微電子工藝課程中TCAD技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)探討論文

　　本文主要指出了在微電子工藝技術(shù)發(fā)展日新月異的形勢(shì)下，在高校微電子工藝課程的教學(xué)中引入TCAD技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)的必要性，探討了在微電子工藝的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中TCAD技術(shù)應(yīng)用的方法和措施，從而提高專業(yè)教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生的實(shí)際工作能力和專業(yè)素質(zhì)，適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的需求。

　　1 引言

　　以微電子技術(shù)為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)已成為全球乃至我國(guó)的第一大產(chǎn)業(yè)，成為改造和拉動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)大引擎和技術(shù)基礎(chǔ)。鑒于微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有非常重要的地位，近年來(lái)國(guó)內(nèi)很多高校開(kāi)始大力發(fā)展或者創(chuàng)辦微電子相關(guān)的專業(yè)，如：微電子學(xué)、微電子技術(shù)以及集成電路設(shè)計(jì)等專業(yè)。在微電子專業(yè)課程教學(xué)中，微電子工藝課程是其重要組成部分，然而微電子工藝是一門實(shí)踐性很強(qiáng)、實(shí)踐與理論結(jié)合緊密的課程。當(dāng)前，微電子工藝的發(fā)展日新月異，芯片制造廠商在32nm工藝上實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，22nm技術(shù)正在逐步成熟之中;主流12英寸硅圓片已逐漸準(zhǔn)備向18英寸晶圓過(guò)渡。這就給微電子工藝課程的教學(xué)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，如果還是按照課本的工藝內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生沒(méi)有直觀印象，感覺(jué)枯燥無(wú)味;同時(shí)由于微電子工藝課程具有實(shí)踐性很強(qiáng)、實(shí)踐與理論結(jié)合緊密的特點(diǎn)，如果僅僅是去集成電路制造廠或研究所進(jìn)行走馬觀花式的參觀是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如何切合實(shí)際地進(jìn)行微電子課程的教學(xué)，緊跟微電子技術(shù)發(fā)展的步伐，從而加強(qiáng)對(duì)本專業(yè)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，提高微電子工藝課程的教學(xué)質(zhì)量，是當(dāng)前所面臨的緊迫問(wèn)題[1-2]。

　　隨著計(jì)算機(jī)硬件和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，微電子工藝及電路的設(shè)計(jì)手段不斷進(jìn)步，目前利用技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(TCAD)技術(shù)能夠在計(jì)算機(jī)上真實(shí)地實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片制造的全部流程，相當(dāng)于一個(gè)虛擬的晶圓生產(chǎn)制造廠，從而為高等院校的微電子工藝課程提供了先進(jìn)的教學(xué)手段和方法。因此通過(guò)將微電子的TCAD技術(shù)引入到微電子工藝專業(yè)的課程中，一方面可以使學(xué)生掌握芯片制造的整個(gè)工藝流程和設(shè)計(jì)方法;另一方面可以有效提高課堂教學(xué)效果，從而將抽象的概念轉(zhuǎn)化為直觀的圖像;若再結(jié)合具體的工藝試驗(yàn)，將會(huì)顯著增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)技能。

　　2 微電子工藝課程中TCAD技術(shù)應(yīng)用的必要性及意義

　　2.1 多媒體輔助教學(xué)

