李 曼，郭宇鋒，顧世浦，姚佳飛

(南京郵電大學(xué) a.信息電子技術(shù)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心;b.電子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，江蘇 南京 210023)

當(dāng)前社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了信息時(shí)代，信息時(shí)代的標(biāo)志是以計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用. 而信息技術(shù)的基石是微電子技術(shù). 進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)把發(fā)展微電子技術(shù)放到了國(guó)家戰(zhàn)略地位，從2000年的18號(hào)文，到2010年的4號(hào)文，一直到2015年的《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，國(guó)家出臺(tái)了一系列的政策和措施推動(dòng)微電子技術(shù)的發(fā)展[1].

人才的極度缺乏是當(dāng)前我國(guó)微電子領(lǐng)域面臨的主要問題之一[2]. 為此，從本世紀(jì)起，各大高校開始大力加強(qiáng)微電子人才的培養(yǎng)，許多學(xué)校都開設(shè)了微電子專業(yè)或集成電路工程專業(yè)，2015年，教育部出臺(tái)了在高校建設(shè)示范微電子學(xué)院的文件，掀起了微電子人才培養(yǎng)的又一個(gè)高潮.

微電子技術(shù)的核心是集成電路技術(shù)，而集成電路技術(shù)的發(fā)展是以MOS(Metal-oxide-semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的出現(xiàn)和集成化為基礎(chǔ)[3-4]. 當(dāng)前，MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特征尺寸遵循摩爾定律迅速變小，已經(jīng)由微米進(jìn)入了納米時(shí)代，MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能是決定集成電路性能的關(guān)鍵因素. 因此，MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試技術(shù)是微電子專業(yè)人才培養(yǎng)的必須環(huán)節(jié). 但是由于MOS場(chǎng)效應(yīng)管的制造和測(cè)試需要幾十步工序和上百臺(tái)設(shè)備，并且必須在超凈環(huán)境下進(jìn)行，普通高等學(xué)校很難有財(cái)力來建設(shè)和維持大規(guī)模的超凈生產(chǎn)線，如何讓學(xué)生在不具備實(shí)際加工和測(cè)試條件下學(xué)習(xí)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試，是大多數(shù)高校微電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的難題.

半導(dǎo)體器件的虛擬制造和虛擬測(cè)試技術(shù)是近10年來微電子工業(yè)界和學(xué)術(shù)界發(fā)展起來的新技術(shù). 虛擬制造是借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，研究給定的器件結(jié)構(gòu)、工藝步驟和工藝參量的條件下半導(dǎo)體器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化和雜質(zhì)分布，并在計(jì)算機(jī)上完成晶體管的虛擬加工過程；虛擬測(cè)試是借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過求解器件內(nèi)部物理方程，獲得不同工作環(huán)境和偏置條件下半導(dǎo)體器件的各種工作特性，從而在計(jì)算機(jī)上完成晶體管性能的虛擬測(cè)量. 虛擬制造和虛擬測(cè)試技術(shù)已經(jīng)成為微電子工業(yè)界和學(xué)術(shù)界開展微電子器件研究的必備手段.

南京郵電大學(xué)依托于信息電子技術(shù)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[5-6]和電子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，面向微電子專業(yè)學(xué)生，整合“半導(dǎo)體器件物理”、“集成電路工藝”、“集成電路與CAD”、“微電子器件設(shè)計(jì)”、“新型微電子器件”和“微電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)”等6門課程中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，引入工業(yè)界和學(xué)術(shù)界流行的虛擬制造和虛擬測(cè)試技術(shù)，開發(fā)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，為創(chuàng)新型、工程型和應(yīng)用型的微電子專業(yè)人才培養(yǎng)提供優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目.

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合運(yùn)用多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息技術(shù)，結(jié)合仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建逼真的可視化實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，從而達(dá)到提高自身實(shí)踐能力的效果[7-13].

MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源是根據(jù)微電子方向教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，綜合眾多教學(xué)資源開發(fā)的教學(xué)系統(tǒng)[7]. 通過此系統(tǒng)，學(xué)生能夠了解MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造工藝流程、工藝參量對(duì)器件結(jié)構(gòu)和摻雜分布的影響，并掌握采用工藝仿真軟件進(jìn)行虛擬制造的方法，根據(jù)工藝要求編寫相應(yīng)的程序，通過優(yōu)化工藝參量來實(shí)現(xiàn)特定的器件結(jié)構(gòu)；了解MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作機(jī)理、器件結(jié)構(gòu)參量對(duì)器件各種電學(xué)特性的影響關(guān)系，并掌握采用器件模擬軟件進(jìn)行虛擬測(cè)試的方法，編寫電學(xué)特性測(cè)試的程序，選擇正確的模型和求解方法，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)參量來獲得所需要的器件性能指標(biāo)；掌握工藝、器件和電路聯(lián)合模擬的方法，并采用該方法進(jìn)行材料和物理級(jí)的模擬和仿真；有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)多門課程的專業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜科學(xué)問題和工程問題的能力，并在解決問題的過程中展現(xiàn)出創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神.

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源引入了半導(dǎo)體器件的虛擬制造和虛擬測(cè)試?yán)砟?，基于工藝仿真軟件和器件模擬軟件進(jìn)行二次開發(fā)，包含教學(xué)管理、虛擬制造和虛擬測(cè)試3大部分，共17個(gè)模塊，如圖1所示. MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管根據(jù)參與導(dǎo)電載流子類型分為NMOS和PMOS，兩者互補(bǔ)組成CMOS(Complementary MOS).

圖1 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源架構(gòu)

2.1 教學(xué)管理

教學(xué)管理部分共分為4個(gè)模塊：基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試模塊、動(dòng)畫演示模塊、實(shí)驗(yàn)過程管理模塊與答疑討論模塊.

基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試模塊：該模塊共設(shè)置30道左右的選擇題，對(duì)本實(shí)驗(yàn)所涉及的主要知識(shí)點(diǎn)以及易于混淆和難于掌握的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試. 學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解答，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)解答情況進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)判.

動(dòng)畫演示模塊：利用Flash，制作時(shí)長(zhǎng)45 min的動(dòng)畫，演示幾種常見的工藝流程. 為了方便演示，在軟件中設(shè)置了播放、暫停、前進(jìn)、后退和停止等功能鍵.

實(shí)驗(yàn)過程管理模塊：一方面用于發(fā)布實(shí)驗(yàn)室開放信息、儀器設(shè)備信息、教學(xué)大綱、培養(yǎng)方案、演示視頻和網(wǎng)絡(luò)課件等各種實(shí)驗(yàn)資源信息；一方面可進(jìn)行資源共享，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的網(wǎng)絡(luò)傳輸，開展網(wǎng)絡(luò)化教學(xué).

答疑討論模塊：學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行提問、回答和交流討論，教師也可以通過該平臺(tái)及時(shí)回應(yīng)學(xué)生的提問，并可以提出提高性、開放性的問題供大家討論. 實(shí)現(xiàn)了師生之間、生生之間在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的隨時(shí)隨地?zé)o障礙交流.

2.2 虛擬制造

虛擬制造部分共分為4個(gè)模塊：版圖配置模塊、工藝模擬模塊、圖形顯示模塊與文件接口模塊.

版圖配置模塊：該模塊的功能是對(duì)版圖文件進(jìn)行配置.

工藝模擬模塊：該模塊的功能是模擬NMOS、PMOS和CMOS的工藝流程，包括氧化、粒子注入、光刻、刻蝕、淀積、濺射等各種工藝過程.

圖形顯示模塊：該模塊的功能是顯示各個(gè)模擬階段的器件剖面和雜質(zhì)分布的圖形輸出.

文件接口模塊：該模塊的功能是生成工藝模擬和器件模擬的接口文件，并定于電極.

2.3 虛擬測(cè)試

虛擬測(cè)試部分共分為9個(gè)模塊：結(jié)構(gòu)定義模塊、輸出特性測(cè)試模塊、柵特性測(cè)試模塊、襯底電流測(cè)試模塊、熱擊穿測(cè)試模塊、雪崩擊穿測(cè)試模塊、自熱效應(yīng)測(cè)試模塊、瞬態(tài)特性測(cè)試模塊與CMOS反相器特性測(cè)試模塊.

