集成電路工藝實驗教學的探索與實踐

李建軍， 王姝婭， 杜 濤， 王 剛， 張國俊， 李 威， 李 平

(電子科技大學 微電子與固體電子學院，四川 成都 610054)

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集成電路工藝實驗教學的探索與實踐

李建軍， 王姝婭， 杜 濤， 王 剛， 張國俊， 李 威， 李 平

(電子科技大學 微電子與固體電子學院，四川 成都 610054)

在我國集成電路產業又一次高速發展之際，以卓越工程師培養計劃為導向，探索并實踐了集成電路工藝實驗教學。從系統工程的角度，將理論聯系實際作為貫穿整個教學的思路與方法。充分發揮了以學生為主的教學形式，完成從設計到實驗制作再到測試驗證整個過程。將理論與實踐結合，創新與實踐結合起來，培養了學生分析問題、解決問題的能力。

集成電路工藝； 實驗教學； 卓越工程師計劃； 教學方法

0 引 言

集成電路產業是高科技和信息產業的核心領域，其技術水平和發展規模已成為衡量一個國家產業競爭力和綜合國力的重要標志之一。其中，集成電路制造業是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性的基礎產業。當前和今后一段時期是我國集成電路產業發展的重要戰略機遇期和攻堅期，2014年6月我國發布了《國家集成電路產業發展推進綱要》以加快推進我國集成電路產業發展，并明確指出“重點支持集成電路制造領域”[1]。

當前，如何在新的形式下在集成電路制造領域培養合格的工程師對于集成電路工藝實驗教學提出了新的課題。卓越工程師計劃是2010年教育部實施的工程技術人才培養計劃，該計劃旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才[2-3]。集成電路專業人才培養的目標，既要有扎實的理論知識，又要有較強的動手能力，即創新和實踐能力。集成電路工藝實驗是集成電路專業中學習理論聯系實踐的關鍵課程和環節。理論結合實踐的實驗課程是培養合格工程師的關鍵，其教學方法必須進行精心設計，引導并激發學生對課程的學習，并從該課程學習中樹立卓越工程師的理念。因此，本文在新的形式下，對面向卓越工程師計劃的集成電路工藝實驗教學進行了相關探索與實踐。

1 國內集成電路工藝實驗教學現狀

國內各高校教學資源和設施分布不均，造成集成電路工藝實驗教學方式也是多樣的。由于我國集成電路專業的教學是與工業界的結合并不緊密，并缺少直接流片的經費。教學方式一種是依托自有的完整工藝線進行流片，如清華大學擁有一條完整的5英寸直接流片工藝線，但是工藝線并非完全開放，實驗課程主要還是集中在設計環節，然后直接流片。第二種教學方式是可以完全開放工藝線，但是工藝線并非標準主流CMOS(互補金屬氧化物半導體)工藝線，如武漢大學的校辦半導體廠，但他是根據工廠制造的特殊光電器件進行教學，與集成電路主流CMOS工藝發展方向存在差別。第三種教學方式雖然為標準工藝，但是由于受學時或經費限制，集成電路工藝實驗僅為純粹的驗證實驗和參觀實驗，沒有真正教學集成電路專業的核心——設計和創新。第四種教學方式是單純僅通過軟件設計和驗證，而沒有實驗實踐環節[4-7]。

因此，可以看出當前國內的集成電路工藝教學還沒有充分實施理論與實踐結合。將創新與實踐結合起來，培養學生分析問題、解決問題的能力，通過這樣的積累，量變到質變，才能形成卓越工程師應具有的潛質[8-10]。

2 教學內容

集成電路技術的發展是以集成電路制造技術工藝節點為標志，遵循摩爾定律，變化日新月異。雖然理想的工程教育要求教學最新最前沿的技術，但是不斷升級換代昂貴的實驗設備是任何高校負擔不起的。況且，每一代集成電路制造技術的工藝流程都具有類似性，因此單純追求工藝先進性的實驗教學是沒有必要的。在現有的工藝條件下開展集成電路工藝實驗教學，讓學生了解主流集成電路制造流程，并解決遇到的實際問題。同時，融合先進工藝技術的介紹，引導學生具備先進技術視野。在這樣的基礎背景下，學生在今后的工作中能很快融入到先進技術中。因此，集成電路工藝實驗必須根據實際情況，因地制宜地安排教學內容。

2.1 實驗指導書編寫

由于集成電路工藝實驗根據學校實驗工藝線實際條件開設，實驗內容一是要具有代表性，二是要根據實際情況建立工藝流程。因此，沒有現成的教材或實驗指導書可供選擇，必須根據實驗室設備條件編寫對應的、適用的實驗指導書。

2.2 實驗內容安排

實驗內容需從實際工藝條件出發，因地制宜、靈活地安排。根據我校實驗工藝線實際情況，我們主要選取了主流CMOS工藝和具有代表性的雙極工藝。并且，由于工藝設備條件的限制，CMOS工藝為鋁柵CMOS工藝。這兩類工藝實驗課程的學時數都為40學時，學生根據專業方向選擇具體工藝類型。

