《微電子工藝及器件仿真》課程教學方法研究

劉興輝+康大為

摘要：《微電子工藝及器件仿真》是在創新人才培養質量的背景下，為增強微電子專業本科生的創新精神和實踐能力而開設的一門專業課，課程的知識結構、培養目標與行業需求緊密對接。針對課程綜合性、系統性和應用性強、學生不易掌握的特點，采用精講多練的授課模式：在講授環節，教師對仿真文件中的仿真規則、關鍵語句、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法，便于學生掌握仿真要領；在練習環節，借助于翻轉課堂模式和提供開放實驗室，增強學生自主學習能力并訓練修正反饋、舉一反三等多維能力，取得了很好的效果。

關鍵詞：工藝及器件仿真；案例教學；翻轉課堂；修正反饋

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

按照《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高[2012]4號）、《國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》（國辦發[2015]36號）和《教育部、國家發展改革委、財政部關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》（教發[2015]7號）的文件精神，高等學校的人才培養目標應逐步向集知識傳授、能力培養、素質提高相融合的方向轉變。為深化本科教學改革，培養創新型、復合型、應用型人才，教師授課應突出把握創新型課堂教學[1]、引導學生創新性自主學習[2]兩個重點。

當今，微電子和集成電路產業發展迅猛，已成為支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業，這為高等學校微電子及相關專業如何培養創新型、應用型、且與行業需求緊密對接的人才提出了更高的要求。具體來說，對知識的傳授應以工程實踐能力培養為主線[3]，實現學生在知識結構、能力及素質等方面能夠適應行業需求。

《微電子工藝及器件仿真》是利用計算機輔助設計工具實現微電子工藝虛擬制造、器件性能驗證、預測以及電參數提取的一門課程。該課程將《半導體物理》、《半導體器件物理》、《半導體工藝》等專業理論知識和微電子行業實際生產制造有效銜接。學生通過該課程的學習，一方面，可充分理解專業知識在微電子行業中的具體應用，能夠強化理論教學效果。另一方面，仿真可部分取代耗費成本的流片實驗、降低生產成本，縮短研發周期以及提高成品率。

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

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學模型來實現[4]，仿真中按實際生產工序，可使用特定關鍵詞調用相應的數學模型去模擬每一個分步工藝，最終實現虛擬制造。微電子器件仿真通過分析電學特性以驗證器件結構是否正確，或借助于仿真去設計帶有新結構、新材料的器件，仿真也能夠用于提取電參數、或提出簡約模型以用于電路仿真。

該課程側重專業知識的系統和綜合運用能力，學生只有將先修課程中所學的知識系統、靈活地運用，并根據工藝和器件仿真的文件的編寫規則和仿真要領，才能順利實現仿真文件的編寫，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：在半導體工藝仿真中涉及的刻蝕速率控制法，如何調整刻蝕參數去控制各向異性刻蝕的形狀和速率，在刻蝕側墻和溝槽的時候，如何控制側墻厚度和溝槽的形狀，需要積累經驗。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？復合機制和哪些因素有關？對于MOS器件，怎樣考慮硅/SiO2界面遷移率下降的影響？重摻雜導致半導體帶隙變窄對其有效本征態密度有什么影響？

仿真中會涉及先修專業課程未涵蓋的內容。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不再是電場的定域方程，因而傳統的擴散漂移模型不再適用，需要采用更精確的流體力學傳輸模型。若考慮量子尺寸效應的影響，還需采用密度梯度模型。再如，如何修改參數文件和庫文件，以擴展軟件功能，實現新材料和新器件的研究；混合模式仿真中要用到SPICE語句去描述電路結構，需要補充SPICE知識。

二、探索有效教學模式

針對該課程綜合性、系統性和應用性強的特點，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則和語法，然后通過采用案例式教學，將所講授的知識具體化、直觀化和實例化，便于學生接受；而課堂另一部分時間采用翻轉課堂模式，在課下通過開放實驗室，方便學生自主學習。

1.精講核心內容。實現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。

對于半導體工藝仿真，重點講解仿真文件的框架結構和工藝語句描述方法?？蚣芙Y構語句包括：仿真初始化命令，定義用戶網格，襯底參數描述，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鍵詞，括號內的內容為描述氧化的參數。由于在ISE-TCAD10.0中，用Diffusion關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構語句與工藝描述語句有機結合，就組成工藝仿真文件。

