集成電路制造工藝實驗流程仿真實驗研究

王保柱 武瑞紅 張明

摘?要：仿真實驗教學是信息時代教育改革發展的必然要求，也是教育技術現代化和實踐實驗信息化的重要特征。本論文設計開發了一套集成電路工藝實驗流程仿真實驗軟件，可以在計算機上進行完成一些需要昂貴儀器、有一定危險的實驗項目。虛擬仿真技術在實驗教學的綜合應用，是增強學生實踐能力和提高學生就業競爭力的重要手段和方法。

關鍵詞：集成電路;工藝;仿真

仿真實驗教學是信息時代教育改革發展的必然要求，也是教育技術現代化和實踐實驗信息化的重要特征。仿真實驗教學可以使廣大學生在開放、自主和交互的計算機環境中開展高效、安全且經濟的實驗，尤其是對于一些涉及危險或極端環境，不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目。特別是針對理工類高校的大量工科專業，虛擬仿真實驗教學的綜合應用，可以增強學生實踐能力，是提高學生就業競爭力的重要手段和方法。

一、仿真實驗整體設計

對于電子科學與技術等專業的半導體器件，集成電路制造工藝和光電子技術等實驗內容，實驗儀器價格昂貴，一整套的半導體工藝設備至少在幾百萬元人民幣以上;有些工藝步驟中還存在一定的實驗危險因素，涉及一些可燃性氣體，以及高電壓設備;實驗用品和耗材價格也比較昂貴。這樣以來，虛擬仿真實驗教學將是學生學習重要內容，增強學生的綜合能力的有益手段，虛擬仿真實驗教學可以很好地體現出信息技術發展和與學科專業深度融合帶來的實驗教學改革與創新。

研究設計了一套硅基集成電路工藝實驗流程仿真實驗軟件，該仿真實驗教學軟件，可以在計算機上進行模擬實驗，具體可以開設半導體器件、集成電路工藝、光電子技術等課程。初步設計的虛擬仿真實驗項目如圖1所示，可以實現6個模塊的流程模擬：（1）磁控濺射法制備導電薄膜;（2）硼擴散工藝實驗;（3）氧化工藝實驗;（4）MOS結構高頻CV特性測試;（5）圖形轉移工藝實驗;（6）等離子增強化學汽相沉積制備介質薄膜材料。

二、氧化工藝仿真設計

在集成電路中很多地方需要二氧化硅，制備二氧化硅的方法有很多，熱分解法、濺射法、真空蒸發法、化學氣相淀積和熱氧化法等。其中，熱生長法制備的二氧化硅質量好。熱氧化法制備二氧化硅有很多優點：具有很高的重復性和化學穩定性，其物理性質和化學性質不太受濕度和中等溫度熱處理的影響;可以降低Si表面的懸掛鍵，使表面態密度減小;能很好地控制界面陷阱和固定電荷。這些優點對MOS器件和其他器件都是很重要的。

在仿真軟件中，首先給出氧化擴散設備圖，然后開始逐個介紹設備的各個組成部分：該設備有上下兩個加熱爐管。有兩路氣路，一路是氮氣和氧氣的混合氣路。進行氧化或擴散工藝時，需要氮氣和氧氣作為反應氣體或載氣或者保護氣體，會同時使用，另一氣路為低流量的氮氣，一般情況下不采用，平時關閉。

具體的軟件設計為：首先點擊氧化工藝實驗右側的進入按鈕，就能對氧化工藝進行虛擬實驗。具體步驟分為8步，每步均有流程簡介，參數設置以及相關圖片展示等。如圖2氧化工藝參數設置圖所示，可以輸入包括氧化爐開啟狀態、氧化溫度、氧氣流量等試驗參數。在隨后的實驗步驟中，還可以輸入升溫步驟、氧化時間、降溫步驟等多個參數，在第八步參數設置下面會有仿真按鈕。進行仿真后，便能對前幾步中涉及的參數進行分析計算，來得出一個結果彈出窗口，結果既包括一個氧化后硅片的圖片和一個仿真計算得到的氧化層厚度。

三、結語

該集成電路工藝實驗流程仿真實驗軟件，目前已經用于我校電子科學與技術專業本科學生和電路與系統專業碩士研究生的虛擬仿真實驗教學。虛擬仿真引入了實驗教學后，提高了學生實驗學習興趣，使學生在仿真實驗中有目的、有針對性地進行專業實驗，利用掌握的知識對實驗結果進行合理分析討論，解決實驗問題，從而達到實驗教學培養學生理論聯系實際實踐能力和創新能力的目的，學生反饋普遍良好。

參考文獻：

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課題：1.2019河北科技大學教學改革研究課題（2019YBA06）;2.2016年河北科技大學理工學院教學改革研究課題（ZX2016Z02）