張 林， 汪貴平， 閆茂德， 邱彥章， 李清華(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安，710064)

0 引 言

微電子專業(yè)是典型的基礎(chǔ)理論深厚又與應(yīng)用結(jié)合緊密、涉及的知識面廣同時(shí)技術(shù)更新又快的專業(yè)。為了增強(qiáng)就業(yè)競爭力和深造潛力，要求學(xué)生不僅需要扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識、豐富的實(shí)踐能力又要對新技術(shù)有一定的了解。但是由于學(xué)科的特點(diǎn)，微電子及相關(guān)專業(yè)的本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)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(yè)的知識體系占有重要的地位，所對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)在微電子的產(chǎn)業(yè)鏈中也扮演著關(guān)鍵的角色；因此相關(guān)的課程一直是微電子本科專業(yè)的核心課程，同時(shí)也是教學(xué)中的難點(diǎn)[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(lián)系緊密。這一系列課程迫切需要內(nèi)容豐富、形式靈活、設(shè)計(jì)巧妙的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)輔佐理論教學(xué)，以加深學(xué)生對理論知識的理解、提升動手實(shí)踐能力。但在微電子及相關(guān)專業(yè)本科生的培養(yǎng)中，系統(tǒng)而豐富的工藝和器件實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)一直是學(xué)科建設(shè)的難點(diǎn)[6-11]。

1 通行實(shí)驗(yàn)方法存在的問題

目前較通行的微電子及相關(guān)專業(yè)的本科生實(shí)驗(yàn)是設(shè)置一個(gè)類似于“微電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)課程，以硬件實(shí)驗(yàn)為主的方式集中開展，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般包括：材料缺陷的觀察、材料導(dǎo)電類型測試、HALL效應(yīng)測試、CV測試、PN結(jié)結(jié)深測試、晶體管電學(xué)特性測試等。按這種方法設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程的好處是在一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備齊全的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的支撐下，可以集中完成實(shí)驗(yàn)。同時(shí)這種實(shí)驗(yàn)設(shè)置方式也存在以下的問題：

(1) 實(shí)驗(yàn)集中開展，與課堂授課脫節(jié)。雖然上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以涵蓋多門課程的知識點(diǎn)，但實(shí)驗(yàn)開展時(shí)間與理論授課難以緊密銜接，學(xué)生很難在實(shí)驗(yàn)過程中對照理解相應(yīng)理論知識。受限于硬件條件和學(xué)科特點(diǎn)，很多重要的課程知識也難以設(shè)計(jì)成對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，不利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(2) 微電子工藝和器件類課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏少，開展難度較大。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)花費(fèi)高昂，比如工藝實(shí)驗(yàn)所需的超凈環(huán)境以及光刻機(jī)、濺射鍍膜機(jī)、刻蝕機(jī)、退火爐等設(shè)備，器件測試所需的半導(dǎo)體參數(shù)測量儀、橢偏儀等設(shè)備售價(jià)動輒數(shù)萬甚至數(shù)百萬元，尤其是工藝設(shè)備還需要持續(xù)的耗材和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，上述設(shè)備的操作復(fù)雜，往往只能由專業(yè)人員操作和演示。這些困難導(dǎo)致在知識結(jié)構(gòu)中占重要比重的工藝和器件課程難以系統(tǒng)的開展實(shí)驗(yàn)。

(3) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊固定，形式單調(diào)。受限于建設(shè)經(jīng)費(fèi)和管理制度等方面的原因，目前大部分高校設(shè)置的微電子實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容都比較固定，難以根據(jù)技術(shù)的發(fā)展及時(shí)更新。加之部分實(shí)驗(yàn)過程枯燥、內(nèi)容乏味，缺乏趣味性和開放性，影響了實(shí)驗(yàn)效率和教學(xué)效果。

針對上述的問題，本文經(jīng)過探索和實(shí)踐，提出了采用仿真技術(shù)建設(shè)和完善本科生器件和工藝類實(shí)驗(yàn)，以加深學(xué)生對理論知識的理解，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

2 仿真技術(shù)在工藝和器件類實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

半導(dǎo)體工藝和器件仿真軟件(如Silvaco、Sentaurus等)根據(jù)工藝和物理模型，通過數(shù)值求解的方法可以準(zhǔn)確模擬微電子工藝流程和器件的電學(xué)特性。在產(chǎn)業(yè)和科研界，此類軟件可用于驗(yàn)證工藝和器件設(shè)計(jì)、開發(fā)新工藝和新器件結(jié)構(gòu)而得到了廣泛的應(yīng)用。將工藝和器件仿真軟件應(yīng)用到本科教學(xué)中，可以有效彌補(bǔ)現(xiàn)有工藝和器件類課程實(shí)驗(yàn)缺失的環(huán)節(jié)，對于建立可以系統(tǒng)對應(yīng)專業(yè)課程知識的實(shí)驗(yàn)課程體系，并縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間、降低實(shí)驗(yàn)成本、減輕實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)：