本實驗課程的目的是培養學生具有一定的工藝設計和分析能力，并通過實踐掌握集成電路制造工藝流程。首先，通過工藝計算機輔助設計(TCAD)軟件的學習熟悉集成電路制造工藝流程，指定產生的器件結構，在滿足制造設備的能力和精度下(即給定工藝參數范圍內)，讓學生設計實驗并加以仿真實現。并且，TCAD軟件是基于物理的器件仿真，不僅能夠得到最終的電學特性，還可以了解器件工作時內部物理機制，能夠直觀分析器件內部能帶、電場、電流以及載流子等的分布和變化，有助于學生分析工藝參數的變化對器件物理特性的影響而最終導致電學參數的改變，從而有利于學生深入理解工藝原理與器件機理的聯系。然后，根據設計的器件尺寸參數，采用L-edit圖形編輯器進行器件版圖設計，并且選用已設計的器件單元來設計簡單的集成電路，如倒向器、或非門、與非門等電路，從而掌握集成電路設計的一般規則。最后是進行工藝實驗實踐環節，采用設計的版圖制作掩膜版。本課程工程化能力要求也主要體現在這一環節，一方面是工程化的理念，另一方面就是相應的實踐能力。在這一過程既要培養實際操作能力，更要培養分析實際問題解決問題的能力，分析工藝過程中的原因以及造成芯片測試參數與設計參數差別的原因。集成電路工藝實驗內容的具體安排由表1和表2列出。

3 教學方法

本課程應從系統工程的角度，將理論聯系實際作為貫穿整個教學的思路與方法。集成電路制造工程包括微電子學、精密機械、電氣、材料等多學科在內的交叉學科。因此，集成電路工藝實驗的本科教學必須強調基礎化、系統化和工程化。教學方法應靈活多樣，既要重視基礎性又要與時俱進。其目的在通過該課程實踐能讓學生將所學知識進行綜合運用，系統掌握半導體器件、集成電路、半導體材料及工藝的相關知識，從而強化學生實踐能力和創新能力，以適應先進集成電路制造技術高速發展的內在要求。

3.1 多元化立體教學方法，充分調動學習興趣

多元化立體教學方法，是以能力培養為核心，以教學資源為平臺，動用所有教學要素，多元化、立體化地融教與學為一體，關注應用與創新的教學體系。立體化是指教學信息載體的多樣化，包括文字、圖片、音頻、視頻、網絡等載體，這是現代教學發展的必然趨勢。多元化是指教學方式多樣化，包括多媒體資料學習、計算機軟件輔助設計、實驗操作等。

表1 集成電路工藝實驗(CMOS工藝)內容安排

表2 集成電路工藝實驗(雙極工藝)內容安排

為了讓學生對集成電路工藝有直觀的認識。我們結合實際的實驗實踐教學過程，制作了全程相關單項工藝原理、流程及設備操作視頻演示多媒體資料。多媒體資料將動畫、聲音、圖形、圖像、文字、視頻等進行合理的處理，做到圖文聲像并茂。由于該門課程是與實際聯系很緊密的課程，形象化教學素材十分豐富，能激發學生的學習興趣，對提高教學效果、教學質量非常有益。同時制作器件、電路的設計、仿真視頻演示多媒體資料，讓學生能快速熟悉設計軟件并理解設計方法。在熟悉微電子器件基本理論和集成電路制造工藝的基礎上，掌握器件和集成電路的設計方法，最后通過實驗操作制作芯片并測試。

多元化立體教學方法能充分調動各種資源有效地實施工程化教學，各個環節緊密聯系，激發學生的求知欲，提高學習興趣。

3.2 引導先進技術視野，培養自主學習能力

高等學校實驗教學過程，既注重通過基本訓練使學生掌握基本知識、基本方法和基本技能，也注重在實驗過程中逐步增強學生主動實驗的意識，不斷滿足他們自主實驗的要求，并鼓勵學生自行設計方案，自主研究探索，獨立思考創新[11-13]。

本課程充分發揮了以學生為主的教學形式，從設計到驗證都需要發揮學生自主學習的能力，具體過程包括要求學習采用計算機輔助設計軟件，根據給定的微電子器件電學參數的設計指標，完成器件的結構參數設計→器件性能仿真驗證→器件和集成電路的版圖設計→材料參數的選取和設計→制定實施工藝方案→微電子器件各參數的檢測方法等設計過程。

此外，由于這種工程化教學的實驗內容并不是最先進技術，因此還需要引導學生具備先進技術視野，激發學生關注當前技術水平的興趣，以學生自主學習為主，通過網絡查詢、學習集成電路技術發展動態，跟進集成電路最先進技術。

