《微电子工艺及器件仿真》课程教学方法研究

刘兴辉+康大为

摘要：《微电子工艺及器件仿真》是在创新人才培养质量的背景下，为增强微电子专业本科生的创新精神和实践能力而开设的一门专业课，课程的知识结构、培养目标与行业需求紧密对接。针对课程综合性、系统性和应用性强、学生不易掌握的特点，采用精讲多练的授课模式：在讲授环节，教师对仿真文件中的仿真规则、关键语句、物理模型及需要采用的处理方法进行重点阐述，同时使用案例式教学法，便于学生掌握仿真要领；在练习环节，借助于翻转课堂模式和提供开放实验室，增强学生自主学习能力并训练修正反馈、举一反三等多维能力，取得了很好的效果。

关键词：工艺及器件仿真；案例教学；翻转课堂；修正反馈

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）01-0215-03

按照《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高[2012]4号）、《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》（国办发[2015]36号）和《教育部、国家发展改革委、财政部关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》（教发[2015]7号）的文件精神，高等学校的人才培养目标应逐步向集知识传授、能力培养、素质提高相融合的方向转变。为深化本科教学改革，培养创新型、复合型、应用型人才，教师授课应突出把握创新型课堂教学[1]、引导学生创新性自主学习[2]两个重点。

当今，微电子和集成电路产业发展迅猛，已成为支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，这为高等学校微电子及相关专业如何培养创新型、应用型、且与行业需求紧密对接的人才提出了更高的要求。具体来说，对知识的传授应以工程实践能力培养为主线[3]，实现学生在知识结构、能力及素质等方面能够适应行业需求。

《微电子工艺及器件仿真》是利用计算机辅助设计工具实现微电子工艺虚拟制造、器件性能验证、预测以及电参数提取的一门课程。该课程将《半导体物理》、《半导体器件物理》、《半导体工艺》等专业理论知识和微电子行业实际生产制造有效衔接。学生通过该课程的学习，一方面，可充分理解专业知识在微电子行业中的具体应用，能够强化理论教学效果。另一方面，仿真可部分取代耗费成本的流片实验、降低生产成本，缩短研发周期以及提高成品率。

为使学生更好地掌握该课程要点，探索合适的教学方法是必不可少的。然而，没有哪种教学模式和方法是适合所有科目、所有学生的。一种好的教学方法应该是针对课程的内容和特点，在实践中总结出来的。

一、《微电子工艺及器件仿真》课程的特点

微电子工艺指的是微电子器件和集成电路制造过程中所涉及的氧化、扩散、淀积、光刻等一系列工艺流程。每项流程的仿真都是基于一定的数学模型来实现[4]，仿真中按实际生产工序，可使用特定关键词调用相应的数学模型去模拟每一个分步工艺，最终实现虚拟制造。微电子器件仿真通过分析电学特性以验证器件结构是否正确，或借助于仿真去设计带有新结构、新材料的器件，仿真也能够用于提取电参数、或提出简约模型以用于电路仿真。

该课程侧重专业知识的系统和综合运用能力，学生只有将先修课程中所学的知识系统、灵活地运用，并根据工艺和器件仿真的文件的编写规则和仿真要领，才能顺利实现仿真文件的编写，进而完成仿真工作，单纯的理解原理无法满足课程的需要。例如：在半导体工艺仿真中涉及的刻蚀速率控制法，如何调整刻蚀参数去控制各向异性刻蚀的形状和速率，在刻蚀侧墙和沟槽的时候，如何控制侧墙厚度和沟槽的形状，需要积累经验。在器件仿真时，要用到物理模型定量计算，例如，迁移率和哪些因素有关？复合机制和哪些因素有关？对于MOS器件，怎样考虑硅/SiO2界面迁移率下降的影响？重掺杂导致半导体带隙变窄对其有效本征态密度有什么影响？

仿真中会涉及先修专业课程未涵盖的内容。例如，在纳米器件中，由于电场变化快，电子迁移率和扩散系数不再是电场的定域方程，因而传统的扩散漂移模型不再适用，需要采用更精确的流体力学传输模型。若考虑量子尺寸效应的影响，还需采用密度梯度模型。再如，如何修改参数文件和库文件，以扩展软件功能，实现新材料和新器件的研究；混合模式仿真中要用到SPICE语句去描述电路结构，需要补充SPICE知识。

