微电子工艺课程中TCAD技术应用的教学探讨论文
本文主要指出了在微电子工艺技术发展日新月异的形势下，在高校微电子工艺课程的教学中引入TCAD技术进行辅助教学的必要性，探讨了在微电子工艺的理论和实验教学中TCAD技术应用的方法和措施，从而提高专业教学质量、提高学生的实际工作能力和专业素质，适应当今社会对人才培养的需求。
1 引言
以微电子技术为核心的电子信息产业已成为全球乃至我国的第一大产业，成为改造和拉动传统产业的强大引擎和技术基础。鉴于微电子技术和产业在国民经济中具有非常重要的地位，近年来国内很多高校开始大力发展或者创办微电子相关的专业，如：微电子学、微电子技术以及集成电路设计等专业。在微电子专业课程教学中，微电子工艺课程是其重要组成部分，然而微电子工艺是一门实践性很强、实践与理论结合紧密的课程。当前，微电子工艺的发展日新月异，芯片制造厂商在32nm工艺上实现了量产，22nm技术正在逐步成熟之中;主流12英寸硅圆片已逐渐准备向18英寸晶圆过渡。这就给微电子工艺课程的教学提出了严峻的考验，如果还是按照课本的工艺内容进行教学，学生没有直观印象，感觉枯燥无味;同时由于微电子工艺课程具有实践性很强、实践与理论结合紧密的特点，如果仅仅是去集成电路制造厂或研究所进行走马观花式的参观是远远不够的。如何切合实际地进行微电子课程的教学，紧跟微电子技术发展的步伐，从而加强对本专业学生专业素质的培养，提高微电子工艺课程的教学质量，是当前所面临的紧迫问题[1-2]。
随着计算机硬件和数值计算技术的不断发展和普及，微电子工艺及电路的设计手段不断进步，目前利用技术计算机辅助设计(TCAD)技术能够在计算机上真实地实现整个芯片制造的全部流程，相当于一个虚拟的晶圆生产制造厂，从而为高等院校的微电子工艺课程提供了先进的教学手段和方法。因此通过将微电子的TCAD技术引入到微电子工艺专业的课程中，一方面可以使学生掌握芯片制造的整个工艺流程和设计方法;另一方面可以有效提高课堂教学效果，从而将抽象的概念转化为直观的图像;若再结合具体的工艺试验，将会显著增强学生的专业技能。
2 微电子工艺课程中TCAD技术应用的必要性及意义
2.1 多媒体辅助教学
目前微电子工艺教学以粉笔式板书形式进行讲解为主，但是由于微电子工艺涉及到大量工艺流程和芯片结构剖面图，光靠传统板书平面图无法给学生讲解透彻。因此需要配合采用幻灯片和教学录像的多媒体教学形式，利用大量二维和三维的多媒体图片、视频来展示和讲解复杂的工艺构造过程。由于加入图片、动画和视频，课堂教学的灵活性、生动性比单纯板书教学有一定优势，改善了教学效果，使学生获得直观、丰富、生动的教学效果，有效地增大了课堂信息量，使学生在有限的时间内学到更多的知识，获得更充足的信息。同时也有助于在教学中突出重点、分散难点，具有良好的强化效果和整体效应，便于更好地组织教学内容，促进学生对知识的理解和掌握;对于一些理论性强、概念抽象、工艺流程复杂的内容，可以起到事半功倍的效果[3-4]。但是微电子工艺课程具有实践性很强、实践与理论结合紧密的特点。目前的教学还是属于填鸭式的教学，学生自身的积极性和创造性并没有调动起来，对学生实际专业能力培养而言，效果不明显，不利于学生分析问题、解决问题能力的培养。
2.2 TCAD技术应用的必要性及意义
实践表明，目前微电子工艺课程的教学模式已经不能适应微电子技术快速发展的步伐。对于微电子专业而言，要适应半导体产业对人才培养的需求，研究引入半导体TCAD技术，对微电子工艺课程的教学内容、教学模式、教学方法进行改革与实践，具有十分重要的意义[5]。
工艺计算机辅助设计(TCAD)指的是利用计算机模拟来开发和优化半导体加工工艺和器件性能。TCAD技术主要通过求解基本的物理偏微分方程(如载流子扩散和传输方程)，从而对半导体器件的结构和电气性能进行建模。这种基于物理模型的方法使得TCAD模拟能够在很大的技术范围内保证其预测的准确性。因此，在开发和优化新的工艺和器件时，实践中TCAD模拟可用于减少昂贵、耗时的晶圆试验片的投入。所有主流的`半导体公司在它们的整个工艺开发周期内都使用TCAD技术。