結(jié)構(gòu)定義模塊：該模塊的功能是定義NMOS或PMOS的器件結(jié)構(gòu). 有2種形式：其一是利用器件模擬軟件的區(qū)域、電極和摻雜定義語句來進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)的定義，其二是直接讀取工藝仿真軟件生成的結(jié)構(gòu).

輸出特性測(cè)試模塊：該模塊進(jìn)行NMOS或PMOS輸出特性的模擬. 即給定不同的柵壓，模擬隨著漏壓的變化源漏電流的變化關(guān)系.

柵特性測(cè)試模塊：該模塊進(jìn)行NMOS或PMOS柵特性的模擬. 即模擬給定不同的漏壓，不同界面電荷下隨著柵壓的變化源漏電流的變化關(guān)系.

襯底電流測(cè)試模塊：該模塊進(jìn)行NMOS或PMOS襯底漏電流的模擬. 即給定不同的漏壓，來模擬隨著柵壓的變化襯底電流的變化關(guān)系.

熱擊穿測(cè)試模塊：該模塊進(jìn)行NMOS或PMOS在不同溫度下的熱擊穿模擬. 即給定不同的柵壓，來模擬不同環(huán)境溫度下隨著漏壓的變化源漏電流的變化關(guān)系.

雪崩擊穿測(cè)試模塊：該模塊進(jìn)行NMOS或PMOS的雪崩擊穿模擬. 即給定不同的柵壓，模擬考慮碰撞電離效應(yīng)時(shí)隨著漏壓的變化源漏電流的變化關(guān)系.

自熱效應(yīng)測(cè)試模塊：該模塊進(jìn)行NMOS或PMOS的自熱效應(yīng)模擬. 即考慮器件內(nèi)部載流子加熱效應(yīng)和晶格熱效應(yīng)時(shí)，隨著漏壓的變化源漏電流的變化關(guān)系.

瞬態(tài)特性測(cè)試模塊：該模塊進(jìn)行NMOS或PMOS的瞬態(tài)小信號(hào)模擬. 即通過在直流偏置上施加交變的小信號(hào)，模擬輸出特性的變化，在此基礎(chǔ)上提取器件的截止頻率和最高工作頻率.

CMOS反相器特性測(cè)試模塊：該模塊進(jìn)行電路和器件混合仿真. 通過讀入工藝模擬或定義的NMOS和PMOS器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行工藝和物理級(jí)的電路模擬，獲得CMOS反相器的傳輸特性、交流特性和瞬態(tài)特性.

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論要求

在本實(shí)驗(yàn)的17個(gè)模塊中，要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)，完成MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬制造(圖2)和虛擬測(cè)試(圖3).

圖2 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬制造結(jié)果圖

圖3 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬測(cè)試結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生通過改變MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬制造和虛擬測(cè)試預(yù)設(shè)關(guān)鍵參量，完成不同參量下的工藝仿真和器件特性仿真，能夠針對(duì)工藝過程以及實(shí)際測(cè)試的異常問題提出合理方案并驗(yàn)證. 對(duì)于工藝仿真，需完成包括氧化、離子注入、光刻、刻蝕、淀積、濺射等各種工藝過程；對(duì)于器件特性仿真，需完成輸出特性、柵特性、襯底電流、熱擊穿特性、雪崩擊穿特性、自熱效應(yīng)、瞬態(tài)特性、交流特性的仿真，分別提取出擊穿電壓、閾值電壓、飽和電流、截止頻率以及最大工作頻率.

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)

依托南京郵電大學(xué)信息電子技術(shù)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和電子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，建設(shè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目. 教學(xué)項(xiàng)目包括基礎(chǔ)型、提高型、創(chuàng)新型虛擬制造和虛擬測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)以及虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)案例.

