《集成電路版圖設計》課程教學改革探索

向靜 徐勇剛 任曉霞

1 引言

《集成電路版圖設計》課程是微電子科學與工程專業的專業技術課，本課程是集成電路設計、工藝中必不可少的環節。基于重慶文理學院電子電氣工程學院微電子科學與工程專業具體情況，本文指出該課程的教學內容、教學設置等方面存在的問題。結合以本為本的教學理念和現代化的教學手段，對本課程進行了整體性改革探索，旨在培養適合集成電路行業需求的人才。

5G時代的來領，對集成電路的集成度、精細度方面提出了更高的要求。芯片尺寸朝著不斷縮小的方向發展，也就意味著集成電路版圖設計的面積更小。集成電路設版圖計是連接集成電路設計與集成電路工藝制作的橋梁，包括整個集成電路中的邏輯信息和連接關系，為芯片工藝制作提供數據、圖片信息。版圖設計結果直接影響器件的性能和制作成本，是集成電路領域中不可缺少的一部分。集成電路設計版圖設計使用的軟件包括Cadence、Synopsis、Tanner等等。本課程基于CMOS器件工藝，依靠Tanner系列軟件（L-edit、S-edit、W-edit、T-Spice），旨在讓學生應掌握CMOS技術的相關概念和CMOS器件與物理層的對應關系，以及CMOS器件的版圖設計流程和基本邏輯電路的版圖和電路圖的對應形式。

2 《集成電路版圖設計》課程現狀和存在的問題

2.1 學生缺乏積極性

本專業學生的高考分數主要為重慶市低于一本分數線10分左右。部分學生來自于一般高中的中上等學習水平學生，部分學生來自于重點高校的中下等學習能力的學生。一方面，整體上本專業學生學習能力中等偏下，部分同學學習目標不清晰，缺乏對本專業的認識，不了解《集成電路版圖設計》課程在本專業中的重要性。另一方面，本專業在學院不屬于優勢學科，該專業的教育資源較少，導致學生對本專業前景不明朗。綜上所述，學生的學習缺乏積極性，導致教學效果不佳。

2.2 課程與其他課程的交叉知識較多

《集成電路版圖設計》中涉及到《集成電路設計》、《集成電路工藝》、《基本邏輯門》、《模擬電路基礎》、《集成電路CAD》等課程的知識。在授課期間，對許多已學過的知識點不講解，課程連續性較弱，教師難以把握學生的真實知識掌握情況;知識點講解，占有一定課時，新知識的課時會被壓縮。由于交叉知識較多，《集成電路版圖設計》課程講解尺度把握較難，增加了教師教學難度。

2.3 課程設置存在的問題

《集成電路版圖設計》課程在本院系分成了兩個模塊：理論課部分（32學時）和實驗課部分（1周）。理論部分主要基于CMOS工藝，介紹基本邏輯門、集成電路工藝流程、Tanner系列L-EDIT使用、集成電流版圖設計規則、設計技巧、一致性檢查、后仿真和網表文件基礎知識等內容。實驗部分主要基于Tanner系列軟件L-edit、S-edit、W-edit、T-Spice，熟練掌握版圖設計及后仿真的操作。

課程設置中，理論部分課程和實踐課程直接分開進行授課。《集成電路版圖設計》是一門基于tanner系列軟件的學習的課程，單純的理論課程學習，會讓學生感覺枯燥。由于缺乏實操練習，提不起學生學習的興趣。在進行實踐課程實施時，學生不能理解軟件操作的內在理論基礎。綜上所述，將《集成電路版圖設計》直接分為兩個課程，不利于課程教學過程。

3 解決問題的方法

3.1 樹立學生自信，培養學生興趣

向學生展示在信息產業中微電子地位和國內外產業的現狀，提高學生的“專業”自信心。微電子產業屬于信息產業發展的重要環節，在信息產業中處于支柱和核心地位，是國家信息化戰略發展的基礎。2019年，中美貿易磋商反應出中國的微電子產業還有很大的發展空間。國家需要優秀的微電子專業人才，微電子專業是一個新型的蓬勃發展的專業。在課堂教學中提出并實施以下2點措施。

