MOS場效應晶體管虛擬仿真實驗教學資源建設

李 曼，郭宇鋒，顧世浦，姚佳飛

(南京郵電大學 a.信息電子技術國家級虛擬仿真實驗教學中心;b.電子科學與技術國家級實驗教學中心，江蘇 南京 210023)

當前社會已經進入了信息時代，信息時代的標志是以計算機和互聯網等信息技術的廣泛應用. 而信息技術的基石是微電子技術. 進入21世紀以來，我國把發(fā)展微電子技術放到了國家戰(zhàn)略地位，從2000年的18號文，到2010年的4號文，一直到2015年的《國家集成電路產業(yè)發(fā)展推進綱要》，國家出臺了一系列的政策和措施推動微電子技術的發(fā)展[1].

人才的極度缺乏是當前我國微電子領域面臨的主要問題之一[2]. 為此，從本世紀起，各大高校開始大力加強微電子人才的培養(yǎng)，許多學校都開設了微電子專業(yè)或集成電路工程專業(yè)，2015年，教育部出臺了在高校建設示范微電子學院的文件，掀起了微電子人才培養(yǎng)的又一個高潮.

微電子技術的核心是集成電路技術，而集成電路技術的發(fā)展是以MOS(Metal-oxide-semiconductor)場效應晶體管的出現和集成化為基礎[3-4]. 當前，MOS場效應晶體管的特征尺寸遵循摩爾定律迅速變小，已經由微米進入了納米時代，MOS場效應晶體管的性能是決定集成電路性能的關鍵因素. 因此，MOS場效應晶體管的設計、制造和測試技術是微電子專業(yè)人才培養(yǎng)的必須環(huán)節(jié). 但是由于MOS場效應管的制造和測試需要幾十步工序和上百臺設備，并且必須在超凈環(huán)境下進行，普通高等學校很難有財力來建設和維持大規(guī)模的超凈生產線，如何讓學生在不具備實際加工和測試條件下學習MOS場效應晶體管的設計、制造和測試，是大多數高校微電子專業(yè)實驗教學面臨的難題.

半導體器件的虛擬制造和虛擬測試技術是近10年來微電子工業(yè)界和學術界發(fā)展起來的新技術. 虛擬制造是借助計算機仿真技術，研究給定的器件結構、工藝步驟和工藝參量的條件下半導體器件內部的結構變化和雜質分布，并在計算機上完成晶體管的虛擬加工過程；虛擬測試是借助計算機仿真技術，通過求解器件內部物理方程，獲得不同工作環(huán)境和偏置條件下半導體器件的各種工作特性，從而在計算機上完成晶體管性能的虛擬測量. 虛擬制造和虛擬測試技術已經成為微電子工業(yè)界和學術界開展微電子器件研究的必備手段.

南京郵電大學依托于信息電子技術國家級虛擬仿真實驗教學中心[5-6]和電子科學與技術國家級實驗教學示范中心，面向微電子專業(yè)學生，整合“半導體器件物理”、“集成電路工藝”、“集成電路與CAD”、“微電子器件設計”、“新型微電子器件”和“微電子專業(yè)實驗”等6門課程中的相關知識點，引入工業(yè)界和學術界流行的虛擬制造和虛擬測試技術，開發(fā)MOS場效應晶體管虛擬仿真實驗資源，為創(chuàng)新型、工程型和應用型的微電子專業(yè)人才培養(yǎng)提供優(yōu)質的實驗教學項目.

1 虛擬仿真實驗的教學目標

虛擬仿真實驗教學綜合運用多媒體技術、仿真技術與網絡通信技術等信息技術，結合仿真技術和虛擬現實技術，構建逼真的可視化實驗環(huán)境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全、經濟的實驗活動，從而達到提高自身實踐能力的效果[7-13].

MOS場效應晶體管虛擬仿真實驗教學資源是根據微電子方向教學目標和教學內容，利用現代信息技術，綜合眾多教學資源開發(fā)的教學系統[7]. 通過此系統，學生能夠了解MOS場效應晶體管的制造工藝流程、工藝參量對器件結構和摻雜分布的影響，并掌握采用工藝仿真軟件進行虛擬制造的方法，根據工藝要求編寫相應的程序，通過優(yōu)化工藝參量來實現特定的器件結構；了解MOS場效應晶體管的工作機理、器件結構參量對器件各種電學特性的影響關系，并掌握采用器件模擬軟件進行虛擬測試的方法，編寫電學特性測試的程序，選擇正確的模型和求解方法，通過優(yōu)化器件結構參量來獲得所需要的器件性能指標；掌握工藝、器件和電路聯合模擬的方法，并采用該方法進行材料和物理級的模擬和仿真；有利于培養(yǎng)學生綜合運用所學多門課程的專業(yè)知識解決復雜科學問題和工程問題的能力，并在解決問題的過程中展現出創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神.

2 虛擬仿真實驗教學設計

MOS場效應晶體管虛擬仿真實驗教學資源引入了半導體器件的虛擬制造和虛擬測試理念，基于工藝仿真軟件和器件模擬軟件進行二次開發(fā)，包含教學管理、虛擬制造和虛擬測試3大部分，共17個模塊，如圖1所示. MOS場效應晶體管根據參與導電載流子類型分為NMOS和PMOS，兩者互補組成CMOS(Complementary MOS).