(1) 演示性實(shí)驗(yàn)。通過仿真的方法可以快速呈現(xiàn)不同工藝流程和參數(shù)下的工藝結(jié)果，以及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、偏置狀態(tài)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(nèi)部的分布，具有直觀、生動、形象的特點(diǎn)。通過對演示內(nèi)容的巧妙設(shè)計(jì)，可以有效輔佐課堂教學(xué)，加深學(xué)生對理論知識的理解，提升學(xué)習(xí)興趣。

(2) 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。課堂講解工藝原理和器件工作機(jī)理時(shí)，往往會直接引入或者推導(dǎo)大量的公式，這些公式往往是經(jīng)驗(yàn)公式或基于物理過程的解析建模。這些內(nèi)容往往是教學(xué)中的難點(diǎn)，教師講解起來晦澀，學(xué)生理解起來困難。雖然可以通過布置作業(yè)的方式加深學(xué)生的理解，但學(xué)生往往還是難以從物理機(jī)理層面理解公式的含義。如果可以讓學(xué)生分析仿真的結(jié)果，并對比解析模型的計(jì)算結(jié)果，或者調(diào)整不同參數(shù)以觀察對仿真結(jié)果的影響，就可以有效加深學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解。

(3) 設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)?；谟布l件的工藝和器件類設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的開展門檻很高，如果應(yīng)用仿真軟件，就可以參照已經(jīng)普遍開展的電路仿真的實(shí)驗(yàn)思路，通過對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的巧妙設(shè)計(jì)，開展大量的設(shè)計(jì)性和綜合性的工藝和器件類實(shí)驗(yàn)，以串聯(lián)不同課程的知識點(diǎn)，提升學(xué)生對專業(yè)知識的理解和融會貫通的能力。

但同時(shí)，采用仿真軟件開展本科實(shí)驗(yàn)課程也存在一些問題，其中最主要的問題是相關(guān)的仿真軟件大都是面向?qū)I(yè)研究或者工程人員設(shè)計(jì)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(shí)深入理解仿真內(nèi)容所對應(yīng)的物理內(nèi)容，是保證實(shí)驗(yàn)效果的關(guān)鍵。這需要授課教師根據(jù)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)編寫相應(yīng)的教材，并對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行精巧的設(shè)計(jì)。

3 典型教學(xué)案例

根據(jù)上面的思路，作者設(shè)計(jì)了一系列的仿真實(shí)驗(yàn)，下面列舉了幾方面的典型教學(xué)案例：

(1) 演示性實(shí)驗(yàn)

案例1在“微電子器件”課程中，講解平衡PN結(jié)特性時(shí)，主要是講解耗盡區(qū)的電學(xué)特性，在畫能帶、電場的分布時(shí)，也將耗盡區(qū)突出顯示；而講解偏置狀態(tài)的PN結(jié)時(shí)，又說明耗盡區(qū)很薄，能帶和電流在耗盡區(qū)中的變化可以忽略。上述內(nèi)容給學(xué)生的理解帶來了較大的困難，如果在講解時(shí)輔以仿真軟件獲得的不同偏置條件下的PN結(jié)能帶圖和載流子分布圖，就可以非常形象的向?qū)W生演示擴(kuò)散區(qū)和耗盡區(qū)的尺度以及相關(guān)物理量在不同位置的變化，既便于講解也易于學(xué)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(xué)特性時(shí)，將導(dǎo)電溝道視為一個(gè)形狀接近“矩形”或者“三角形”的電阻；而計(jì)算閾值電壓時(shí)，又忽視溝道層的電荷量，造成學(xué)生理解上的困難。如果在講解時(shí)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?qū)W生演示反型層載流子濃度在深度方向上的濃度變化，讓學(xué)生對反型層的厚度和MOSFET的特性有更直觀的認(rèn)識。

