L-EDIT软件在“半导体器件”教学中的应用

唐 莹,李万清

(1.中国计量学院光学与电子科技学院,浙江杭州 310018;2.杭州电子科技大学计算机学院,浙江杭州 310018)

我们在“半导体器件”的教学过程中,发现学生对器件工作原理的讲解较为容易接受,而对在器件结构和相应制造工艺方面的掌握则显得困难[1]。

如何在有限的课堂教学中,增强学生对于器件结构及相应制造工艺这一薄弱环节的学习,加深对器件的理解和掌握,成为“半导体器件”教学改革的一个重要问题。

笔者将专业版软件L-EDIT引入“半导体器件”的课堂教学,通过运用具体的版图设计讲解器件的结构及对应的制造过程,收到了良好的教学效果。

1 从IC电阻引入L-EDIT

L-EDIT软件是Tanner Research公司开发的一款版图图形编辑器,用于绘制、修改半导体器件与集成电路的掩膜版图形。

我们在教学中充分考虑了学生对于器件版图设计知之甚少,便从最简单器件设计引入L-EDIT。我们选择半导体PN结电阻设计中引入L-EDIT软件,通过将PN结电阻剖面图与对应的L-EDIT版图图形进行对比。图1(a)为某一PN结电阻的L-EDIT版图,图1(b)为对应的剖面图,其中深色为PN结电阻的接触孔,浅色区域为电阻体。L是电阻体的长度,W是电阻体的宽度,扩散结深用xj表示。

图1 矩形PN结IC电阻L-EDIT版图

通过对简单条状PN结电阻的讲解,学生可以形象地了解PN结电阻的结构和尺寸参数的定义,有助于理解载流子的运动方式。考虑到绝大多数电流从接触孔的内边沿流出,因此电阻的计算长度L并非p+区的扩散长度。学生籍此还对于扩散工艺有了感性理解,有助于对器件基本工艺流程的学习和掌握。

2 运用L-EDIT讲解器件结构

由于MOS场效应晶体管MOSFET是“半导体器件”课程的一大核心内容[2]。我们可用P型沟道MOSFET为例,图2(a)为PMOS的结构示意图,N型衬底上P+区形成了源极和漏极,源漏极之间为MOS结构,多晶硅栅的下方为沟道区;图2(b)则给出了简单PMOS的版图及其横向的截面图,图中S表示源极、D表示漏极,G表示多晶硅栅极,B则是衬底电极。版图中的源极和漏极是对称的,多晶硅栅极位于源漏区之间。图中的PMOS位于N阱之中,四个终端的连接通过接触层实现。在版图中,场效应晶体管的栅长是指从源到漏的距离。这个距离越短,栅极对电流的控制能力就会越强。利用版图,可以清楚地解释栅长参数与器件性能的关系。

图2 P沟MOSFET及版图

L-EDIT软件将设计工艺与参数相结合,具有自动产生剖面的功能,选择不同的剖切位置就能产生具体的剖面,此功能对于学生综合理解器件、工艺与版图很有意义。选择 Tools※Cross-Section命令,可以模拟根据版图制作出的结果,并在软件界面的下方显示出截面图,利用L-EDIT观察截面的功能可以观察版图所设计的器件的制作流程与结果。图3(a～e)所示为一个简单的PMOS制造流程通过版图截面的显现。图3(a)是N阱和有源区的截面图,图3(b)是增加了P-select之后的截面图,图3(c)中添加了Poly多晶硅栅,图3(d)中打开了源漏极的接触孔,图3(e)则是最终整体PMOS的截面图。图3(f)给出了最终 L-EDIT的程序界面与PMOS的整体版图,以及横向的截面观察图。因而图3显示的不同阶段工艺截面,可让学生清楚地理解PMOS结构和相应的工艺流程。

图3 L-EDIT软件界面及PMOS器件版图

图4(a)为NPN型BJT结构示意图,图4(b)和图4(c)给出了NPN和PNP两种不同类型的BJT晶体管版图。通过 L-EDIT版图,学生可以对版图中电极位置与形状的变化对器件性能带来的影响展开讨论。例如在图4(b)中将基极条位置远离发射区,是否会导致基极串联电阻增加等。

图4 BJT晶体管及两种不同类型的版图

3 结语

多媒体课堂教学中,既可以使用提前绘制好的L-EDIT版图,在讲解中针对器件的结构和工艺过程,有选择的显示或单层或多层的掩膜版图形,也可以在课堂上当场绘制和修改,教学方便且调动了学生的积极性。

在“半导体器件”的教学中,由于学时有限,并非每一种器件结构都需要应用L-EDIT辅助讲解,要依据教学内容的需要,有针对性的选择几类最典型的器件进行重点讲解,避免占用过量的课堂时间而影响其他教学内容的讲授。

教学实践表明,应用L-EDIT软件辅助“半导体器件”的教学,有助于学生对半导体器件结构、物理原理及工艺过程的整体学习和融会理解,丰富教学手段和教学内容,以达到良好的教学效果。

[1] [美]施敏著,赵鹤鸣、钱敏、黄秋萍等译.半导体器件物理与工艺(第二版)[M].苏州:苏州大学出版社2004版

[2] 曾树荣.半导体器件物理基础[M].北京:北京大学出版社2002版