微電子工藝和器件仿真實驗課程體系的建設

張 林， 汪貴平， 閆茂德， 邱彥章， 李清華(長安大學 電子與控制工程學院，西安，710064)

0 引 言

微電子專業(yè)是典型的基礎理論深厚又與應用結(jié)合緊密、涉及的知識面廣同時技術更新又快的專業(yè)。為了增強就業(yè)競爭力和深造潛力，要求學生不僅需要扎實的基礎理論知識、豐富的實踐能力又要對新技術有一定的了解。但是由于學科的特點，微電子及相關專業(yè)的本科專業(yè)實驗對硬件條件要求較高。特別是微電子工藝和器件在微電子專業(yè)的知識體系占有重要的地位，所對應的產(chǎn)業(yè)在微電子的產(chǎn)業(yè)鏈中也扮演著關鍵的角色；因此相關的課程一直是微電子本科專業(yè)的核心課程，同時也是教學中的難點[1-5]。

微電子工藝和器件課程涉及的理論知識艱澀抽象、知識量大、與其他課程聯(lián)系緊密。這一系列課程迫切需要內(nèi)容豐富、形式靈活、設計巧妙的實驗環(huán)節(jié)輔佐理論教學，以加深學生對理論知識的理解、提升動手實踐能力。但在微電子及相關專業(yè)本科生的培養(yǎng)中，系統(tǒng)而豐富的工藝和器件實驗課程建設一直是學科建設的難點[6-11]。

1 通行實驗方法存在的問題

目前較通行的微電子及相關專業(yè)的本科生實驗是設置一個類似于“微電子專業(yè)實驗”的實驗課程，以硬件實驗為主的方式集中開展，實驗內(nèi)容一般包括：材料缺陷的觀察、材料導電類型測試、HALL效應測試、CV測試、PN結(jié)結(jié)深測試、晶體管電學特性測試等。按這種方法設置實驗課程的好處是在一個實驗設備齊全的專業(yè)實驗室的支撐下，可以集中完成實驗。同時這種實驗設置方式也存在以下的問題：

(1) 實驗集中開展，與課堂授課脫節(jié)。雖然上述實驗內(nèi)容可以涵蓋多門課程的知識點，但實驗開展時間與理論授課難以緊密銜接，學生很難在實驗過程中對照理解相應理論知識。受限于硬件條件和學科特點，很多重要的課程知識也難以設計成對應的實驗，不利于提升學生的學習興趣。

(2) 微電子工藝和器件類課程實驗內(nèi)容偏少，開展難度較大。相關的實驗環(huán)境建設花費高昂，比如工藝實驗所需的超凈環(huán)境以及光刻機、濺射鍍膜機、刻蝕機、退火爐等設備，器件測試所需的半導體參數(shù)測量儀、橢偏儀等設備售價動輒數(shù)萬甚至數(shù)百萬元，尤其是工藝設備還需要持續(xù)的耗材和維護費用。同時，上述設備的操作復雜，往往只能由專業(yè)人員操作和演示。這些困難導致在知識結(jié)構中占重要比重的工藝和器件課程難以系統(tǒng)的開展實驗。

(3) 實驗內(nèi)容陳舊固定，形式單調(diào)。受限于建設經(jīng)費和管理制度等方面的原因，目前大部分高校設置的微電子實驗課程內(nèi)容都比較固定，難以根據(jù)技術的發(fā)展及時更新。加之部分實驗過程枯燥、內(nèi)容乏味，缺乏趣味性和開放性，影響了實驗效率和教學效果。

針對上述的問題，本文經(jīng)過探索和實踐，提出了采用仿真技術建設和完善本科生器件和工藝類實驗，以加深學生對理論知識的理解，提升學生的實踐能力。

2 仿真技術在工藝和器件類實驗中的應用

半導體工藝和器件仿真軟件(如Silvaco、Sentaurus等)根據(jù)工藝和物理模型，通過數(shù)值求解的方法可以準確模擬微電子工藝流程和器件的電學特性。在產(chǎn)業(yè)和科研界，此類軟件可用于驗證工藝和器件設計、開發(fā)新工藝和新器件結(jié)構而得到了廣泛的應用。將工藝和器件仿真軟件應用到本科教學中，可以有效彌補現(xiàn)有工藝和器件類課程實驗缺失的環(huán)節(jié)，對于建立可以系統(tǒng)對應專業(yè)課程知識的實驗課程體系，并縮短實驗時間、降低實驗成本、減輕實驗對硬件條件的依賴等都具有重要意義[12-16]。采用仿真軟件，可以開展下列類型的實驗：

