微电子工艺和器件仿真实验课程体系的建设

张 林， 汪贵平， 闫茂德， 邱彦章， 李清华(长安大学 电子与控制工程学院，西安，710064)

0 引 言

微电子专业是典型的基础理论深厚又与应用结合紧密、涉及的知识面广同时技术更新又快的专业。为了增强就业竞争力和深造潜力，要求学生不仅需要扎实的基础理论知识、丰富的实践能力又要对新技术有一定的了解。但是由于学科的特点，微电子及相关专业的本科专业实验对硬件条件要求较高。特别是微电子工艺和器件在微电子专业的知识体系占有重要的地位，所对应的产业在微电子的产业链中也扮演着关键的角色；因此相关的课程一直是微电子本科专业的核心课程，同时也是教学中的难点[1-5]。

微电子工艺和器件课程涉及的理论知识艰涩抽象、知识量大、与其他课程联系紧密。这一系列课程迫切需要内容丰富、形式灵活、设计巧妙的实验环节辅佐理论教学，以加深学生对理论知识的理解、提升动手实践能力。但在微电子及相关专业本科生的培养中，系统而丰富的工艺和器件实验课程建设一直是学科建设的难点[6-11]。

1 通行实验方法存在的问题

目前较通行的微电子及相关专业的本科生实验是设置一个类似于“微电子专业实验”的实验课程，以硬件实验为主的方式集中开展，实验内容一般包括：材料缺陷的观察、材料导电类型测试、HALL效应测试、CV测试、PN结结深测试、晶体管电学特性测试等。按这种方法设置实验课程的好处是在一个实验设备齐全的专业实验室的支撑下，可以集中完成实验。同时这种实验设置方式也存在以下的问题：

(1) 实验集中开展，与课堂授课脱节。虽然上述实验内容可以涵盖多门课程的知识点，但实验开展时间与理论授课难以紧密衔接，学生很难在实验过程中对照理解相应理论知识。受限于硬件条件和学科特点，很多重要的课程知识也难以设计成对应的实验，不利于提升学生的学习兴趣。

(2) 微电子工艺和器件类课程实验内容偏少，开展难度较大。相关的实验环境建设花费高昂，比如工艺实验所需的超净环境以及光刻机、溅射镀膜机、刻蚀机、退火炉等设备，器件测试所需的半导体参数测量仪、椭偏仪等设备售价动辄数万甚至数百万元，尤其是工艺设备还需要持续的耗材和维护费用。同时，上述设备的操作复杂，往往只能由专业人员操作和演示。这些困难导致在知识结构中占重要比重的工艺和器件课程难以系统的开展实验。

(3) 实验内容陈旧固定，形式单调。受限于建设经费和管理制度等方面的原因，目前大部分高校设置的微电子实验课程内容都比较固定，难以根据技术的发展及时更新。加之部分实验过程枯燥、内容乏味，缺乏趣味性和开放性，影响了实验效率和教学效果。

针对上述的问题，本文经过探索和实践，提出了采用仿真技术建设和完善本科生器件和工艺类实验，以加深学生对理论知识的理解，提升学生的实践能力。

2 仿真技术在工艺和器件类实验中的应用

半导体工艺和器件仿真软件(如Silvaco、Sentaurus等)根据工艺和物理模型，通过数值求解的方法可以准确模拟微电子工艺流程和器件的电学特性。在产业和科研界，此类软件可用于验证工艺和器件设计、开发新工艺和新器件结构而得到了广泛的应用。将工艺和器件仿真软件应用到本科教学中，可以有效弥补现有工艺和器件类课程实验缺失的环节，对于建立可以系统对应专业课程知识的实验课程体系，并缩短实验时间、降低实验成本、减轻实验对硬件条件的依赖等都具有重要意义[12-16]。采用仿真软件，可以开展下列类型的实验：

(1) 演示性实验。通过仿真的方法可以快速呈现不同工艺流程和参数下的工艺结果，以及不同结构参数、偏置状态等条件下器件输出曲线及能带、电流、电场、载流子浓度等物理量器件内部的分布，具有直观、生动、形象的特点。通过对演示内容的巧妙设计，可以有效辅佐课堂教学，加深学生对理论知识的理解，提升学习兴趣。

(2) 验证性实验。课堂讲解工艺原理和器件工作机理时，往往会直接引入或者推导大量的公式，这些公式往往是经验公式或基于物理过程的解析建模。这些内容往往是教学中的难点，教师讲解起来晦涩，学生理解起来困难。虽然可以通过布置作业的方式加深学生的理解，但学生往往还是难以从物理机理层面理解公式的含义。如果可以让学生分析仿真的结果，并对比解析模型的计算结果，或者调整不同参数以观察对仿真结果的影响，就可以有效加深学生对相关理论知识的理解。

(3) 设计性和综合性实验。基于硬件条件的工艺和器件类设计性和综合性实验的开展门槛很高，如果应用仿真软件，就可以参照已经普遍开展的电路仿真的实验思路，通过对实验内容的巧妙设计，开展大量的设计性和综合性的工艺和器件类实验，以串联不同课程的知识点，提升学生对专业知识的理解和融会贯通的能力。