　　目前微電子工藝教學(xué)以粉筆式板書形式進(jìn)行講解為主，但是由于微電子工藝涉及到大量工藝流程和芯片結(jié)構(gòu)剖面圖，光靠傳統(tǒng)板書平面圖無(wú)法給學(xué)生講解透徹。因此需要配合采用幻燈片和教學(xué)錄像的多媒體教學(xué)形式，利用大量二維和三維的多媒體圖片、視頻來(lái)展示和講解復(fù)雜的工藝構(gòu)造過(guò)程。由于加入圖片、動(dòng)畫和視頻，課堂教學(xué)的靈活性、生動(dòng)性比單純板書教學(xué)有一定優(yōu)勢(shì)，改善了教學(xué)效果，使學(xué)生獲得直觀、豐富、生動(dòng)的教學(xué)效果，有效地增大了課堂信息量，使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)學(xué)到更多的知識(shí)，獲得更充足的信息。同時(shí)也有助于在教學(xué)中突出重點(diǎn)、分散難點(diǎn)，具有良好的強(qiáng)化效果和整體效應(yīng)，便于更好地組織教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握;對(duì)于一些理論性強(qiáng)、概念抽象、工藝流程復(fù)雜的內(nèi)容，可以起到事半功倍的效果[3-4]。但是微電子工藝課程具有實(shí)踐性很強(qiáng)、實(shí)踐與理論結(jié)合緊密的特點(diǎn)。目前的教學(xué)還是屬于填鴨式的教學(xué)，學(xué)生自身的積極性和創(chuàng)造性并沒(méi)有調(diào)動(dòng)起來(lái)，對(duì)學(xué)生實(shí)際專業(yè)能力培養(yǎng)而言，效果不明顯，不利于學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。

　　2.2 TCAD技術(shù)應(yīng)用的必要性及意義

　　實(shí)踐表明，目前微電子工藝課程的教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)微電子技術(shù)快速發(fā)展的步伐。對(duì)于微電子專業(yè)而言，要適應(yīng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的需求，研究引入半導(dǎo)體TCAD技術(shù)，對(duì)微電子工藝課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法進(jìn)行改革與實(shí)踐，具有十分重要的意義[5]。

　　工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(TCAD)指的是利用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化半導(dǎo)體加工工藝和器件性能。TCAD技術(shù)主要通過(guò)求解基本的物理偏微分方程(如載流子擴(kuò)散和傳輸方程)，從而對(duì)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和電氣性能進(jìn)行建模。這種基于物理模型的方法使得TCAD模擬能夠在很大的技術(shù)范圍內(nèi)保證其預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。因此，在開(kāi)發(fā)和優(yōu)化新的工藝和器件時(shí)，實(shí)踐中TCAD模擬可用于減少昂貴、耗時(shí)的晶圓試驗(yàn)片的投入。所有主流的半導(dǎo)體公司在它們的整個(gè)工藝開(kāi)發(fā)周期內(nèi)都使用TCAD技術(shù)。

　　以美國(guó)矽谷科技有限公司(Silvaco)和美國(guó)新思科技公司(Synopsys的Sentaurus和Taurus)為代表的TCAD軟件為例。這些軟件除了具有界面形象直觀、易于使用等優(yōu)點(diǎn)，還覆蓋了幾乎所有的微電子工藝流程，是微電子工藝和器件研究、開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的先進(jìn)工具，它可以準(zhǔn)確地進(jìn)行半導(dǎo)體工藝流程模擬和半導(dǎo)體器件仿真，還可以進(jìn)行各種二維和三維新型器件的設(shè)計(jì)與仿真，例如深亞微米器件、光電子器件、量子器件及納米器件等，這些為我們創(chuàng)造了一個(gè)非常好的虛擬晶圓制造的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。從實(shí)際教學(xué)的效果角度考慮，采用TCAD技術(shù)，教師可以根據(jù)教學(xué)需要靈活設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，從而擺脫固定的書本講授內(nèi)容的限制;另外學(xué)生可以根據(jù)自己的想法設(shè)計(jì)工藝流程和器件結(jié)構(gòu)，了解工藝的每個(gè)步驟，從而為提高學(xué)生分析與設(shè)計(jì)微電子工藝流程的實(shí)踐能力，鍛煉創(chuàng)新思維的一條有效途徑。TCAD技術(shù)的應(yīng)用不僅豐富了微電子工藝教學(xué)內(nèi)容，也使學(xué)生較早地了解半導(dǎo)體工藝流程和半導(dǎo)體器件的TCAD設(shè)計(jì)方式，為學(xué)生以后更好的適應(yīng)工作單位的使用需求打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　3 微電子工藝課程中TCAD技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)探討