二、探索有效教学模式

针对该课程综合性、系统性和应用性强的特点，将课堂时间分成两部分，一部分时间由教师精讲核心知识点即仿真文件的编辑规则和语法，然后通过采用案例式教学，将所讲授的知识具体化、直观化和实例化，便于学生接受；而课堂另一部分时间采用翻转课堂模式，在课下通过开放实验室，方便学生自主学习。

1.精讲核心内容。实现微电子工艺及器件仿真需要借助于软件平台，不同软件其仿真流程大体一致，但仿真文件的语法不同。目前主要商用仿真软件包括：Silvaco和Sentaurus（ISE_TCAD10.0的升级版），《微电子工艺及器件仿真》授课中使用的软件为ISE_TCAD10.0。

对于半导体工艺仿真，重点讲解仿真文件的框架结构和工艺语句描述方法。框架结构语句包括：仿真初始化命令，定义用户网格，衬底参数描述，仿真过程的可视化和图形刷新命令，定义电极位置及初始电压，保存文件命令，仿真结束语句等。对于工艺描述语句，可用“所见即所得”的原则来概括。例如描述氧化的命令为：氧化（所需时间，施加的温度，加入的气体种类），括号前的氧化称为关键词，括号内的内容为描述氧化的参数。由于在ISE-TCAD10.0中，用Diffusion关键词来表示所有的高温工艺，则按照“所见即所得”的原则，可写出diffusion（time=10min， temperature=900deg，atmosphere=O2）表示氧化（时间10分钟，温度900度，所加气氛为氧气）。框架结构语句与工艺描述语句有机结合，就组成工艺仿真文件。

器件仿真文件需要满足一定的规则，仿真单个器件，仿真文件通常由六段构成，分别为：定义输入输出文件、定义电极、定义物理模型、储存计算变量、定义数学算法以及方程求解。对于混合模式仿真，由于电路中除包含若干器件外，还有电容、电阻以及它们和器件之间的连接关系，因此需要增加system节，利用SPICE语句进行电路连接关系描述。对于交流小信号分析、击穿特性仿真等都需要有特定的处理方法。

2.案例教学法。由于仿真文件中涉及的语句和规则较多，为了将仿真流程讲解透彻，使学生容易上手，案例式教学模式是非常有效的手段。在此，以0.18μm的NMOS场效应管的输入-输出特性仿真为例进行说明。

按照分立器件仿真文件的组成结构，首先要给出输入文件（定义器件结构和掺杂信息），并定义输出文件，以存储输出的计算变量和计算得到的电学数据。在定义电极时，强调NMOS管的源极、漏极、栅极的名字要和工艺仿真文件中的相对应。对各电极赋值初始电压，同时注意对于NMOS和PMOS多晶硅栅功函数不同。在物理机制一节中，考虑迁移率的掺杂浓度相关性，高电场时的饱和性，还需考虑Si/SiO2界面的垂直电场导致迁移率下降的影响，同时考虑硅能隙窄化模型，它决定本征载流子浓度。如果Si/SiO2界面附近的SiO2中存在电荷，还要考虑材料界面处的物理机制。在绘图模块中，定义所有的计算变量，例如：电子和空穴浓度、电势、空间电荷、电场、电子迁移率等等。在数学模块中，定义器件仿真时用到的算法，包括仿真器类型、仿真误差标准控制、迭代次数的设置等。在求解模块中，定义求解所使用的泊松方程，电子连续性方程，以及扫描步长的设置和目标电极电压的设定等。最后的仿真结果可通过看图软件直观地看到。整个流程结束，学生对NMOS器件的仿真流程感受非常直观，所得到的输入-输出特性曲线和以前理论课程中学过的完全一致，学生明确地感受到了仿真的魅力所在。

3.翻转课堂及开放实验室。将翻转课堂[5]形式和开放实验室作为教师精讲和案例教学的重要补充，目的是将时间交还给学生，突出学生课程学习中的主体地位。教师在核心内容讲解和案例教学之后，每次拿出课程的一半时间，布置与讲授内容相关的练习题目，学生以小组为单位上机练习，通过参考所学案例，结合个人的知识储备，通过相互协作配合，去完成特定的题目，教师只起到辅助作用，从而实现翻转课堂的效果。

