集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

李建軍， 王姝婭， 杜 濤， 王 剛， 張國俊， 李 威， 李 平

(電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054)

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集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

李建軍， 王姝婭， 杜 濤， 王 剛， 張國俊， 李 威， 李 平

(電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054)

在我國集成電路產(chǎn)業(yè)又一次高速發(fā)展之際，以卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃為導(dǎo)向，探索并實(shí)踐了集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)。從系統(tǒng)工程的角度，將理論聯(lián)系實(shí)際作為貫穿整個(gè)教學(xué)的思路與方法。充分發(fā)揮了以學(xué)生為主的教學(xué)形式，完成從設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)制作再到測試驗(yàn)證整個(gè)過程。將理論與實(shí)踐結(jié)合，創(chuàng)新與實(shí)踐結(jié)合起來，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

集成電路工藝； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 卓越工程師計(jì)劃； 教學(xué)方法

0 引 言

集成電路產(chǎn)業(yè)是高科技和信息產(chǎn)業(yè)的核心領(lǐng)域，其技術(shù)水平和發(fā)展規(guī)模已成為衡量一個(gè)國家產(chǎn)業(yè)競爭力和綜合國力的重要標(biāo)志之一。其中，集成電路制造業(yè)是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前和今后一段時(shí)期是我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期和攻堅(jiān)期，2014年6月我國發(fā)布了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》以加快推進(jìn)我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并明確指出“重點(diǎn)支持集成電路制造領(lǐng)域”[1]。

當(dāng)前，如何在新的形式下在集成電路制造領(lǐng)域培養(yǎng)合格的工程師對于集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新的課題。卓越工程師計(jì)劃是2010年教育部實(shí)施的工程技術(shù)人才培養(yǎng)計(jì)劃，該計(jì)劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才[2-3]。集成電路專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，既要有扎實(shí)的理論知識，又要有較強(qiáng)的動手能力，即創(chuàng)新和實(shí)踐能力。集成電路工藝實(shí)驗(yàn)是集成電路專業(yè)中學(xué)習(xí)理論聯(lián)系實(shí)踐的關(guān)鍵課程和環(huán)節(jié)。理論結(jié)合實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)合格工程師的關(guān)鍵，其教學(xué)方法必須進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，引導(dǎo)并激發(fā)學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)，并從該課程學(xué)習(xí)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(jì)劃的集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了相關(guān)探索與實(shí)踐。

1 國內(nèi)集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

國內(nèi)各高校教學(xué)資源和設(shè)施分布不均，造成集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式也是多樣的。由于我國集成電路專業(yè)的教學(xué)是與工業(yè)界的結(jié)合并不緊密，并缺少直接流片的經(jīng)費(fèi)。教學(xué)方式一種是依托自有的完整工藝線進(jìn)行流片，如清華大學(xué)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(shí)驗(yàn)課程主要還是集中在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，然后直接流片。第二種教學(xué)方式是可以完全開放工藝線，但是工藝線并非標(biāo)準(zhǔn)主流CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝線，如武漢大學(xué)的校辦半導(dǎo)體廠，但他是根據(jù)工廠制造的特殊光電器件進(jìn)行教學(xué)，與集成電路主流CMOS工藝發(fā)展方向存在差別。第三種教學(xué)方式雖然為標(biāo)準(zhǔn)工藝，但是由于受學(xué)時(shí)或經(jīng)費(fèi)限制，集成電路工藝實(shí)驗(yàn)僅為純粹的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和參觀實(shí)驗(yàn)，沒有真正教學(xué)集成電路專業(yè)的核心——設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。第四種教學(xué)方式是單純僅通過軟件設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，而沒有實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)[4-7]。

因此，可以看出當(dāng)前國內(nèi)的集成電路工藝教學(xué)還沒有充分實(shí)施理論與實(shí)踐結(jié)合。將創(chuàng)新與實(shí)踐結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，通過這樣的積累，量變到質(zhì)變，才能形成卓越工程師應(yīng)具有的潛質(zhì)[8-10]。