圖1 MOS場效應晶體管虛擬仿真實驗資源架構

2.1 教學管理

教學管理部分共分為4個模塊：基礎知識測試模塊、動畫演示模塊、實驗過程管理模塊與答疑討論模塊.

基礎知識測試模塊：該模塊共設置30道左右的選擇題，對本實驗所涉及的主要知識點以及易于混淆和難于掌握的重點和難點進行測試. 學生可以通過網絡進行解答，系統會根據解答情況進行成績評判.

動畫演示模塊：利用Flash，制作時長45 min的動畫，演示幾種常見的工藝流程. 為了方便演示，在軟件中設置了播放、暫停、前進、后退和停止等功能鍵.

實驗過程管理模塊：一方面用于發(fā)布實驗室開放信息、儀器設備信息、教學大綱、培養(yǎng)方案、演示視頻和網絡課件等各種實驗資源信息；一方面可進行資源共享，實現實驗數據、實驗結果和實驗報告的網絡傳輸，開展網絡化教學.

答疑討論模塊：學生可以通過網絡平臺進行提問、回答和交流討論，教師也可以通過該平臺及時回應學生的提問，并可以提出提高性、開放性的問題供大家討論. 實現了師生之間、生生之間在互聯網環(huán)境下的隨時隨地無障礙交流.

2.2 虛擬制造

虛擬制造部分共分為4個模塊：版圖配置模塊、工藝模擬模塊、圖形顯示模塊與文件接口模塊.

版圖配置模塊：該模塊的功能是對版圖文件進行配置.

工藝模擬模塊：該模塊的功能是模擬NMOS、PMOS和CMOS的工藝流程，包括氧化、粒子注入、光刻、刻蝕、淀積、濺射等各種工藝過程.

圖形顯示模塊：該模塊的功能是顯示各個模擬階段的器件剖面和雜質分布的圖形輸出.

文件接口模塊：該模塊的功能是生成工藝模擬和器件模擬的接口文件，并定于電極.

2.3 虛擬測試

虛擬測試部分共分為9個模塊：結構定義模塊、輸出特性測試模塊、柵特性測試模塊、襯底電流測試模塊、熱擊穿測試模塊、雪崩擊穿測試模塊、自熱效應測試模塊、瞬態(tài)特性測試模塊與CMOS反相器特性測試模塊.

結構定義模塊：該模塊的功能是定義NMOS或PMOS的器件結構. 有2種形式：其一是利用器件模擬軟件的區(qū)域、電極和摻雜定義語句來進行器件結構的定義，其二是直接讀取工藝仿真軟件生成的結構.

輸出特性測試模塊：該模塊進行NMOS或PMOS輸出特性的模擬. 即給定不同的柵壓，模擬隨著漏壓的變化源漏電流的變化關系.

柵特性測試模塊：該模塊進行NMOS或PMOS柵特性的模擬. 即模擬給定不同的漏壓，不同界面電荷下隨著柵壓的變化源漏電流的變化關系.

襯底電流測試模塊：該模塊進行NMOS或PMOS襯底漏電流的模擬. 即給定不同的漏壓，來模擬隨著柵壓的變化襯底電流的變化關系.

熱擊穿測試模塊：該模塊進行NMOS或PMOS在不同溫度下的熱擊穿模擬. 即給定不同的柵壓，來模擬不同環(huán)境溫度下隨著漏壓的變化源漏電流的變化關系.

雪崩擊穿測試模塊：該模塊進行NMOS或PMOS的雪崩擊穿模擬. 即給定不同的柵壓，模擬考慮碰撞電離效應時隨著漏壓的變化源漏電流的變化關系.

自熱效應測試模塊：該模塊進行NMOS或PMOS的自熱效應模擬. 即考慮器件內部載流子加熱效應和晶格熱效應時，隨著漏壓的變化源漏電流的變化關系.

瞬態(tài)特性測試模塊：該模塊進行NMOS或PMOS的瞬態(tài)小信號模擬. 即通過在直流偏置上施加交變的小信號，模擬輸出特性的變化，在此基礎上提取器件的截止頻率和最高工作頻率.

CMOS反相器特性測試模塊：該模塊進行電路和器件混合仿真. 通過讀入工藝模擬或定義的NMOS和PMOS器件結構，進行工藝和物理級的電路模擬，獲得CMOS反相器的傳輸特性、交流特性和瞬態(tài)特性.

2.4 實驗結果與結論要求

在本實驗的17個模塊中，要求學生自主學習，完成MOS場效應晶體管虛擬制造(圖2)和虛擬測試(圖3).