(1) 演示性實驗。通過仿真的方法可以快速呈現(xiàn)不同工藝流程和參數(shù)下的工藝結(jié)果，以及不同結(jié)構參數(shù)、偏置狀態(tài)等條件下器件輸出曲線及能帶、電流、電場、載流子濃度等物理量器件內(nèi)部的分布，具有直觀、生動、形象的特點。通過對演示內(nèi)容的巧妙設計，可以有效輔佐課堂教學，加深學生對理論知識的理解，提升學習興趣。

(2) 驗證性實驗。課堂講解工藝原理和器件工作機理時，往往會直接引入或者推導大量的公式，這些公式往往是經(jīng)驗公式或基于物理過程的解析建模。這些內(nèi)容往往是教學中的難點，教師講解起來晦澀，學生理解起來困難。雖然可以通過布置作業(yè)的方式加深學生的理解，但學生往往還是難以從物理機理層面理解公式的含義。如果可以讓學生分析仿真的結(jié)果，并對比解析模型的計算結(jié)果，或者調(diào)整不同參數(shù)以觀察對仿真結(jié)果的影響，就可以有效加深學生對相關理論知識的理解。

(3) 設計性和綜合性實驗?；谟布l件的工藝和器件類設計性和綜合性實驗的開展門檻很高，如果應用仿真軟件，就可以參照已經(jīng)普遍開展的電路仿真的實驗思路，通過對實驗內(nèi)容的巧妙設計，開展大量的設計性和綜合性的工藝和器件類實驗，以串聯(lián)不同課程的知識點，提升學生對專業(yè)知識的理解和融會貫通的能力。

但同時，采用仿真軟件開展本科實驗課程也存在一些問題，其中最主要的問題是相關的仿真軟件大都是面向?qū)I(yè)研究或者工程人員設計的，使用難度較大。如何讓本科生快速入門，掌握軟件使用的同時深入理解仿真內(nèi)容所對應的物理內(nèi)容，是保證實驗效果的關鍵。這需要授課教師根據(jù)學生的知識結(jié)構編寫相應的教材，并對實驗內(nèi)容進行精巧的設計。

3 典型教學案例

根據(jù)上面的思路，作者設計了一系列的仿真實驗，下面列舉了幾方面的典型教學案例：

(1) 演示性實驗

案例1在“微電子器件”課程中，講解平衡PN結(jié)特性時，主要是講解耗盡區(qū)的電學特性，在畫能帶、電場的分布時，也將耗盡區(qū)突出顯示；而講解偏置狀態(tài)的PN結(jié)時，又說明耗盡區(qū)很薄，能帶和電流在耗盡區(qū)中的變化可以忽略。上述內(nèi)容給學生的理解帶來了較大的困難，如果在講解時輔以仿真軟件獲得的不同偏置條件下的PN結(jié)能帶圖和載流子分布圖，就可以非常形象的向?qū)W生演示擴散區(qū)和耗盡區(qū)的尺度以及相關物理量在不同位置的變化，既便于講解也易于學生理解。

案例2在“微電子器件”課程中，在講解MOSFET工作原理和電學特性時，將導電溝道視為一個形狀接近“矩形”或者“三角形”的電阻；而計算閾值電壓時，又忽視溝道層的電荷量，造成學生理解上的困難。如果在講解時輔以仿真得到的載流子濃度在空間上的分布，就可以很形象的向?qū)W生演示反型層載流子濃度在深度方向上的濃度變化，讓學生對反型層的厚度和MOSFET的特性有更直觀的認識。