器件仿真文件需要滿足一定的規則，仿真單個器件，仿真文件通常由六段構成，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、定義數學算法以及方程求解。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系，因此需要增加system節，利用SPICE語句進行電路連接關系描述。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.案例教學法。由于仿真文件中涉及的語句和規則較多，為了將仿真流程講解透徹，使學生容易上手，案例式教學模式是非常有效的手段。在此，以0.18μm的NMOS場效應管的輸入-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構，首先要給出輸入文件（定義器件結構和摻雜信息），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數據。在定義電極時，強調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。對各電極賦值初始電壓，同時注意對于NMOS和PMOS多晶硅柵功函數不同。在物理機制一節中，考慮遷移率的摻雜濃度相關性，高電場時的飽和性，還需考慮Si/SiO2界面的垂直電場導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。在數學模塊中，定義器件仿真時用到的算法，包括仿真器類型、仿真誤差標準控制、迭代次數的設置等。在求解模塊中，定義求解所使用的泊松方程，電子連續性方程，以及掃描步長的設置和目標電極電壓的設定等。最后的仿真結果可通過看圖軟件直觀地看到。整個流程結束，學生對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過的完全一致，學生明確地感受到了仿真的魅力所在。

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

例如：學生在學習了仿真二極管電學特性的案例之后，應有能力去分析類似于突變PN結在平衡態或一定的正偏和反偏電壓條件下的能帶結構。這需要利用MDRAW軟件設計一個PN結結構及定義摻雜分布；并對器件必要的位置進行網格加密；編輯器件仿真文件，并在終端下運行，最后應用看圖工具查看相應的結果。對于施加偏壓時的均勻摻雜PN結，有學生發現仿真得到的P區和N區能帶圖中導帶底和價帶頂并不是平直的，這與《半導體物理》及《半導體器件物理》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。經過大家互相啟發、探討，最終發現了差異的根源：在理論課中由于假定了P型和N型區的電導率足夠高，忽略了中性區內串聯電阻的存在，屬于近似結果；而在仿真中，物理模型考慮了串聯電阻的存在，比較而言更接近實際結果。學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，進而提高了學習興趣，增強了自信心。

再比如，對由兩個NMOS管和兩個PMOS管構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練。教師通常會給出一個帶有錯誤電路連接關系的仿真程序，學生運行此程序并根據已有儲備知識判斷結果正確與否，如果有錯誤，如何修正。學生以小組為單位，分工合作，每個學生都承擔一段程序的排查任務，以找出問題所在，如果問題沒得到解決，會交換各自所承擔的排查任務，直到最終找到問題，以此鍛煉了學生的修正反饋能力和分工協作能力。

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

三、結論

微電子工藝及器件仿真在微電子和集成電路的設計研發領域發揮著非常重要的作用，《微電子工藝及器件仿真》課程的設置是與行業需求相呼應的。針對課程綜合性、系統性和應用性強的特點，教師授課采用精講多練的模式，同時使用案例式教學法增強學生對仿真流程的直觀感受，便于掌握仿真要領；在練習環節，借助于翻轉課堂形式和提供開放實驗室，增強學生自主學習能力并訓練修正反饋和舉一反三、團隊協作配合等多維能力。

近年來，學生運用所學的工藝和器件仿真方法，或參與“大學生創新訓練”項目，或進行課程設計和畢業設計，既強化了實訓技能，又有效增強了創新思維和能力。當然，仿真所涉及的知識點非常廣泛，僅僅在規定教學時間內，學生無法掌握仿真全部精髓，在必要的情況下，拓展學習是必要的。

最后需要強調的是，學生是課程學習的主體，學習興趣和目標導向是影響學習效果的主要因素。教師在教學中要注意引導，通過分析行業特點和就業趨勢，培養學生對專業的認可度，這樣才能進一步調動學習積極性，提高教學效果。

參考文獻：

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[2]肖林，嚴慧玲.大學生如何進行創新性學習和研究的初步探討[J].科技視界，2016，（10）：21-21.

[3]陳明，張春枝，楊君，權春善，曹成有，楊翔華.卓越計劃背景下生物工程專業工程實踐能力培養體系的構建與探索[J].教育教學論壇，2016，（6）24：227-228.

[4]陸建祖，魏紅振，李玉鑒，張永剛，林世鳴，余金中，劉忠立.反應離子刻蝕工藝仿真模型的研究[J].功能材料與器件學報，2000，6（4）：420-424.

[5]杜鵬，“翻轉課堂”教學模式本土化發展策略研究[J].中國教育學刊，2014，（5）：113-114.

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