮量子尺寸效應(yīng)的影響，還需采用密度梯度模型。再如，如何修改參數(shù)文件和庫文件，以擴展軟件功能，實現(xiàn)新材料和新器件的研究；混合模式仿真中要用到SPICE語句去描述電路結(jié)構(gòu)，需要補充SPICE知識。

二、探索有效教學(xué)模式

針對該課程綜合性、系統(tǒng)性和應(yīng)用性強的特點，將課堂時間分成兩部分，一部分時間由教師精講核心知識點即仿真文件的編輯規(guī)則和語法，然后通過采用案例式教學(xué)，將所講授的知識具體化、直觀化和實例化，便于學(xué)生接受；而課堂另一部分時間采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，在課下通過開放實驗室，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

1.精講核心內(nèi)容。實現(xiàn)微電子工藝及器件仿真需要借助于軟件平臺，不同軟件其仿真流程大體一致，但仿真文件的語法不同。目前主要商用仿真軟件包括：Silvaco和Sentaurus（ISE_TCAD10.0的升級版），《微電子工藝及器件仿真》授課中使用的軟件為ISE_TCAD10.0。

對于半導(dǎo)體工藝仿真，重點講解仿真文件的框架結(jié)構(gòu)和工藝語句描述方法。框架結(jié)構(gòu)語句包括：仿真初始化命令，定義用戶網(wǎng)格，襯底參數(shù)描述，仿真過程的可視化和圖形刷新命令，定義電極位置及初始電壓，保存文件命令，仿真結(jié)束語句等。對于工藝描述語句，可用“所見即所得”的原則來概括。例如描述氧化的命令為：氧化（所需時間，施加的溫度，加入的氣體種類），括號前的氧化稱為關(guān)鍵詞，括號內(nèi)的內(nèi)容為描述氧化的參數(shù)。由于在ISE-TCAD10.0中，用Diffusion關(guān)鍵詞來表示所有的高溫工藝，則按照“所見即所得”的原則，可寫出diffusion（time=10min， temperature=900deg，atmosphere=O2）表示氧化（時間10分鐘，溫度900度，所加氣氛為氧氣）?？蚣芙Y(jié)構(gòu)語句與工藝描述語句有機結(jié)合，就組成工藝仿真文件。

器件仿真文件需要滿足一定的規(guī)則，仿真單個器件，仿真文件通常由六段構(gòu)成，分別為：定義輸入輸出文件、定義電極、定義物理模型、儲存計算變量、定義數(shù)學(xué)算法以及方程求解。對于混合模式仿真，由于電路中除包含若干器件外，還有電容、電阻以及它們和器件之間的連接關(guān)系，因此需要增加system節(jié)，利用SPICE語句進行電路連接關(guān)系描述。對于交流小信號分析、擊穿特性仿真等都需要有特定的處理方法。

2.案例教學(xué)法。由于仿真文件中涉及的語句和規(guī)則較多，為了將仿真流程講解透徹，使學(xué)生容易上手，案例式教學(xué)模式是非常有效的手段。在此，以0.18μm的NMOS場效應(yīng)管的輸入-輸出特性仿真為例進行說明。

按照分立器件仿真文件的組成結(jié)構(gòu)，首先要給出輸入文件（定義器件結(jié)構(gòu)和摻雜信息），并定義輸出文件，以存儲輸出的計算變量和計算得到的電學(xué)數(shù)據(jù)。在定義電極時，強調(diào)NMOS管的源極、漏極、柵極的名字要和工藝仿真文件中的相對應(yīng)。對各電極賦值初始電壓，同時注意對于NMOS和PMOS多晶硅柵功函數(shù)不同。在物理機制一節(jié)中，考慮遷移率的摻雜濃度相關(guān)性，高電場時的飽和性，還需考慮Si/SiO2界面的垂直電場導(dǎo)致遷移率下降的影響，同時考慮硅能隙窄化模型，它決定本征載流子濃度。如果Si/SiO2界面附近的SiO2中存在電荷，還要考慮材料界面處的物理機制。在繪圖模塊中，定義所有的計算變量，例如：電子和空穴濃度、電勢、空間電荷、電場、電子遷移率等等。在數(shù)學(xué)模塊中，定義器件仿真時用到的算法，包括仿真器類型、仿真誤差標(biāo)準(zhǔn)控制、迭代次數(shù)的設(shè)置等。在求解模塊中，定義求解所使用的泊松方程，電子連續(xù)性方程，以及掃描步長的設(shè)置和目標(biāo)電極電壓的設(shè)定等。最后的仿真結(jié)果可通過看圖軟件直觀地看到。整個流程結(jié)束，學(xué)生對NMOS器件的仿真流程感受非常直觀，所得到的輸入-輸出特性曲線和以前理論課程中學(xué)過的完全一致，學(xué)生明確地感受到了仿真的魅力所在。

3.翻轉(zhuǎn)課堂及開放實驗室。將翻轉(zhuǎn)課堂[5]形式和開放實驗室作為教師精講和案例教學(xué)的重要補充，目的是將時間交還給學(xué)生，突出學(xué)生課程學(xué)習(xí)中的主體地位。教師在核心內(nèi)容講解和案例教學(xué)之后，每次拿出課程的一半時間，布置與講授內(nèi)容相關(guān)的練習(xí)題目，學(xué)生以小組為單位上機練習(xí)，通過參考所學(xué)案例，結(jié)合個人的知識儲備，通過相互協(xié)作配合，去完成特定的題目，教師只起到輔助作用，從而實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的效果。

