集成电路制造工艺实验流程仿真实验研究

来源:用户上传      作者:王保柱 武瑞红 张明

　　摘 要：仿真实验教学是信息时代教育改革发展的必然要求，也是教育技术现代化和实践实验信息化的重要特征。本论文设计开发了一套集成电路工艺实验流程仿真实验软件，可以在计算机上进行完成一些需要昂贵仪器、有一定危险的实验项目。虚拟仿真技术在实验教学的综合应用，是增强学生实践能力和提高学生就业竞争力的重要手段和方法。
　　关键词：集成电路;工艺;仿真
　　仿真实验教学是信息时代教育改革发展的必然要求，也是教育技术现代化和实践实验信息化的重要特征。仿真实验教学可以使广大学生在开放、自主和交互的计算机环境中开展高效、安全且经济的实验，尤其是对于一些涉及危险或极端环境，不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或综合性实验项目。特别是针对理工类高校的大量工科专业，虚拟仿真实验教学的综合应用，可以增强学生实践能力，是提高学生就业竞争力的重要手段和方法。
　　一、仿真实验整体设计
　　对于电子科学与技术等专业的半导体器件，集成电路制造工艺和光电子技术等实验内容，实验仪器价格昂贵，一整套的半导体工艺设备至少在几百万元人民币以上;有些工艺步骤中还存在一定的实验危险因素，涉及一些可燃性气体，以及高电压设备;实验用品和耗材价格也比较昂贵。这样以来，虚拟仿真实验教学将是学生学习重要内容，增强学生的综合能力的有益手段，虚拟仿真实验教学可以很好地体现出信息技术发展和与学科专业深度融合带来的实验教学改革与创新。
　　研究设计了一套硅基集成电路工艺实验流程仿真实验软件，该仿真实验教学软件，可以在计算机上进行模拟实验，具体可以开设半导体器件、集成电路工艺、光电子技术等课程。初步设计的虚拟仿真实验项目如图1所示，可以实现6个模块的流程模拟：（1）磁控溅射法制备导电薄膜;（2）硼扩散工艺实验;（3）氧化工艺实验;（4）MOS结构高频CV特性测试;（5）图形转移工艺实验;（6）等离子增强化学汽相沉积制备介质薄膜材料。
　　二、氧化工艺仿真设计
　　在集成电路中很多地方需要二氧化硅，制备二氧化硅的方法有很多，热分解法、溅射法、真空蒸发法、化学气相淀积和热氧化法等。其中，热生长法制备的二氧化硅质量好。热氧化法制备二氧化硅有很多优点：具有很高的重复性和化学稳定性，其物理性质和化学性质不太受湿度和中等温度热处理的影响;可以降低Si表面的悬挂键，使表面态密度减小;能很好地控制界面陷阱和固定电荷。这些优点对MOS器件和其他器件都是很重要的。
　　在仿真软件中，首先给出氧化扩散设备图，然后开始逐个介绍设备的各个组成部分：该设备有上下两个加热炉管。有两路气路，一路是氮气和氧气的混合气路。进行氧化或扩散工艺时，需要氮气和氧气作为反应气体或载气或者保护气体，会同时使用，另一气路为低流量的氮气，一般情况下不采用，平时关闭。
　　具体的软件设计为：首先点击氧化工艺实验右侧的进入按钮，就能对氧化工艺进行虚拟实验。具体步骤分为8步，每步均有流程简介，参数设置以及相关图片展示等。如图2氧化工艺参数设置图所示，可以输入包括氧化炉开启状态、氧化温度、氧气流量等试验参数。在随后的实验步骤中，还可以输入升温步骤、氧化时间、降温步骤等多个参数，在第八步参数设置下面会有仿真按钮。进行仿真后，便能对前几步中涉及的参数进行分析计算，来得出一个结果弹出窗口，结果既包括一个氧化后硅片的图片和一个仿真计算得到的氧化层厚度。
　　三、结语
　　该集成电路工艺实验流程仿真实验软件，目前已经用于我校电子科学与技术专业本科学生和电路与系统专业硕士研究生的虚拟仿真实验教学。虚拟仿真引入了实验教学后，提高了学生实验学习兴趣，使学生在仿真实验中有目的、有针对性地进行专业实验，利用掌握的知识对实验结果进行合理分析讨论，解决实验问题，从而达到实验教学培养学生理论联系实际实践能力和创新能力的目的，学生反馈普遍良好。
　　参考文献：
　　[1]吴金栋，任光辉，黄东键，等.基于虚拟仿真技术开展实践教学改革的研究与实践[J].实验室研究与探索，2018，37（5）：240244.
　　[2]周海，徐晓明，陈西府，等.虚实结合的模具设计制造实践教学体系构建[J].教育教学论坛，2017（9）：141144.
　　[3]董焱.基于虚拟化技术的实验教学中心环境构建[J].实验技术与管理，2011，28（3）：299302.
　　課题：1.2019河北科技大学教学改革研究课题（2019YBA06）;2.2016年河北科技大学理工学院教学改革研究课题（ZX2016Z02）
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