唐 瑩,李萬(wàn)清

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江杭州 310018;2.杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,浙江杭州 310018)

我們?cè)凇鞍雽?dǎo)體器件”的教學(xué)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)器件工作原理的講解較為容易接受,而對(duì)在器件結(jié)構(gòu)和相應(yīng)制造工藝方面的掌握則顯得困難[1]。

如何在有限的課堂教學(xué)中,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于器件結(jié)構(gòu)及相應(yīng)制造工藝這一薄弱環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí),加深對(duì)器件的理解和掌握,成為“半導(dǎo)體器件”教學(xué)改革的一個(gè)重要問(wèn)題。

筆者將專業(yè)版軟件L-EDIT引入“半導(dǎo)體器件”的課堂教學(xué),通過(guò)運(yùn)用具體的版圖設(shè)計(jì)講解器件的結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的制造過(guò)程,收到了良好的教學(xué)效果。

1 從IC電阻引入L-EDIT

L-EDIT軟件是Tanner Research公司開(kāi)發(fā)的一款版圖圖形編輯器,用于繪制、修改半導(dǎo)體器件與集成電路的掩膜版圖形。

我們?cè)诮虒W(xué)中充分考慮了學(xué)生對(duì)于器件版圖設(shè)計(jì)知之甚少,便從最簡(jiǎn)單器件設(shè)計(jì)引入L-EDIT。我們選擇半導(dǎo)體PN結(jié)電阻設(shè)計(jì)中引入L-EDIT軟件,通過(guò)將PN結(jié)電阻剖面圖與對(duì)應(yīng)的L-EDIT版圖圖形進(jìn)行對(duì)比。圖1(a)為某一PN結(jié)電阻的L-EDIT版圖,圖1(b)為對(duì)應(yīng)的剖面圖,其中深色為PN結(jié)電阻的接觸孔,淺色區(qū)域?yàn)殡娮梵w。L是電阻體的長(zhǎng)度,W是電阻體的寬度,擴(kuò)散結(jié)深用xj表示。

圖1 矩形PN結(jié)IC電阻L-EDIT版圖

通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單條狀PN結(jié)電阻的講解,學(xué)生可以形象地了解PN結(jié)電阻的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)的定義,有助于理解載流子的運(yùn)動(dòng)方式。考慮到絕大多數(shù)電流從接觸孔的內(nèi)邊沿流出,因此電阻的計(jì)算長(zhǎng)度L并非p+區(qū)的擴(kuò)散長(zhǎng)度。學(xué)生籍此還對(duì)于擴(kuò)散工藝有了感性理解,有助于對(duì)器件基本工藝流程的學(xué)習(xí)和掌握。

2 運(yùn)用L-EDIT講解器件結(jié)構(gòu)

由于MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET是“半導(dǎo)體器件”課程的一大核心內(nèi)容[2]。我們可用P型溝道MOSFET為例,圖2(a)為PMOS的結(jié)構(gòu)示意圖,N型襯底上P+區(qū)形成了源極和漏極,源漏極之間為MOS結(jié)構(gòu),多晶硅柵的下方為溝道區(qū);圖2(b)則給出了簡(jiǎn)單PMOS的版圖及其橫向的截面圖,圖中S表示源極、D表示漏極,G表示多晶硅柵極,B則是襯底電極。版圖中的源極和漏極是對(duì)稱的,多晶硅柵極位于源漏區(qū)之間。圖中的PMOS位于N阱之中,四個(gè)終端的連接通過(guò)接觸層實(shí)現(xiàn)。在版圖中,場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵長(zhǎng)是指從源到漏的距離。這個(gè)距離越短,柵極對(duì)電流的控制能力就會(huì)越強(qiáng)。利用版圖,可以清楚地解釋柵長(zhǎng)參數(shù)與器件性能的關(guān)系。

圖2 P溝MOSFET及版圖

L-EDIT軟件將設(shè)計(jì)工藝與參數(shù)相結(jié)合,具有自動(dòng)產(chǎn)生剖面的功能,選擇不同的剖切位置就能產(chǎn)生具體的剖面,此功能對(duì)于學(xué)生綜合理解器件、工藝與版圖很有意義。選擇 Tools※Cross-Section命令,可以模擬根據(jù)版圖制作出的結(jié)果,并在軟件界面的下方顯示出截面圖,利用L-EDIT觀察截面的功能可以觀察版圖所設(shè)計(jì)的器件的制作流程與結(jié)果。圖3(a～e)所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的PMOS制造流程通過(guò)版圖截面的顯現(xiàn)。圖3(a)是N阱和有源區(qū)的截面圖,圖3(b)是增加了P-select之后的截面圖,圖3(c)中添加了Poly多晶硅柵,圖3(d)中打開(kāi)了源漏極的接觸孔,圖3(e)則是最終整體PMOS的截面圖。圖3(f)給出了最終 L-EDIT的程序界面與PMOS的整體版圖,以及橫向的截面觀察圖。因而圖3顯示的不同階段工藝截面,可讓學(xué)生清楚地理解PMOS結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的工藝流程。

圖3 L-EDIT軟件界面及PMOS器件版圖

圖4(a)為NPN型BJT結(jié)構(gòu)示意圖,圖4(b)和圖4(c)給出了NPN和PNP兩種不同類型的BJT晶體管版圖。通過(guò) L-EDIT版圖,學(xué)生可以對(duì)版圖中電極位置與形狀的變化對(duì)器件性能帶來(lái)的影響展開(kāi)討論。例如在圖4(b)中將基極條位置遠(yuǎn)離發(fā)射區(qū),是否會(huì)導(dǎo)致基極串聯(lián)電阻增加等。

圖4 BJT晶體管及兩種不同類型的版圖

3 結(jié)語(yǔ)

多媒體課堂教學(xué)中,既可以使用提前繪制好的L-EDIT版圖,在講解中針對(duì)器件的結(jié)構(gòu)和工藝過(guò)程,有選擇的顯示或單層或多層的掩膜版圖形,也可以在課堂上當(dāng)場(chǎng)繪制和修改,教學(xué)方便且調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性。

在“半導(dǎo)體器件”的教學(xué)中,由于學(xué)時(shí)有限,并非每一種器件結(jié)構(gòu)都需要應(yīng)用L-EDIT輔助講解,要依據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要,有針對(duì)性的選擇幾類最典型的器件進(jìn)行重點(diǎn)講解,避免占用過(guò)量的課堂時(shí)間而影響其他教學(xué)內(nèi)容的講授。

教學(xué)實(shí)踐表明,應(yīng)用L-EDIT軟件輔助“半導(dǎo)體器件”的教學(xué),有助于學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)、物理原理及工藝過(guò)程的整體學(xué)習(xí)和融會(huì)理解,豐富教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容,以達(dá)到良好的教學(xué)效果。

[1] [美]施敏著,趙鶴鳴、錢敏、黃秋萍等譯.半導(dǎo)體器件物理與工藝(第二版)[M].蘇州:蘇州大學(xué)出版社2004版

[2] 曾樹(shù)榮.半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)[M].北京:北京大學(xué)出版社2002版