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)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心;b.電子科學(xué)與技術(shù)國家級實驗教學(xué)中心，江蘇 南京 210023)

當前社會已經(jīng)進入了信息時代，信息時代的標志是以計算機和互聯(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). 進入21世紀以來，我國把發(fā)展微電子技術(shù)放到了國家戰(zhàn)略地位，從2000年的18號文，到2010年的4號文，一直到2015年的《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》，國家出臺了一系列的政策和措施推動微電子技術(shù)的發(fā)展[1].

人才的極度缺乏是當前我國微電子領(lǐng)域面臨的主要問題之一[2]. 為此，從本世紀起，各大高校開始大力加強微電子人才的培養(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)場效應(yīng)晶體管的出現(xiàn)和集成化為基礎(chǔ)[3-4]. 當前，MOS場效應(yīng)晶體管的特征尺寸遵循摩爾定律迅速變小，已經(jīng)由微米進入了納米時代，MOS場效應(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場效應(yīng)晶體管的設(shè)計、制造和測試技術(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場效應(yīng)管的制造和測試需要幾十步工序和上百臺設(shè)備，并且必須在超凈環(huán)境下進行，普通高等學(xué)校很難有財力來建設(shè)和維持大規(guī)模的超凈生產(chǎn)線，如何讓學(xué)生在不具備實際加工和測試條件下學(xué)習MOS場效應(yīng)晶體管的設(shè)計、制造和測試，是大多數(shù)高校微電子專業(yè)實驗教學(xué)面臨的難題.

半導(dǎo)體器件的虛擬制造和虛擬測試技術(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). 虛擬制造是借助計算機仿真技術(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，并在計算機上完成晶體管的虛擬加工過程；虛擬測試是借助計算機仿真技術(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，從而在計算機上完成晶體管性能的虛擬測量. 虛擬制造和虛擬測試技術(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)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心[5-6]和電子科學(xué)與技術(shù)國家級實驗教學(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”、“新型微電子器件”和“微電子專業(yè)實驗”等6門課程中的相關(guān)知識點，引入工業(yè)界和學(xué)術(shù)界流行的虛擬制造和虛擬測試技術(shù)，開發(fā)MOS場效應(yīng)晶體管虛擬仿真實驗資源，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)的實驗教學(xué)項目.

1 虛擬仿真實驗的教學(xué)目標

虛擬仿真實驗教學(xué)綜合運用多媒體技術(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)實技術(shù)，構(gòu)建逼真的可視化實驗環(huán)境和實驗對象，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)濟的實驗活動，從而達到提高自身實踐能力的效果[7-13].

MOS場效應(yīng)晶體管虛擬仿真實驗教學(xué)資源是根據(jù)微電子方向教學(xué)目標和教學(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場效應(yīng)晶體管的制造工藝流程、工藝參量對器件結(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)化工藝參量來實現(xiàn)特定的器件結(jié)構(gòu)；了解MOS場效應(yīng)晶體管的工作機理、器件結(jié)構(gòu)參量對器件各種電學(xué)特性的影響關(guān)系，并掌握采用器件模擬軟件進行虛擬測試的方法，編寫電學(xué)特性測試的程序，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；掌握工藝、器件和電路聯(lián)合模擬的方法，并采用該方法進行材料和物理級的模擬和仿真；有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)多門課程的專業(yè)知識解決復(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)新意識和創(chuàng)新精神.

2 虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計

MOS場效應(yīng)晶體管虛擬仿真實驗教學(xué)資源引入了半導(dǎo)體器件的虛擬制造和虛擬測試理念，基于工藝仿真軟件和器件模擬軟件進行二次開發(fā)，包含教學(xué)管理、虛擬制造和虛擬測試3大部分，共17個模塊，如圖1所示. MOS場效應(yīng)晶體管根據(jù)參與導(dǎo)電載流子類型分為NMOS和PMOS，兩者互補組成CMOS(Complementary MOS).

圖1 MOS場效應(yīng)晶體管虛擬仿真實驗資源架構(gòu)

2.1 教學(xué)管理

教學(xué)管理部分共分為4個模塊：基礎(chǔ)知識測試模塊、動畫演示模塊、實驗過程管理模塊與答疑討論模塊.

基礎(chǔ)知識測試模塊：該模塊共設(shè)置30道左右的選擇題，對本實驗所涉及的主要知識點以及易于混淆和難于掌握的重點和難點進行測試. 學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)進行解答，系統(tǒng)會根據(jù)解答情況進行成績評判.

動畫演示模塊：利用Flash，制作時長45 min的動畫，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、后退和停止等功能鍵.

實驗過程管理模塊：一方面用于發(fā)布實驗室開放信息、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)課件等各種實驗資源信息；一方面可進行資源共享，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果和實驗報告的網(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)平臺進行提問、回答和交流討論，教師也可以通過該平臺及時回應(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. 實現(xiàn)了師生之間、生生之間在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的隨時隨地無障礙交流.

2.2 虛擬制造

虛擬制造部分共分為4個模塊：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：該模塊的功能是對版圖文件進行配置.