3.3 培養解決實際問題的能力

微電子器件的基本理論只能反映器件內部的基本規律，而且這些規律往往是基于很多假設，并忽略了很多次要因素的情況下得到的，如工藝因素的影響，半導體材料的影響及雜質濃度的具體分布形式等。因此，在進行器件設計時必須從生產實踐中總結出經驗數據與基本的理論結合起來，經過多次反復，才能最終得到切實可行的設計方案。此外，由于本課程是將設計環節設計的器件版圖進行制作掩膜版，每個學生都設計了各自結構的器件，因此在器件制作過程中，每個學生就會切實關注每步工藝對器件性能的影響。這樣，在實際工藝過程中的操作鍛煉了每個學生動手能力，在實踐過程中了解哪些工藝因素可能對器件造成影響，培養了解決實際問題的能力。并且，通過這種方式，避免了按組設計制作同一器件而造成部分同學偷懶情況。

3.4 注重過程的考核方式

課程考核是引導學生改進學習方法的有效途徑，促進教學內容的完善和教學方法的改進[14-15]。本課程是實驗實踐課程，考核方式注重過程，分為設計、實驗操作、實驗報告三部分，占比分別為30%、30%和40%，考核學生對知識的掌握和解決實際問題的能力。設計過程著重對基本理論的掌握，強調設計方法的正確性；實驗操作過程著重對學生動手能力的培養，分析實驗過程中的現象，并能解決遇到的一般問題；實驗報告著重對實驗結果的分析與結論，從工藝過程分析造成芯片測試參數與設計參數差別的原因。

4 實施成效

4.1 培養了學生實踐能力和創新能力

充分發揮了以學生為主的教學形式，完成從設計到實驗制作再到測試驗證整個過程。調動了學生學習積極性，在設計中掌握專業理論知識，在工藝實驗中既鍛煉了動手能力，又培養了解決實際問題的能力。集成電路工藝實驗教學將理論與實踐結合，創新與實踐結合起來，培養了學生分析問題、解決問題的能力。

4.2 建成了集成電路工藝實驗教學平臺

在多年連續的投入和改進中，建成了集成電路工藝實驗教學平臺，為我校實施集成電路專業的“卓越工程師教育培養計劃”提供了優質的教學平臺。

同時，實現了教學資源共享。我校集成電路工藝實驗教學平臺除了滿足本校的實驗教學外，還向其他高校或二級學院開設集成電路工藝實驗課程，起到了教學資源共享，以及輻射帶動作用。

4.3 學生就業率穩定，用人單位評價高

在開展面向卓越工程師計劃的集成電路工藝實驗教學的四年來，集成電路專業的學生就業率穩定。2013年就業率為96.1%，2014年到達100%，實施成效顯著。畢業生既能勝任集成電路設計工作，又能勝任集成電路制造工作。同時，用人單位對畢業生入職后的表現整體滿意度高，特別是在專業知識的掌握、實踐動手能力和學習認知能力方面的認可度高。

5 結 語

集成電路工藝實驗是集成電路專業中學習理論聯系實踐的關鍵課程和環節。課程從系統工程的角度，將理論聯系實際作為貫穿整個教學的思路與方法。充分發揮了以學生為主的教學形式，完成從設計到實驗制作再到測試驗證整個過程。將理論與實踐結合，創新與實踐結合起來，培養學生分析問題、解決問題的能力。以到達卓越工程師計劃的核心要求——工程實踐和創新能力的培養，并且在我國集成電路產業又一次高速發展之際，更多更有效地培養滿足社會急需的集成電路領域的卓越工程師人才。

[1] 國家集成電路產業發展推進綱要[EB/OL]. http://www.gov.cn/xinwen/2014-06/24/content_2707360.htm. 2014-06-24/2014-09-25.

[2] 教育部關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見[EB/OL]. http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3860/201102/115066.html. 2011-01-08/2014-09-25.

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Exploration and Practice of Integrated Circuit Process Experiment Teaching

LIJian-jun,WANGShu-ya,DUTao,WANGGang,ZHANGGuo-jun,LIWei,LIPing

(School of Microelectronics and Solid-State Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

On the occasion of the rapid development of IC industry in China, under the guideline of Outstanding Engineers Training Plan, exploration and practice for integrated circuit process experiment teaching were carried out. From the perspective of engineering system, the theory connected with practice is the throughout idea and method of teaching. From the process of designing - manufacturing - testing - verifying, the experiments were all finished by the students themselves. The experience suggests that combining theory with practice, and innovation with practice, the ability of the students in analyzing and solving problems can be improved.

integrated circuit process; experiment teaching; Outstanding Engineers Training Plan; teaching methods

2014-11-20

四川省高等教育人才培養質量和教學改革項目(川教函[2014]450號)；教育部高等學校本科教學改革與教學質量工程項目(教高函[2012]2號)；電子科技大學本科教育教學改革研究項目(2013XJYYL019)

李建軍(1980-)，男，四川江油人，博士，副教授，主要從事超大規模集成電路教學與科研工作。

Tel.:18080919164;E-mail:lijj@uestc.edu.cn

TN 405； G 642.423

A

1006-7167(2015)11-0162-04