(2) 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

案例1在“半導(dǎo)體工藝”課程中，不同摻雜類型的對比是重點(diǎn)，尤其是擴(kuò)散工藝和離子注入工藝形成摻雜分布的不同。但這些內(nèi)容在講解時(shí)往往只能定性分析，或者直接給出公式。雖然可以結(jié)合其物理原理進(jìn)行講解，但仍顯得過于抽象。如果讓學(xué)生仿真不同工藝參數(shù)的擴(kuò)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(dǎo)老師再根據(jù)仿真結(jié)果講解一下學(xué)生選用工藝參數(shù)的合理性并溫習(xí)下工藝原理，就可以獲得良好的教學(xué)效果。

案例2在講解半導(dǎo)體工藝時(shí)，往往以一個(gè)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(xué)生興趣，特別是其中某些關(guān)鍵工藝參數(shù)對器件結(jié)構(gòu)的影響更是抽象。如果讓學(xué)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(jié)構(gòu)，并比較不同關(guān)鍵工藝的參數(shù)形成的器件結(jié)構(gòu)的區(qū)別，就可以讓學(xué)生留下深刻的形象。

(3) 設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)

案例1版圖是半導(dǎo)體工藝和集成電路設(shè)計(jì)的接口，也是微電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)中的重要內(nèi)容，但傳統(tǒng)的版圖實(shí)驗(yàn)大都僅基于數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)，難以將版圖的知識與工藝聯(lián)系起來。學(xué)生往往將版圖理解為特定規(guī)則的“繪圖”，而無法理解版圖中蘊(yùn)含的工藝思想。如果讓學(xué)生先繪制一個(gè)反相器的版圖并采用后仿真獲得電學(xué)特性，再在仿真軟件中生成相同結(jié)構(gòu)的器件并仿真獲得瞬態(tài)特性，將兩種方法獲得的結(jié)果進(jìn)行比較并分析是什么原因造成的結(jié)果差異，就可以讓學(xué)生深刻的理解版圖與工藝間的關(guān)系。

案例2在微電子及相關(guān)專業(yè)的選修課中，往往有類似功率半導(dǎo)體器件、光電子器件等相關(guān)內(nèi)容的課程。這些課程內(nèi)容與應(yīng)用結(jié)合緊密，對擴(kuò)展學(xué)生的知識面具有重要意義。但同時(shí)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(shí)驗(yàn)時(shí)，工藝實(shí)驗(yàn)門檻太高，測試實(shí)驗(yàn)又難以深入反映物理機(jī)理。但如果開展仿真實(shí)驗(yàn)，就可以較好地解決該矛盾。以功率器件為例，讓學(xué)生用仿真的方法將一個(gè)典型的長溝道MOSFET的結(jié)構(gòu)改造成一個(gè)典型的VDMOS結(jié)構(gòu)，對比輸出特性的變化，并提取開態(tài)電阻和擊穿電壓，再根據(jù)器件特性隨關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，即可讓學(xué)生對功率器件的工作機(jī)理、設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)有深入的認(rèn)識。

4 實(shí)踐效果

根據(jù)上述的方案，作者設(shè)計(jì)了一系列的課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用到電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的2011～2013級學(xué)生的本科教學(xué)中。共開展課程實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)，課程設(shè)計(jì)一個(gè)(兩周)及綜合實(shí)驗(yàn)一個(gè)(兩周)。經(jīng)過3年的建設(shè)與調(diào)整，已經(jīng)建成了一個(gè)與硬件實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)、知識面覆蓋所有相關(guān)專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)課程體系。

通過對實(shí)驗(yàn)效果的調(diào)研，同學(xué)們普遍反映實(shí)驗(yàn)的設(shè)置難度適中、開放性強(qiáng)、趣味性強(qiáng)。根據(jù)對后續(xù)課程的觀察和調(diào)研，上述實(shí)驗(yàn)的開展對于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力和自學(xué)能力、提升對相關(guān)課程的學(xué)習(xí)興趣具有明顯的效果。

5 結(jié) 語

形式豐富、內(nèi)容充實(shí)的實(shí)驗(yàn)是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的關(guān)鍵，但由于微電子工藝和器件類課程實(shí)驗(yàn)對于硬件條件的要求較高，并不是每所高校都具備相應(yīng)的條件。采用仿真技術(shù)，可以解決對硬件條件的依賴，開設(shè)內(nèi)容豐富、開放性強(qiáng)的各類實(shí)驗(yàn)，滿足本科教學(xué)的要求。仿真實(shí)驗(yàn)既可以作為硬件實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，也可以單獨(dú)開設(shè)。但同時(shí)，由于軟件仿真自身的特點(diǎn)，為了讓學(xué)生從仿真實(shí)驗(yàn)中提高實(shí)踐能力，須對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)提出較高的要求。

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