例如：學(xué)生在學(xué)習(xí)了仿真二極管電學(xué)特性的案例之后，應(yīng)有能力去分析類似于突變PN結(jié)在平衡態(tài)或一定的正偏和反偏電壓條件下的能帶結(jié)構(gòu)。這需要利用MDRAW軟件設(shè)計一個PN結(jié)結(jié)構(gòu)及定義摻雜分布；并對器件必要的位置進行網(wǎng)格加密；編輯器件仿真文件，并在終端下運行，最后應(yīng)用看圖工具查看相應(yīng)的結(jié)果。對于施加偏壓時的均勻摻雜PN結(jié)，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)仿真得到的P區(qū)和N區(qū)能帶圖中導(dǎo)帶底和價帶頂并不是平直的，這與《半導(dǎo)體物理》及《半導(dǎo)體器件物理》等教材中給出的圖像不同，但又找不到問題所在，會感到很困惑。經(jīng)過大家互相啟發(fā)、探討，最終發(fā)現(xiàn)了差異的根源：在理論課中由于假定了P型和N型區(qū)的電導(dǎo)率足夠高，忽略了中性區(qū)內(nèi)串聯(lián)電阻的存在，屬于近似結(jié)果；而在仿真中，物理模型考慮了串聯(lián)電阻的存在，比較而言更接近實際結(jié)果。學(xué)生通過自己的努力找到了問題的答案，升華了對理論知識的理解，進而提高了學(xué)習(xí)興趣，增強了自信心。

再比如，對由兩個NMOS管和兩個PMOS管構(gòu)成的二端輸入二端輸出的或非門電路進行仿真，這是一個混合模式仿真訓(xùn)練。教師通常會給出一個帶有錯誤電路連接關(guān)系的仿真程序，學(xué)生運行此程序并根據(jù)已有儲備知識判斷結(jié)果正確與否，如果有錯誤，如何修正。學(xué)生以小組為單位，分工合作，每個學(xué)生都承擔(dān)一段程序的排查任務(wù)，以找出問題所在，如果問題沒得到解決，會交換各自所承擔(dān)的排查任務(wù)，直到最終找到問題，以此鍛煉了學(xué)生的修正反饋能力和分工協(xié)作能力。

在課后時間里，通過開放實驗室為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)機會。學(xué)生可按照案例所示的仿真流程，進行舉一反三能力的訓(xùn)練。例如，根據(jù)NMOS工藝流程仿真程序，學(xué)生可進行PMOS工藝仿真練習(xí)；根據(jù)MOS管I-V特性仿真方法，學(xué)生可仿真MOS管的轉(zhuǎn)移特性。該課程是一門應(yīng)用性很強的課程，因此除了理論課外，還設(shè)定了12個題目的上機實驗，學(xué)生需要在規(guī)定時間內(nèi)完成這些實驗并撰寫實驗報告，以任務(wù)為驅(qū)動，進一步鍛煉解決實際問題的能力。

三、結(jié)論

微電子工藝及器件仿真在微電子和集成電路的設(shè)計研發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用，《微電子工藝及器件仿真》課程的設(shè)置是與行業(yè)需求相呼應(yīng)的。針對課程綜合性、系統(tǒng)性和應(yīng)用性強的特點，教師授課采用精講多練的模式，同時使用案例式教學(xué)法增強學(xué)生對仿真流程的直觀感受，便于掌握仿真要領(lǐng)；在練習(xí)環(huán)節(jié)，借助于翻轉(zhuǎn)課堂形式和提供開放實驗室，增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力并訓(xùn)練修正反饋和舉一反三、團隊協(xié)作配合等多維能力。

近年來，學(xué)生運用所學(xué)的工藝和器件仿真方法，或參與“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練”項目，或進行課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計，既強化了實訓(xùn)技能，又有效增強了創(chuàng)新思維和能力。當(dāng)然，仿真所涉及的知識點非常廣泛，僅僅在規(guī)定教學(xué)時間內(nèi)，學(xué)生無法掌握仿真全部精髓，在必要的情況下，拓展學(xué)習(xí)是必要的。

最后需要強調(diào)的是，學(xué)生是課程學(xué)習(xí)的主體，學(xué)習(xí)興趣和目標(biāo)導(dǎo)向是影響學(xué)習(xí)效果的主要因素。教師在教學(xué)中要注意引導(dǎo)，通過分析行業(yè)特點和就業(yè)趨勢，培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)可度，這樣才能進一步調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)效果。

參考文獻：

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Research on the Teaching Method of "Microelectronics Process and Device Simulation"Course

LIU Xing-hui，KANG Da-wei

（College of Physics，Liaoning University，Shenyang，Liaoning 110036，China）

Abstract："Microelectronic process and device simulation" is a professional course to enhance the innovative spirit and practical ability of undergraduate in microelectronics specialty under the background of innovative talents training quality.The knowledge structure and the training goal of the curriculumclosely relates to the social requirements. In view of comprehensive，systematic and practical features of the curriculum，in order to facilitate students' understand，"less teaching and more practice" teaching mode is used. In teaching process，teacher elaborate simulation rules，key program statements，physics model and special treatment method，at the same time，in order to facilitate students to master the simulation essence，the case teaching method is adopted；In the student practice sessions，with the help of the flipped classroom mode and providing open laboratory，to enhance their multidimensional capability，such as autonomous learning，corrective feedback，draw inferences，etc. The teaching effect can be effectively improved.

Key words："Microelectronics process and device simulation"；case teaching；Flipped Classroom；corrective feedback