　　我們以美國(guó)矽谷科技有限公司(Silvaco)的軟件為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明TCAD技術(shù)在實(shí)際微電子工藝課程教學(xué)中的應(yīng)用。雖然TCAD技術(shù)可以有效的進(jìn)行各個(gè)獨(dú)立工藝步驟(如外延、離子注入、氧化以及刻蝕等工藝)的研究和開(kāi)發(fā)，在此我們僅以氧化工藝為例來(lái)說(shuō)明其應(yīng)用。在微電子工藝課程中，氧化工藝是非常重要的一個(gè)工藝步驟。雖然通過(guò)課本上知識(shí)的講解，學(xué)生能夠初步了解氧化的機(jī)理和氧化設(shè)備的工作原理，但是若調(diào)節(jié)相關(guān)的氧化工藝參數(shù)會(huì)獲得什么樣的氧化層形貌卻知之甚少，也沒(méi)有一個(gè)直觀的印象。若是通過(guò)氧化工藝試驗(yàn)操作來(lái)學(xué)習(xí)，為了設(shè)備安全，氧化工藝參數(shù)不能隨意更改，學(xué)生只能按照規(guī)定的工藝步驟進(jìn)行，因此只能按部就班，對(duì)氧化工藝還是一知半解。因此我們可以通過(guò)Silvaco軟件的工藝模塊Athena來(lái)完成氧化工藝的仿真分析，從而學(xué)生加深對(duì)氧化工藝的理解和認(rèn)識(shí)。針對(duì)不同氧化工藝，需要在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，選擇不同的氧化模型和襯底網(wǎng)格的劃分方式;再選用晶向、電阻率大小、硅襯底材料;最后選擇相應(yīng)的氧化時(shí)間、參數(shù)、氣體氛圍和壓力。完成整個(gè)氧化工藝流程后就可以運(yùn)行程序，觀察氧化工藝過(guò)程，如圖1-2所示。從圖1中可以清晰地看到多晶硅緩沖層局部氧化隔離中，多晶硅層由于壓力產(chǎn)生而被抬高的過(guò)程。而圖2則顯示了帶有氧化注入空隙的溝槽氧化氧化層的注入空隙在溝槽中被截留，硅中的空隙在溝槽底部周圍擴(kuò)散，并且影響溝槽左邊區(qū)域的擴(kuò)散。

　　通過(guò)TCAD技術(shù)在微電子工藝課程的應(yīng)用，改變了以前單純的板書教學(xué)過(guò)于抽象化的教學(xué)模式，對(duì)教學(xué)中涉及到的微電子工藝流程以及芯片制造過(guò)程進(jìn)行隨堂設(shè)計(jì)、演示，使學(xué)生能夠在課堂上直接看到工藝結(jié)果，并與學(xué)生實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，從而幫助學(xué)生更好的理解所學(xué)內(nèi)容，解決了理論和實(shí)踐之間的滯后問(wèn)題。而且學(xué)生也可以根據(jù)自己的想法改變工藝參數(shù)或器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)，并分析結(jié)果，還不用擔(dān)心損壞昂貴的工藝制造設(shè)備，因此可以大大開(kāi)闊學(xué)生思路，發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，真正提高學(xué)生對(duì)微電子工藝問(wèn)題的分析和設(shè)計(jì)能力。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　實(shí)踐證明，將專業(yè)的TCAD技術(shù)引入高校微電子工藝課程工作中，與板書講解和多媒體輔助教學(xué)互為補(bǔ)充、緊密結(jié)合，形式多樣，內(nèi)容全面、新穎，對(duì)于提高教學(xué)效率與效果、降低教學(xué)成本以及培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析和解決問(wèn)題能力等方面將發(fā)揮重要作用，有助于培養(yǎng)有競(jìng)爭(zhēng)力的高質(zhì)量的微電子人才，這也是高校微電子工藝課程教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。

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