但同时，采用仿真软件开展本科实验课程也存在一些问题，其中最主要的问题是相关的仿真软件大都是面向专业研究或者工程人员设计的，使用难度较大。如何让本科生快速入门，掌握软件使用的同时深入理解仿真内容所对应的物理内容，是保证实验效果的关键。这需要授课教师根据学生的知识结构编写相应的教材，并对实验内容进行精巧的设计。

3 典型教学案例

根据上面的思路，作者设计了一系列的仿真实验，下面列举了几方面的典型教学案例：

(1) 演示性实验

案例1在“微电子器件”课程中，讲解平衡PN结特性时，主要是讲解耗尽区的电学特性，在画能带、电场的分布时，也将耗尽区突出显示；而讲解偏置状态的PN结时，又说明耗尽区很薄，能带和电流在耗尽区中的变化可以忽略。上述内容给学生的理解带来了较大的困难，如果在讲解时辅以仿真软件获得的不同偏置条件下的PN结能带图和载流子分布图，就可以非常形象的向学生演示扩散区和耗尽区的尺度以及相关物理量在不同位置的变化，既便于讲解也易于学生理解。

案例2在“微电子器件”课程中，在讲解MOSFET工作原理和电学特性时，将导电沟道视为一个形状接近“矩形”或者“三角形”的电阻；而计算阈值电压时，又忽视沟道层的电荷量，造成学生理解上的困难。如果在讲解时辅以仿真得到的载流子浓度在空间上的分布，就可以很形象的向学生演示反型层载流子浓度在深度方向上的浓度变化，让学生对反型层的厚度和MOSFET的特性有更直观的认识。

(2) 验证性实验

案例1在“半导体工艺”课程中，不同掺杂类型的对比是重点，尤其是扩散工艺和离子注入工艺形成掺杂分布的不同。但这些内容在讲解时往往只能定性分析，或者直接给出公式。虽然可以结合其物理原理进行讲解，但仍显得过于抽象。如果让学生仿真不同工艺参数的扩散和离子注入单步工艺，观察形成的掺杂浓度和深度分布，然后指导老师再根据仿真结果讲解一下学生选用工艺参数的合理性并温习下工艺原理，就可以获得良好的教学效果。

案例2在讲解半导体工艺时，往往以一个典型的MOSFET作为例子详解工艺流程，但讲解过程相对枯燥乏味，难以引起学生兴趣，特别是其中某些关键工艺参数对器件结构的影响更是抽象。如果让学生自己完成一次MOSFET的工艺流程，观察每一步工艺后形成的器件结构，并比较不同关键工艺的参数形成的器件结构的区别，就可以让学生留下深刻的形象。

(3) 设计性和综合性实验

案例1版图是半导体工艺和集成电路设计的接口，也是微电子专业实验中的重要内容，但传统的版图实验大都仅基于数字集成电路的设计，难以将版图的知识与工艺联系起来。学生往往将版图理解为特定规则的“绘图”，而无法理解版图中蕴含的工艺思想。如果让学生先绘制一个反相器的版图并采用后仿真获得电学特性，再在仿真软件中生成相同结构的器件并仿真获得瞬态特性，将两种方法获得的结果进行比较并分析是什么原因造成的结果差异，就可以让学生深刻的理解版图与工艺间的关系。

案例2在微电子及相关专业的选修课中，往往有类似功率半导体器件、光电子器件等相关内容的课程。这些课程内容与应用结合紧密，对扩展学生的知识面具有重要意义。但同时这些课程的理论部分是“微电子器件”等课程的延伸和深入，相对更为艰涩。开展实验时，工艺实验门槛太高，测试实验又难以深入反映物理机理。但如果开展仿真实验，就可以较好地解决该矛盾。以功率器件为例，让学生用仿真的方法将一个典型的长沟道MOSFET的结构改造成一个典型的VDMOS结构，对比输出特性的变化，并提取开态电阻和击穿电压，再根据器件特性随关键结构参数的变化提出优化设计方案。通过这个实验，即可让学生对功率器件的工作机理、设计方案和优化设计有深入的认识。

4 实践效果

根据上述的方案，作者设计了一系列的课程实验、课程设计和综合实验，并应用到电子科学与技术专业的2011～2013级学生的本科教学中。共开展课程实验16学时，课程设计一个(两周)及综合实验一个(两周)。经过3年的建设与调整，已经建成了一个与硬件实验互补、知识面覆盖所有相关专业课程的实验课程体系。

通过对实验效果的调研，同学们普遍反映实验的设置难度适中、开放性强、趣味性强。根据对后续课程的观察和调研，上述实验的开展对于增强学生的实践动手能力和自学能力、提升对相关课程的学习兴趣具有明显的效果。

5 结 语

形式丰富、内容充实的实验是提高实验教学效果的关键，但由于微电子工艺和器件类课程实验对于硬件条件的要求较高，并不是每所高校都具备相应的条件。采用仿真技术，可以解决对硬件条件的依赖，开设内容丰富、开放性强的各类实验，满足本科教学的要求。仿真实验既可以作为硬件实验的有效补充，也可以单独开设。但同时，由于软件仿真自身的特点，为了让学生从仿真实验中提高实践能力，须对实验内容的设计提出较高的要求。

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