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

微電子專業是典型的基礎理論深厚又與應用結合緊密、涉及的知識面廣同時技術更新又快的專業。為了增強就業競爭力和深造潛力，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，微電子及相關專業的本科專業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的知識體系占有重要的地位，所對應的產業在微電子的產業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、與其他課程聯系緊密。這一系列課程迫切需要內容豐富、形式靈活、設計巧妙的實驗環節輔佐理論教學，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本科生的培養中，系統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的本科生實驗是設置一個類似于“微電子專業實驗”的實驗課程，以硬件實驗為主的方式集中開展，實驗內容一般包括：材料缺陷的觀察、材料導電類型測試、HALL效應測試、CV測試、PN結結深測試、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。雖然上述實驗內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容偏少，開展難度較大。相關的實驗環境建設花費高昂，比如工藝實驗所需的超凈環境以及光刻機、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測量儀、橢偏儀等設備售價動輒數萬甚至數百萬元，尤其是工藝設備還需要持續的耗材和維護費用。同時，上述設備的操作復雜，往往只能由專業人員操作和演示。這些困難導致在知識結構中占重要比重的工藝和器件課程難以系統的開展實驗。

(3) 實驗內容陳舊固定，形式單調。受限于建設經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容都比較固定，難以根據技術的發展及時更新。加之部分實驗過程枯燥、內容乏味，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)根據工藝和物理模型，通過數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。在產業和科研界，此類軟件可用于驗證工藝和器件設計、開發新工藝和新器件結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，可以有效彌補現有工藝和器件類課程實驗缺失的環節，對于建立可以系統對應專業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不同工藝流程和參數下的工藝結果，以及不同結構參數、偏置狀態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部的分布，具有直觀、生動、形象的特點。通過對演示內容的巧妙設計，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，這些公式往往是經驗公式或基于物理過程的解析建模。這些內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果，并對比解析模型的計算結果，或者調整不同參數以觀察對仿真結果的影響，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。基于硬件條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，就可以參照已經普遍開展的電路仿真的實驗思路，通過對實驗內容的巧妙設計，開展大量的設計性和綜合性的工藝和器件類實驗，以串聯不同課程的知識點，提升學生對專業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專業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容所對應的物理內容，是保證實驗效果的關鍵。這需要授課教師根據學生的知識結構編寫相應的教材，并對實驗內容進行精巧的設計。

3 典型教學案例

根據上面的思路，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結特性時，主要是講解耗盡區的電學特性，在畫能帶、電場的分布時，也將耗盡區突出顯示；而講解偏置狀態的PN結時，又說明耗盡區很薄，能帶和電流在耗盡區中的變化可以忽略。上述內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結能帶圖和載流子分布圖，就可以非常形象的向學生演示擴散區和耗盡區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，就可以很形象的向學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仿真結果講解一下學生選用工藝參數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對器件結構的影響更是抽象。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構，并比較不同關鍵工藝的參數形成的器件結構的區別，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，也是微電子專業實驗中的重要內容，但傳統的版圖實驗大都僅基于數字集成電路的設計，難以將版圖的知識與工藝聯系起來。學生往往將版圖理解為特定規則的“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構的器件并仿真獲得瞬態特性，將兩種方法獲得的結果進行比較并分析是什么原因造成的結果差異，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容的課程。這些課程內容與應用結合緊密，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的結構改造成一個典型的VDMOS結構，對比輸出特性的變化，并提取開態電阻和擊穿電壓，再根據器件特性隨關鍵結構參數的變化提出優化設計方案。通過這個實驗，即可讓學生對功率器件的工作機理、設計方案和優化設計有深入的認識。

4 實踐效果

根據上述的方案，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)。經過3年的建設與調整，已經建成了一個與硬件實驗互補、知識面覆蓋所有相關專業課程的實驗課程體系。

通過對實驗效果的調研，同學們普遍反映實驗的設置難度適中、開放性強、趣味性強。根據對后續課程的觀察和調研，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 語

形式豐富、內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，須對實驗內容的設計提出較高的要求。

參考文獻(References)：

[1] 徐振邦.“半導體器件物理”課程改革探索與實踐[J]. 教育教學論壇， 2014(4):222-224.

[2] 羅小蓉， 張 波， 李肇基.“微電子工藝”的理論教學與學生實踐能力培養[J]. 實驗科學與技術， 2007, 5(1): 77-79.

[3] 陳 卉， 文 毅， 張華斌， 等. “微電子器件” 實驗教學改革與探索[J]. 高教學刊， 2016(1):118-120.

[4] 商世廣， 趙 萍， 鞏稼民， 等. 集成電路工藝原理與實踐課程體系改革與探索[J].大學教育，2015(11):112-114.

[5] 王 蔚， 田 麗， 付 強.微電子工藝課/實驗/生產實習的整合研究[J].中國現代教育裝備， 2012(23):47-49.

[6] 楊依忠， 解光軍， 易茂祥， 等.創建微電子專業實驗室的探索與實踐[J].實驗技術與管理， 2009， 26(12):137-143.

[7] 周遠明， 梅 菲， 劉凌云， 等.電子科學與技術專業實驗教學體系的探索[J]. 中國電力教育， 2013(29):89-90.

[8] 梁海蓮， 趙琳娜.開放式微電子專業實驗課程改革與探索[J].中國電力教育，2013(20):92-93.

[9] 袁 穎， 董利民， 張萬榮.微電子技術實驗教學平臺的構建[J].電氣電子教學學報， 2009, 31(S1):115-117.

[10] 李建軍, 王姝婭, 張國俊, 等.微電子教學實驗室建設的探索與實踐[J]. 實驗技術與管理， 2015, 32(6):239-242.

[11] 李如春, 王曉東.項目教學法在微電子實驗課程中的應用[J].教育教學論壇，2014(4):79-80.

[12] 劉劍霜， 郭鵬飛， 李伙全. TCAD技術在微電子實驗教學體系中的應用與研究[J]. 實驗技術與管理， 2012, 29(2):78-80.

[13] 周 濤， 吳志穎， 陸曉東， 等. 半導體器件仿真軟件在微電子工藝實驗中的應用研究[J]. 教育教學論壇， 2015(38):248-249.

[14] 鄧小川. 微電子工藝課程中TCAD技術應用的教學探討[J]. 中國科教創新導刊， 2011(7):172-173.

[15] 戚玉婕. TCAD在“半導體工藝”課程中應用的教學探討[J]. 揚州教育學院學報， 2013, 31(3):85-88.

[16] 周郁明. TCAD在半導體工藝課程虛擬實驗中的應用[J]. 安徽工業大學學報(社會科學版)， 2015, 32(3): 109-110.