微電子工藝課程中TCAD技術應用的教學探討論文
本文主要指出了在微電子工藝技術發(fā)展日新月異的形勢下，在高校微電子工藝課程的教學中引入TCAD技術進行輔助教學的必要性，探討了在微電子工藝的理論和實驗教學中TCAD技術應用的方法和措施，從而提高專業(yè)教學質量、提高學生的實際工作能力和專業(yè)素質，適應當今社會對人才培養(yǎng)的需求。
1 引言
以微電子技術為核心的電子信息產業(yè)已成為全球乃至我國的第一大產業(yè)，成為改造和拉動傳統(tǒng)產業(yè)的強大引擎和技術基礎。鑒于微電子技術和產業(yè)在國民經濟中具有非常重要的地位，近年來國內很多高校開始大力發(fā)展或者創(chuàng)辦微電子相關的專業(yè)，如：微電子學、微電子技術以及集成電路設計等專業(yè)。在微電子專業(yè)課程教學中，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踐性很強、實踐與理論結合緊密的課程。當前，微電子工藝的發(fā)展日新月異，芯片制造廠商在32nm工藝上實現(xiàn)了量產，22nm技術正在逐步成熟之中;主流12英寸硅圓片已逐漸準備向18英寸晶圓過渡。這就給微電子工藝課程的教學提出了嚴峻的考驗，如果還是按照課本的工藝內容進行教學，學生沒有直觀印象，感覺枯燥無味;同時由于微電子工藝課程具有實踐性很強、實踐與理論結合緊密的特點，如果僅僅是去集成電路制造廠或研究所進行走馬觀花式的參觀是遠遠不夠的。如何切合實際地進行微電子課程的教學，緊跟微電子技術發(fā)展的步伐，從而加強對本專業(yè)學生專業(yè)素質的培養(yǎng)，提高微電子工藝課程的教學質量，是當前所面臨的緊迫問題[1-2]。
隨著計算機硬件和數(shù)值計算技術的不斷發(fā)展和普及，微電子工藝及電路的設計手段不斷進步，目前利用技術計算機輔助設計(TCAD)技術能夠在計算機上真實地實現(xiàn)整個芯片制造的全部流程，相當于一個虛擬的晶圓生產制造廠，從而為高等院校的微電子工藝課程提供了先進的教學手段和方法。因此通過將微電子的TCAD技術引入到微電子工藝專業(yè)的課程中，一方面可以使學生掌握芯片制造的整個工藝流程和設計方法;另一方面可以有效提高課堂教學效果，從而將抽象的概念轉化為直觀的圖像;若再結合具體的工藝試驗，將會顯著增強學生的專業(yè)技能。
2 微電子工藝課程中TCAD技術應用的必要性及意義
2.1 多媒體輔助教學
目前微電子工藝教學以粉筆式板書形式進行講解為主，但是由于微電子工藝涉及到大量工藝流程和芯片結構剖面圖，光靠傳統(tǒng)板書平面圖無法給學生講解透徹。因此需要配合采用幻燈片和教學錄像的多媒體教學形式，利用大量二維和三維的多媒體圖片、視頻來展示和講解復雜的工藝構造過程。由于加入圖片、動畫和視頻，課堂教學的靈活性、生動性比單純板書教學有一定優(yōu)勢，改善了教學效果，使學生獲得直觀、豐富、生動的教學效果，有效地增大了課堂信息量，使學生在有限的時間內學到更多的知識，獲得更充足的信息。同時也有助于在教學中突出重點、分散難點，具有良好的強化效果和整體效應，便于更好地組織教學內容，促進學生對知識的理解和掌握;對于一些理論性強、概念抽象、工藝流程復雜的內容，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踐性很強、實踐與理論結合緊密的特點。目前的教學還是屬于填鴨式的教學，學生自身的積極性和創(chuàng)造性并沒有調動起來，對學生實際專業(yè)能力培養(yǎng)而言，效果不明顯，不利于學生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)。
2.2 TCAD技術應用的必要性及意義
實踐表明，目前微電子工藝課程的教學模式已經不能適應微電子技術快速發(fā)展的步伐。對于微電子專業(yè)而言，要適應半導體產業(yè)對人才培養(yǎng)的需求，研究引入半導體TCAD技術，對微電子工藝課程的教學內容、教學模式、教學方法進行改革與實踐，具有十分重要的意義[5]。