2 教學(xué)內(nèi)容

集成電路技術(shù)的發(fā)展是以集成電路制造技術(shù)工藝節(jié)點(diǎn)為標(biāo)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(xué)最新最前沿的技術(shù)，但是不斷升級換代昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是任何高校負(fù)擔(dān)不起的。況且，每一代集成電路制造技術(shù)的工藝流程都具有類似性，因此單純追求工藝先進(jìn)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是沒有必要的。在現(xiàn)有的工藝條件下開展集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生了解主流集成電路制造流程，并解決遇到的實(shí)際問題。同時(shí)，融合先進(jìn)工藝技術(shù)的介紹，引導(dǎo)學(xué)生具備先進(jìn)技術(shù)視野。在這樣的基礎(chǔ)背景下，學(xué)生在今后的工作中能很快融入到先進(jìn)技術(shù)中。因此，集成電路工藝實(shí)驗(yàn)必須根據(jù)實(shí)際情況，因地制宜地安排教學(xué)內(nèi)容。

2.1 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書編寫

由于集成電路工藝實(shí)驗(yàn)根據(jù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)工藝線實(shí)際條件開設(shè)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一是要具有代表性，二是要根據(jù)實(shí)際情況建立工藝流程。因此，沒有現(xiàn)成的教材或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書可供選擇，必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件編寫對應(yīng)的、適用的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需從實(shí)際工藝條件出發(fā)，因地制宜、靈活地安排。根據(jù)我校實(shí)驗(yàn)工藝線實(shí)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(shè)備條件的限制，CMOS工藝為鋁柵CMOS工藝。這兩類工藝實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)數(shù)都為40學(xué)時(shí)，學(xué)生根據(jù)專業(yè)方向選擇具體工藝類型。

本實(shí)驗(yàn)課程的目的是培養(yǎng)學(xué)生具有一定的工藝設(shè)計(jì)和分析能力，并通過實(shí)踐掌握集成電路制造工藝流程。首先，通過工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(TCAD)軟件的學(xué)習(xí)熟悉集成電路制造工藝流程，指定產(chǎn)生的器件結(jié)構(gòu)，在滿足制造設(shè)備的能力和精度下(即給定工藝參數(shù)范圍內(nèi))，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并加以仿真實(shí)現(xiàn)。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(xué)特性，還可以了解器件工作時(shí)內(nèi)部物理機(jī)制，能夠直觀分析器件內(nèi)部能帶、電場、電流以及載流子等的分布和變化，有助于學(xué)生分析工藝參數(shù)的變化對器件物理特性的影響而最終導(dǎo)致電學(xué)參數(shù)的改變，從而有利于學(xué)生深入理解工藝原理與器件機(jī)理的聯(lián)系。然后，根據(jù)設(shè)計(jì)的器件尺寸參數(shù)，采用L-edit圖形編輯器進(jìn)行器件版圖設(shè)計(jì)，并且選用已設(shè)計(jì)的器件單元來設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的一般規(guī)則。最后是進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，采用設(shè)計(jì)的版圖制作掩膜版。本課程工程化能力要求也主要體現(xiàn)在這一環(huán)節(jié)，一方面是工程化的理念，另一方面就是相應(yīng)的實(shí)踐能力。在這一過程既要培養(yǎng)實(shí)際操作能力，更要培養(yǎng)分析實(shí)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(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)差別的原因。集成電路工藝實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的具體安排由表1和表2列出。

3 教學(xué)方法

本課程應(yīng)從系統(tǒng)工程的角度，將理論聯(lián)系實(shí)際作為貫穿整個(gè)教學(xué)的思路與方法。集成電路制造工程包括微電子學(xué)、精密機(jī)械、電氣、材料等多學(xué)科在內(nèi)的交叉學(xué)科。因此，集成電路工藝實(shí)驗(yàn)的本科教學(xué)必須強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)化、系統(tǒng)化和工程化。教學(xué)方法應(yīng)靈活多樣，既要重視基礎(chǔ)性又要與時(shí)俱進(jìn)。其目的在通過該課程實(shí)踐能讓學(xué)生將所學(xué)知識進(jìn)行綜合運(yùn)用，系統(tǒng)掌握半導(dǎo)體器件、集成電路、半導(dǎo)體材料及工藝的相關(guān)知識，從而強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，以適應(yīng)先進(jìn)集成電路制造技術(shù)高速發(fā)展的內(nèi)在要求。