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 虛擬測試

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

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).

輸出特性測試模塊：該模塊進行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.

柵特性測試模塊：該模塊進行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.

襯底電流測試模塊：該模塊進行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.

熱擊穿測試模塊：該模塊進行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.

雪崩擊穿測試模塊：該模塊進行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)時隨著漏壓的變化源漏電流的變化關(guān)系.

自熱效應(yīng)測試模塊：該模塊進行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，隨著漏壓的變化源漏電流的變化關(guān)系.

瞬態(tài)特性測試模塊：該模塊進行NMOS或PMOS的瞬態(tài)小信號模擬. 即通過在直流偏置上施加交變的小信號，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反相器特性測試模塊：該模塊進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)，進行工藝和物理級的電路模擬，獲得CMOS反相器的傳輸特性、交流特性和瞬態(tài)特性.

2.4 實驗結(jié)果與結(jié)論要求

在本實驗的17個模塊中，要求學(xué)生自主學(xué)習，完成MOS場效應(yīng)晶體管虛擬制造(圖2)和虛擬測試(圖3).

圖2 MOS場效應(yīng)晶體管虛擬制造結(jié)果圖

圖3 MOS場效應(yīng)晶體管虛擬測試結(jié)果圖

實驗要求學(xué)生通過改變MOS場效應(yīng)晶體管虛擬制造和虛擬測試預(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，能夠針對工藝過程以及實際測試的異常問題提出合理方案并驗證. 對于工藝仿真，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 虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)

依托南京郵電大學(xué)信息電子技術(shù)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心和電子科學(xué)與技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心，建設(shè)MOS場效應(yīng)晶體管虛擬仿真實驗教學(xué)項目. 教學(xué)項目包括基礎(chǔ)型、提高型、創(chuàng)新型虛擬制造和虛擬測試仿真實驗以及虛實結(jié)合實驗等相關(guān)實驗案例.

3.1 平臺架構(gòu)

圖4是虛擬仿真實驗教學(xué)項目在南京郵電大學(xué)信息電子技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)站的運

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

3.2 實驗教學(xué)管理

實驗教學(xué)管理貫徹“自主學(xué)習、協(xié)作學(xué)習、探究學(xué)習”的實驗實踐教學(xué)培養(yǎng)模式，包括實驗預(yù)習管理、實驗自測管理、實驗操作管理、實驗報告管理、實驗批改管理、實驗成績管理等環(huán)節(jié)，部署學(xué)校、學(xué)院、教師和學(xué)生4個層次的管理，主要是教師和學(xué)生. 教師根據(jù)教學(xué)計劃在實驗前后進行實驗安排、上傳、維護和更新實驗資源、考勤管理、實驗打分、查看和批改實驗報告以及統(tǒng)計并且發(fā)布實驗成績. 學(xué)生根據(jù)任課教師的要求，進行實驗的預(yù)習并自我機測，通過考核后進行情景式教學(xué)，瀏覽實驗相關(guān)視頻，而后進行實驗操作. 實驗過程中，學(xué)生能夠查看和修改實驗資源的源代碼，提升創(chuàng)新性實驗的比例，將啟發(fā)式教學(xué)引入到實驗教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生探索、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的學(xué)習能力.

3.3 應(yīng)用成效

虛擬仿真實驗教學(xué)項目自開發(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)總計近2 900人，實驗總?cè)藭r數(shù)達到40 776人時.

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

4 虛擬仿真實驗教學(xué)的特色

4.1 知識點覆蓋面廣

構(gòu)建的微電子器件仿真模擬資源庫涵蓋了專業(yè)核心課程90%以上的知識點，對各種MOS場效應(yīng)晶體管的制備工藝和性能測試進行全面而系統(tǒng)地虛擬仿真，且所設(shè)計的實驗項目多樣化，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，學(xué)生可以全面掌握MOS場效應(yīng)晶體管的各種制造工藝流程和直流、交流、瞬態(tài)等各種性能測試.

4.2 理念先進

引入微電子技術(shù)發(fā)展的最新理念——虛擬制造和虛擬測試，解決了普通高等院校無工藝線和無測試環(huán)境進行微電子器件制作和測試教學(xué)的難題，大幅度降低了實驗成本. 所設(shè)計的實驗項目或來源于工程實際，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場效應(yīng)晶體管虛擬仿真實驗教學(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，具有重要的實踐意義和推廣價值.

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場效應(yīng)晶體管虛擬制造和虛擬測試實驗教學(xué)資源，是適應(yīng)高?，F(xiàn)代化教育教學(xué)建設(shè)的必然趨勢，解決了多數(shù)高校實驗教學(xué)的瓶頸問題，實現(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場效應(yīng)晶體管虛擬仿真實驗教學(xué)資源是對信息化教學(xué)的初步嘗試與探索，在教學(xué)過程中還需進一步完善，以建立完整的半導(dǎo)體器件虛擬仿真實驗體系，形成完善的質(zhì)量保證機制，建立創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式.