(2) 驗證性實驗

案例1在“半導體工藝”課程中，不同摻雜類型的對比是重點，尤其是擴散工藝和離子注入工藝形成摻雜分布的不同。但這些內(nèi)容在講解時往往只能定性分析，或者直接給出公式。雖然可以結(jié)合其物理原理進行講解，但仍顯得過于抽象。如果讓學生仿真不同工藝參數(shù)的擴散和離子注入單步工藝，觀察形成的摻雜濃度和深度分布，然后指導老師再根據(jù)仿真結(jié)果講解一下學生選用工藝參數(shù)的合理性并溫習下工藝原理，就可以獲得良好的教學效果。

案例2在講解半導體工藝時，往往以一個典型的MOSFET作為例子詳解工藝流程，但講解過程相對枯燥乏味，難以引起學生興趣，特別是其中某些關鍵工藝參數(shù)對器件結(jié)構的影響更是抽象。如果讓學生自己完成一次MOSFET的工藝流程，觀察每一步工藝后形成的器件結(jié)構，并比較不同關鍵工藝的參數(shù)形成的器件結(jié)構的區(qū)別，就可以讓學生留下深刻的形象。

(3) 設計性和綜合性實驗

案例1版圖是半導體工藝和集成電路設計的接口，也是微電子專業(yè)實驗中的重要內(nèi)容，但傳統(tǒng)的版圖實驗大都僅基于數(shù)字集成電路的設計，難以將版圖的知識與工藝聯(lián)系起來。學生往往將版圖理解為特定規(guī)則的“繪圖”，而無法理解版圖中蘊含的工藝思想。如果讓學生先繪制一個反相器的版圖并采用后仿真獲得電學特性，再在仿真軟件中生成相同結(jié)構的器件并仿真獲得瞬態(tài)特性，將兩種方法獲得的結(jié)果進行比較并分析是什么原因造成的結(jié)果差異，就可以讓學生深刻的理解版圖與工藝間的關系。

案例2在微電子及相關專業(yè)的選修課中，往往有類似功率半導體器件、光電子器件等相關內(nèi)容的課程。這些課程內(nèi)容與應用結(jié)合緊密，對擴展學生的知識面具有重要意義。但同時這些課程的理論部分是“微電子器件”等課程的延伸和深入，相對更為艱澀。開展實驗時，工藝實驗門檻太高，測試實驗又難以深入反映物理機理。但如果開展仿真實驗，就可以較好地解決該矛盾。以功率器件為例，讓學生用仿真的方法將一個典型的長溝道MOSFET的結(jié)構改造成一個典型的VDMOS結(jié)構，對比輸出特性的變化，并提取開態(tài)電阻和擊穿電壓，再根據(jù)器件特性隨關鍵結(jié)構參數(shù)的變化提出優(yōu)化設計方案。通過這個實驗，即可讓學生對功率器件的工作機理、設計方案和優(yōu)化設計有深入的認識。

4 實踐效果

根據(jù)上述的方案，作者設計了一系列的課程實驗、課程設計和綜合實驗，并應用到電子科學與技術專業(yè)的2011～2013級學生的本科教學中。共開展課程實驗16學時，課程設計一個(兩周)及綜合實驗一個(兩周)。經(jīng)過3年的建設與調(diào)整，已經(jīng)建成了一個與硬件實驗互補、知識面覆蓋所有相關專業(yè)課程的實驗課程體系。

通過對實驗效果的調(diào)研，同學們普遍反映實驗的設置難度適中、開放性強、趣味性強。根據(jù)對后續(xù)課程的觀察和調(diào)研，上述實驗的開展對于增強學生的實踐動手能力和自學能力、提升對相關課程的學習興趣具有明顯的效果。

5 結(jié) 語

形式豐富、內(nèi)容充實的實驗是提高實驗教學效果的關鍵，但由于微電子工藝和器件類課程實驗對于硬件條件的要求較高，并不是每所高校都具備相應的條件。采用仿真技術，可以解決對硬件條件的依賴，開設內(nèi)容豐富、開放性強的各類實驗，滿足本科教學的要求。仿真實驗既可以作為硬件實驗的有效補充，也可以單獨開設。但同時，由于軟件仿真自身的特點，為了讓學生從仿真實驗中提高實踐能力，須對實驗內(nèi)容的設計提出較高的要求。

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