3.1 平臺(tái)架構(gòu)

圖4是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在南京郵電大學(xué)信息電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站的運(yùn)

行界面，采用B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、門戶網(wǎng)站管理等功能于一體. 搭建了云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了校內(nèi)外及更廣范圍的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，即學(xué)生只需要連接網(wǎng)絡(luò)，通過該平臺(tái)，即可在任何時(shí)間、任何空間共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，無限制地進(jìn)行預(yù)習(xí)自測(cè)和實(shí)驗(yàn)操作，打破學(xué)生專業(yè)實(shí)驗(yàn)的限制，有利于學(xué)生泛在化學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理

實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理貫徹“自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)模式，包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)管理、實(shí)驗(yàn)自測(cè)管理、實(shí)驗(yàn)操作管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、實(shí)驗(yàn)批改管理、實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理等環(huán)節(jié)，部署學(xué)校、學(xué)院、教師和學(xué)生4個(gè)層次的管理，主要是教師和學(xué)生. 教師根據(jù)教學(xué)計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)前后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安排、上傳、維護(hù)和更新實(shí)驗(yàn)資源、考勤管理、實(shí)驗(yàn)打分、查看和批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及統(tǒng)計(jì)并且發(fā)布實(shí)驗(yàn)成績(jī). 學(xué)生根據(jù)任課教師的要求，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)并自我機(jī)測(cè)，通過考核后進(jìn)行情景式教學(xué)，瀏覽實(shí)驗(yàn)相關(guān)視頻，而后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作. 實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生能夠查看和修改實(shí)驗(yàn)資源的源代碼，提升創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的比例，將啟發(fā)式教學(xué)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生探索、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的學(xué)習(xí)能力.

3.3 應(yīng)用成效

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目自開發(fā)十多年以來，主要服務(wù)于南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院微電子科學(xué)與工程專業(yè)、電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院微電子科學(xué)與工程等專業(yè)的本科生、南京郵電大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)和集成電路工程專業(yè)的碩士生. 受眾學(xué)生數(shù)總計(jì)近2 900人，實(shí)驗(yàn)總?cè)藭r(shí)數(shù)達(dá)到40 776人時(shí).

2016年獲批江蘇省高等學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)培育項(xiàng)目，在全省范圍免費(fèi)共享使用，起到了一定的示范作用.

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特色

4.1 知識(shí)點(diǎn)覆蓋面廣

構(gòu)建的微電子器件仿真模擬資源庫(kù)涵蓋了專業(yè)核心課程90%以上的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)各種MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備工藝和性能測(cè)試進(jìn)行全面而系統(tǒng)地虛擬仿真，且所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多樣化，為不同需求的學(xué)生提供多種選擇，有利于因材施教. 通過學(xué)習(xí)，學(xué)生可以全面掌握MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的各種制造工藝流程和直流、交流、瞬態(tài)等各種性能測(cè)試.

4.2 理念先進(jìn)

引入微電子技術(shù)發(fā)展的最新理念——虛擬制造和虛擬測(cè)試，解決了普通高等院校無工藝線和無測(cè)試環(huán)境進(jìn)行微電子器件制作和測(cè)試教學(xué)的難題，大幅度降低了實(shí)驗(yàn)成本. 所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或來源于工程實(shí)際，或來源于微電子技術(shù)發(fā)展前沿技術(shù)，仿真工具也與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界無縫對(duì)接，有利于提升學(xué)生解決復(fù)雜問題的工程能力和創(chuàng)新能力.

4.3 輻射范圍廣

MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源面向微電子專業(yè)學(xué)生，甚至電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)生，微電子學(xué)與固體電子學(xué)、集成電路工程等專業(yè)的碩士研究生，提供了主流微電子器件的工藝和器件仿真模擬資源庫(kù)，具有重要的實(shí)踐意義和推廣價(jià)值.

5 結(jié)束語

將虛擬仿真技術(shù)引入了微電子學(xué)專業(yè)中，建設(shè)了MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬制造和虛擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，是適應(yīng)高校現(xiàn)代化教育教學(xué)建設(shè)的必然趨勢(shì)，解決了多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的共享和教學(xué)質(zhì)量的提升. 南京郵電大學(xué)建設(shè)的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源是對(duì)信息化教學(xué)的初步嘗試與探索，在教學(xué)過程中還需進(jìn)一步完善，以建立完整的半導(dǎo)體器件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系，形成完善的質(zhì)量保證機(jī)制，建立創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式.