工藝計算機輔助設計(TCAD)指的是利用計算機模擬來開發(fā)和優(yōu)化半導體加工工藝和器件性能。TCAD技術主要通過求解基本的物理偏微分方程(如載流子擴散和傳輸方程)，從而對半導體器件的結構和電氣性能進行建模。這種基于物理模型的方法使得TCAD模擬能夠在很大的技術范圍內保證其預測的準確性。因此，在開發(fā)和優(yōu)化新的工藝和器件時，實踐中TCAD模擬可用于減少昂貴、耗時的晶圓試驗片的投入。所有主流的半導體公司在它們的整個工藝開發(fā)周期內都使用TCAD技術。
以美國矽谷科技有限公司(Silvaco)和美國新思科技公司(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，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、開發(fā)與設計的先進工具，它可以準確地進行半導體工藝流程模擬和半導體器件仿真，還可以進行各種二維和三維新型器件的設計與仿真，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)造了一個非常好的虛擬晶圓制造的實驗平臺。從實際教學的效果角度考慮，采用TCAD技術，教師可以根據(jù)教學需要靈活設計教學內容，從而擺脫固定的書本講授內容的限制;另外學生可以根據(jù)自己的想法設計工藝流程和器件結構，了解工藝的每個步驟，從而為提高學生分析與設計微電子工藝流程的實踐能力，鍛煉創(chuàng)新思維的一條有效途徑。TCAD技術的應用不僅豐富了微電子工藝教學內容，也使學生較早地了解半導體工藝流程和半導體器件的TCAD設計方式，為學生以后更好的適應工作單位的使用需求打下堅實的基礎。
3 微電子工藝課程中TCAD技術應用的教學探討
我們以美國矽谷科技有限公司(Silvaco)的軟件為例，簡要說明TCAD技術在實際微電子工藝課程教學中的應用。雖然TCAD技術可以有效的進行各個獨立工藝步驟(如外延、離子注入、氧化以及刻蝕等工藝)的研究和開發(fā)，在此我們僅以氧化工藝為例來說明其應用。在微電子工藝課程中，氧化工藝是非常重要的一個工藝步驟。雖然通過課本上知識的講解，學生能夠初步了解氧化的機理和氧化設備的工作原理，但是若調節(jié)相關的氧化工藝參數(shù)會獲得什么樣的氧化層形貌卻知之甚少，也沒有一個直觀的印象。若是通過氧化工藝試驗操作來學習，為了設備安全，氧化工藝參數(shù)不能隨意更改，學生只能按照規(guī)定的工藝步驟進行，因此只能按部就班，對氧化工藝還是一知半解。因此我們可以通過Silvaco軟件的工藝模塊Athena來完成氧化工藝的仿真分析，從而學生加深對氧化工藝的理解和認識。針對不同氧化工藝，需要在程序設計的時候，選擇不同的氧化模型和襯底網格的劃分方式;再選用晶向、電阻率大小、硅襯底材料;最后選擇相應的氧化時間、參數(shù)、氣體氛圍和壓力。完成整個氧化工藝流程后就可以運行程序，觀察氧化工藝過程，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生而被抬高的過程。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散，并且影響溝槽左邊區(qū)域的擴散。
通過TCAD技術在微電子工藝課程的應用，改變了以前單純的板書教學過于抽象化的教學模式，對教學中涉及到的微電子工藝流程以及芯片制造過程進行隨堂設計、演示，使學生能夠在課堂上直接看到工藝結果，并與學生實現(xiàn)互動，從而幫助學生更好的理解所學內容，解決了理論和實踐之間的滯后問題。而且學生也可以根據(jù)自己的想法改變工藝參數(shù)或器件結構，進行探索性實驗，并分析結果，還不用擔心損壞昂貴的工藝制造設備，因此可以大大開闊學生思路，發(fā)揮學生主觀能動性，真正提高學生對微電子工藝問題的分析和設計能力。
4 結語
實踐證明，將專業(yè)的TCAD技術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互為補充、緊密結合，形式多樣，內容全面、新穎，對于提高教學效率與效果、降低教學成本以及培養(yǎng)學生的動手能力、分析和解決問題能力等方面將發(fā)揮重要作用，有助于培養(yǎng)有競爭力的高質量的微電子人才，這也是高校微電子工藝課程教學的發(fā)展趨勢。
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