以美国矽谷科技有限公司(Silvaco)和美国新思科技公司(Synopsys的Sentaurus和Taurus)为代表的TCAD软件为例。这些软件除了具有界面形象直观、易于使用等优点，还覆盖了几乎所有的微电子工艺流程，是微电子工艺和器件研究、开发与设计的先进工具，它可以准确地进行半导体工艺流程模拟和半导体器件仿真，还可以进行各种二维和三维新型器件的设计与仿真，例如深亚微米器件、光电子器件、量子器件及纳米器件等，这些为我们创造了一个非常好的虚拟晶圆制造的实验平台。从实际教学的效果角度考虑，采用TCAD技术，教师可以根据教学需要灵活设计教学内容，从而摆脱固定的书本讲授内容的限制;另外学生可以根据自己的想法设计工艺流程和器件结构，了解工艺的每个步骤，从而为提高学生分析与设计微电子工艺流程的实践能力，锻炼创新思维的一条有效途径。TCAD技术的应用不仅丰富了微电子工艺教学内容，也使学生较早地了解半导体工艺流程和半导体器件的TCAD设计方式，为学生以后更好的适应工作单位的使用需求打下坚实的基础。
3 微电子工艺课程中TCAD技术应用的教学探讨
我们以美国矽谷科技有限公司(Silvaco)的软件为例，简要说明TCAD技术在实际微电子工艺课程教学中的应用。虽然TCAD技术可以有效的进行各个独立工艺步骤(如外延、离子注入、氧化以及刻蚀等工艺)的研究和开发，在此我们仅以氧化工艺为例来说明其应用。在微电子工艺课程中，氧化工艺是非常重要的一个工艺步骤。虽然通过课本上知识的讲解，学生能够初步了解氧化的机理和氧化设备的工作原理，但是若调节相关的氧化工艺参数会获得什么样的氧化层形貌却知之甚少，也没有一个直观的印象。若是通过氧化工艺试验操作来学习，为了设备安全，氧化工艺参数不能随意更改，学生只能按照规定的工艺步骤进行，因此只能按部就班，对氧化工艺还是一知半解。因此我们可以通过Silvaco软件的工艺模块Athena来完成氧化工艺的仿真分析，从而学生加深对氧化工艺的理解和认识。针对不同氧化工艺，需要在程序设计的时候，选择不同的氧化模型和衬底网格的划分方式;再选用晶向、电阻率大小、硅衬底材料;最后选择相应的氧化时间、参数、气体氛围和压力。完成整个氧化工艺流程后就可以运行程序，观察氧化工艺过程，如图1-2所示。从图1中可以清晰地看到多晶硅缓冲层局部氧化隔离中，多晶硅层由于压力产生而被抬高的过程。而图2则显示了带有氧化注入空隙的沟槽氧化氧化层的注入空隙在沟槽中被截留，硅中的空隙在沟槽底部周围扩散，并且影响沟槽左边区域的扩散。
通过TCAD技术在微电子工艺课程的应用，改变了以前单纯的板书教学过于抽象化的教学模式，对教学中涉及到的微电子工艺流程以及芯片制造过程进行随堂设计、演示，使学生能够在课堂上直接看到工艺结果，并与学生实现互动，从而帮助学生更好的理解所学内容，解决了理论和实践之间的滞后问题。而且学生也可以根据自己的想法改变工艺参数或器件结构，进行探索性实验，并分析结果，还不用担心损坏昂贵的工艺制造设备，因此可以大大开阔学生思路，发挥学生主观能动性，真正提高学生对微电子工艺问题的分析和设计能力。
4 结语
实践证明，将专业的TCAD技术引入高校微电子工艺课程工作中，与板书讲解和多媒体辅助教学互为补充、紧密结合，形式多样，内容全面、新颖，对于提高教学效率与效果、降低教学成本以及培养学生的动手能力、分析和解决问题能力等方面将发挥重要作用，有助于培养有竞争力的高质量的微电子人才，这也是高校微电子工艺课程教学的发展趋势。
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