（1）播放適當的集成電路版圖設計相關知識、科普視頻，培養學生的興趣。向學生展示世界最頂級的光刻機制造商——荷蘭ASML，介紹中國開發出來的具有世界頂尖水平的刻蝕機。一方面，讓學生看見中國光刻機與世界頂尖光刻機的差距。另一方面，讓學生知道中國也具有世界頂尖制造技術，使學生認識到微電子產業急需人才，并相信本專業有很好的前景。

（2）設立課堂激勵機制，提高學生積極性，培養學生的學習興趣。課堂教學中，不是一味地講解知識，適當地提出問題，讓學生思考和回答，培養學生獨立思考解決問題的能力。對愿意回答問題、闡明觀點的學生給予一定的平時成績加0.5-2分（總分20分），以此鼓勵學生多思考和回答問題，培養學生對本課程的學習興趣。

3.2 分析交叉知識點，制定課程教學重點

專業課之間有知識的交叉是較為普遍的現象。各門專業課老師之間需要相互交流，相互討論，分析并列舉出課程之間的交叉知識點。在《集成電路版圖設計》課程實施過程中，借助于提問法和課后交流的方式，學生能夠復習并掌握前期知識點，教師能夠了解學生知識掌握情況。對于掌握較好的知識，教師不做進一步講解;對于理解有困難的知識，教師做進一步講解。故對教師備課提出了更高的要求，也使學生能夠更好地掌握知識。本門課程與其他專業課交叉的幾個知識點如下。

（1）集成電路設計、基本邏輯門的概念和分類;

（2）晶體管的背景、定義以及相關知識;

（3）集成芯片制造工藝流程（硅單晶片的制造、外延層的生長、硅的氧化、掩膜版的制備、光刻、摻雜、多晶硅的淀積、金屬層的形成）及其原理。

根據《集成電路版圖設計》課程的特點確定教學重點，并在課堂教學中進行詳細講解。本門課程內容重點包括以下幾點。

（1）版圖設計的概念和方法;（2）集成電路工藝簡介;（3）CMOS工藝簡介;（4）版圖中的繪圖層;（5）EDA工具介紹與安裝;（6）CMOS晶體管的版圖繪制;（7）版圖的驗證和版圖輸出數據;（8）版圖設計的規則;（9）基本邏輯門電路的版圖設計;（10）版圖一致性檢查的介紹和軟件實操。

3.3 實施理實一體化教學，引入“ 翻轉課堂”模式

《集成電路版圖設計》是一門依賴版圖軟件實施課堂教學的課程。將理論和軟件使用分開進行不利于本課程的教學實施。將理論知識和實踐操作融為一體，能夠使學生更好地掌握版圖與集成電路工藝流程之間的關系，且熟練地應用Tanner系列軟件。

學習一類軟件最好的方法是學生不斷進行項目實操。本課程軟件實操訓練項目主要分為五個方面：（1）使用L-Edit畫PMOS布局圖;（2）使用L-Edit畫NMOS布局圖;（3）使用L-Edit畫反相器布局圖;（4）使用L-Edit畫并聯晶體管的版圖;（5）使用L-Edit畫串聯晶體管的版圖。實施以學生為主體的“翻轉課堂”教學模式步驟如下。

（1）在教師介紹軟件的基本操作后，將學生分為5個小組;

（2）由學生自行選擇實操項目，教師提供相關項目的相關資料;

（3）由小組學生自學項目相關資料后，通過抽簽方法選取2-3名學生;

（4）該2-3名學生向全班同學講解項目實操流程;

（5）教師提供一道類似項目，由全班同學完成項目，以檢驗學生學習情況。

通過“翻轉課堂”式的項目教學方法，鍛煉學生獨立思考、學習和解決問題的能力。結合抽簽法，確保了公平性，也保證每個學生都會獨立去完成項目任務。

4 結束語

借助于時事報告和相關視頻資料，提高了學生對本專業發展前景的信心。各專業課教師之間多交流分析，確定了《集成電路版圖設計》的教學重點，突出了本課程的特色。采用理實一體化教學，優化了課程教學設置，使學生熟練掌握該課程的理論知識，并很好地理解版圖設計原理。結合“翻轉課堂”教學模式、項目教學法和抽簽法，確保了學生能夠熟練地應用Tanner系列軟件，尤其是L-Edit。最終，將學生培養成為適合集成電路行業需求的人才。

基金項目：重慶市教委科技青年項目（KJQN201901316），重慶文理學院校級項目（R2019FDQ12）

（作者單位：重慶文理學院電子信息和電氣工程學院）