圖2 MOS場效應晶體管虛擬制造結果圖

圖3 MOS場效應晶體管虛擬測試結果圖

實驗要求學生通過改變MOS場效應晶體管虛擬制造和虛擬測試預設關鍵參量，完成不同參量下的工藝仿真和器件特性仿真，能夠針對工藝過程以及實際測試的異常問題提出合理方案并驗證. 對于工藝仿真，需完成包括氧化、離子注入、光刻、刻蝕、淀積、濺射等各種工藝過程；對于器件特性仿真，需完成輸出特性、柵特性、襯底電流、熱擊穿特性、雪崩擊穿特性、自熱效應、瞬態(tài)特性、交流特性的仿真，分別提取出擊穿電壓、閾值電壓、飽和電流、截止頻率以及最大工作頻率.

3 虛擬仿真實驗教學項目建設

依托南京郵電大學信息電子技術國家級虛擬仿真實驗教學中心和電子科學與技術國家級實驗教學示范中心，建設MOS場效應晶體管虛擬仿真實驗教學項目. 教學項目包括基礎型、提高型、創(chuàng)新型虛擬制造和虛擬測試仿真實驗以及虛實結合實驗等相關實驗案例.

3.1 平臺架構

圖4是虛擬仿真實驗教學項目在南京郵電大學信息電子技術虛擬仿真實驗教學中心網站的運

行界面，采用B/S架構，實現了虛擬仿真實驗教學、實驗教學管理、門戶網站管理等功能于一體. 搭建了云平臺，實現了校內外及更廣范圍的實驗教學資源共享，即學生只需要連接網絡，通過該平臺，即可在任何時間、任何空間共享實驗教學資源，無限制地進行預習自測和實驗操作，打破學生專業(yè)實驗的限制，有利于學生泛在化學習和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

3.2 實驗教學管理

實驗教學管理貫徹“自主學習、協作學習、探究學習”的實驗實踐教學培養(yǎng)模式，包括實驗預習管理、實驗自測管理、實驗操作管理、實驗報告管理、實驗批改管理、實驗成績管理等環(huán)節(jié)，部署學校、學院、教師和學生4個層次的管理，主要是教師和學生. 教師根據教學計劃在實驗前后進行實驗安排、上傳、維護和更新實驗資源、考勤管理、實驗打分、查看和批改實驗報告以及統計并且發(fā)布實驗成績. 學生根據任課教師的要求，進行實驗的預習并自我機測，通過考核后進行情景式教學，瀏覽實驗相關視頻，而后進行實驗操作. 實驗過程中，學生能夠查看和修改實驗資源的源代碼，提升創(chuàng)新性實驗的比例，將啟發(fā)式教學引入到實驗教學過程中，培養(yǎng)學生探索、發(fā)現和創(chuàng)造的學習能力.

3.3 應用成效

虛擬仿真實驗教學項目自開發(fā)十多年以來，主要服務于南京郵電大學電子與光學工程學院、微電子學院微電子科學與工程專業(yè)、電子科學與技術專業(yè)、南京郵電大學通達學院微電子科學與工程等專業(yè)的本科生、南京郵電大學微電子學與固體電子學專業(yè)和集成電路工程專業(yè)的碩士生. 受眾學生數總計近2 900人，實驗總人時數達到40 776人時.

2016年獲批江蘇省高等學校虛擬仿真實驗教學培育項目，在全省范圍免費共享使用，起到了一定的示范作用.

4 虛擬仿真實驗教學的特色

4.1 知識點覆蓋面廣

構建的微電子器件仿真模擬資源庫涵蓋了專業(yè)核心課程90%以上的知識點，對各種MOS場效應晶體管的制備工藝和性能測試進行全面而系統地虛擬仿真，且所設計的實驗項目多樣化，為不同需求的學生提供多種選擇，有利于因材施教. 通過學習，學生可以全面掌握MOS場效應晶體管的各種制造工藝流程和直流、交流、瞬態(tài)等各種性能測試.

4.2 理念先進

引入微電子技術發(fā)展的最新理念——虛擬制造和虛擬測試，解決了普通高等院校無工藝線和無測試環(huán)境進行微電子器件制作和測試教學的難題，大幅度降低了實驗成本. 所設計的實驗項目或來源于工程實際，或來源于微電子技術發(fā)展前沿技術，仿真工具也與工業(yè)界和學術界無縫對接，有利于提升學生解決復雜問題的工程能力和創(chuàng)新能力.

4.3 輻射范圍廣

MOS場效應晶體管虛擬仿真實驗教學資源面向微電子專業(yè)學生，甚至電子科學與技術學生，微電子學與固體電子學、集成電路工程等專業(yè)的碩士研究生，提供了主流微電子器件的工藝和器件仿真模擬資源庫，具有重要的實踐意義和推廣價值.

5 結束語

將虛擬仿真技術引入了微電子學專業(yè)中，建設了MOS場效應晶體管虛擬制造和虛擬測試實驗教學資源，是適應高校現代化教育教學建設的必然趨勢，解決了多數高校實驗教學的瓶頸問題，實現了教學資源的共享和教學質量的提升. 南京郵電大學建設的MOS場效應晶體管虛擬仿真實驗教學資源是對信息化教學的初步嘗試與探索，在教學過程中還需進一步完善，以建立完整的半導體器件虛擬仿真實驗體系，形成完善的質量保證機制，建立創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式.