例如：学生在学习了仿真二极管电学特性的案例之后，应有能力去分析类似于突变PN结在平衡态或一定的正偏和反偏电压条件下的能带结构。这需要利用MDRAW软件设计一个PN结结构及定义掺杂分布；并对器件必要的位置进行网格加密；编辑器件仿真文件，并在终端下运行，最后应用看图工具查看相应的结果。对于施加偏压时的均匀掺杂PN结，有学生发现仿真得到的P区和N区能带图中导带底和价带顶并不是平直的，这与《半导体物理》及《半导体器件物理》等教材中给出的图像不同，但又找不到问题所在，会感到很困惑。经过大家互相启发、探讨，最终发现了差异的根源：在理论课中由于假定了P型和N型区的电导率足够高，忽略了中性区内串联电阻的存在，属于近似结果；而在仿真中，物理模型考虑了串联电阻的存在，比较而言更接近实际结果。学生通过自己的努力找到了问题的答案，升华了对理论知识的理解，进而提高了学习兴趣，增强了自信心。

再比如，对由两个NMOS管和两个PMOS管构成的二端输入二端输出的或非门电路进行仿真，这是一个混合模式仿真训练。教师通常会给出一个带有错误电路连接关系的仿真程序，学生运行此程序并根据已有储备知识判断结果正确与否，如果有错误，如何修正。学生以小组为单位，分工合作，每个学生都承担一段程序的排查任务，以找出问题所在，如果问题没得到解决，会交换各自所承担的排查任务，直到最终找到问题，以此锻炼了学生的修正反馈能力和分工协作能力。

在课后时间里，通过开放实验室为学生提供自主学习机会。学生可按照案例所示的仿真流程，进行举一反三能力的训练。例如，根据NMOS工艺流程仿真程序，学生可进行PMOS工艺仿真练习；根据MOS管I-V特性仿真方法，学生可仿真MOS管的转移特性。该课程是一门应用性很强的课程，因此除了理论课外，还设定了12个题目的上机实验，学生需要在规定时间内完成这些实验并撰写实验报告，以任务为驱动，进一步锻炼解决实际问题的能力。

三、结论

微电子工艺及器件仿真在微电子和集成电路的设计研发领域发挥着非常重要的作用，《微电子工艺及器件仿真》课程的设置是与行业需求相呼应的。针对课程综合性、系统性和应用性强的特点，教师授课采用精讲多练的模式，同时使用案例式教学法增强学生对仿真流程的直观感受，便于掌握仿真要领；在练习环节，借助于翻转课堂形式和提供开放实验室，增强学生自主学习能力并训练修正反馈和举一反三、团队协作配合等多维能力。

近年来，学生运用所学的工艺和器件仿真方法，或参与“大学生创新训练”项目，或进行课程设计和毕业设计，既强化了实训技能，又有效增强了创新思维和能力。当然，仿真所涉及的知识点非常广泛，仅仅在规定教学时间内，学生无法掌握仿真全部精髓，在必要的情况下，拓展学习是必要的。

最后需要强调的是，学生是课程学习的主体，学习兴趣和目标导向是影响学习效果的主要因素。教师在教学中要注意引导，通过分析行业特点和就业趋势，培养学生对专业的认可度，这样才能进一步调动学习积极性，提高教学效果。

参考文献：

[1]赵春生.创新课堂教学方法提高课堂教学成效[J].科技创新与应用，2013，（13）：293-293.

[2]肖林，严慧玲.大学生如何进行创新性学习和研究的初步探讨[J].科技视界，2016，（10）：21-21.

[3]陈明，张春枝，杨君，权春善，曹成有，杨翔华.卓越计划背景下生物工程专业工程实践能力培养体系的构建与探索[J].教育教学论坛，2016，（6）24：227-228.

[4]陆建祖，魏红振，李玉鉴，张永刚，林世鸣，余金中，刘忠立.反应离子刻蚀工艺仿真模型的研究[J].功能材料与器件学报，2000，6（4）：420-424.

[5]杜鹏，“翻转课堂”教学模式本土化发展策略研究[J].中国教育学刊，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