3.1 多元化立體教學(xué)方法，充分調(diào)動學(xué)習(xí)興趣

多元化立體教學(xué)方法，是以能力培養(yǎng)為核心，以教學(xué)資源為平臺，動用所有教學(xué)要素，多元化、立體化地融教與學(xué)為一體，關(guān)注應(yīng)用與創(chuàng)新的教學(xué)體系。立體化是指教學(xué)信息載體的多樣化，包括文字、圖片、音頻、視頻、網(wǎng)絡(luò)等載體，這是現(xiàn)代教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。多元化是指教學(xué)方式多樣化，包括多媒體資料學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作等。

表1 集成電路工藝實(shí)驗(yàn)(CMOS工藝)內(nèi)容安排

表2 集成電路工藝實(shí)驗(yàn)(雙極工藝)內(nèi)容安排

為了讓學(xué)生對集成電路工藝有直觀的認(rèn)識。我們結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過程，制作了全程相關(guān)單項(xiàng)工藝原理、流程及設(shè)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(jìn)行合理的處理，做到圖文聲像并茂。由于該門課程是與實(shí)際聯(lián)系很緊密的課程，形象化教學(xué)素材十分豐富，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對提高教學(xué)效果、教學(xué)質(zhì)量非常有益。同時(shí)制作器件、電路的設(shè)計(jì)、仿真視頻演示多媒體資料，讓學(xué)生能快速熟悉設(shè)計(jì)軟件并理解設(shè)計(jì)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(chǔ)上，掌握器件和集成電路的設(shè)計(jì)方法，最后通過實(shí)驗(yàn)操作制作芯片并測試。

多元化立體教學(xué)方法能充分調(diào)動各種資源有效地實(shí)施工程化教學(xué)，各個(gè)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的求知欲，提高學(xué)習(xí)興趣。

3.2 引導(dǎo)先進(jìn)技術(shù)視野，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力

高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，既注重通過基本訓(xùn)練使學(xué)生掌握基本知識、基本方法和基本技能，也注重在實(shí)驗(yàn)過程中逐步增強(qiáng)學(xué)生主動實(shí)驗(yàn)的意識，不斷滿足他們自主實(shí)驗(yàn)的要求，并鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)方案，自主研究探索，獨(dú)立思考創(chuàng)新[11-13]。

本課程充分發(fā)揮了以學(xué)生為主的教學(xué)形式，從設(shè)計(jì)到驗(yàn)證都需要發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，具體過程包括要求學(xué)習(xí)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)給定的微電子器件電學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，完成器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)→器件性能仿真驗(yàn)證→器件和集成電路的版圖設(shè)計(jì)→材料參數(shù)的選取和設(shè)計(jì)→制定實(shí)施工藝方案→微電子器件各參數(shù)的檢測方法等設(shè)計(jì)過程。

此外，由于這種工程化教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并不是最先進(jìn)技術(shù)，因此還需要引導(dǎo)學(xué)生具備先進(jìn)技術(shù)視野，激發(fā)學(xué)生關(guān)注當(dāng)前技術(shù)水平的興趣，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，通過網(wǎng)絡(luò)查詢、學(xué)習(xí)集成電路技術(shù)發(fā)展動態(tài)，跟進(jìn)集成電路最先進(jìn)技術(shù)。

3.3 培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力

微電子器件的基本理論只能反映器件內(nèi)部的基本規(guī)律，而且這些規(guī)律往往是基于很多假設(shè)，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(dǎo)體材料的影響及雜質(zhì)濃度的具體分布形式等。因此，在進(jìn)行器件設(shè)計(jì)時(shí)必須從生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與基本的理論結(jié)合起來，經(jīng)過多次反復(fù)，才能最終得到切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。此外，由于本課程是將設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的器件版圖進(jìn)行制作掩膜版，每個(gè)學(xué)生都設(shè)計(jì)了各自結(jié)構(gòu)的器件，因此在器件制作過程中，每個(gè)學(xué)生就會切實(shí)關(guān)注每步工藝對器件性能的影響。這樣，在實(shí)際工藝過程中的操作鍛煉了每個(gè)學(xué)生動手能力，在實(shí)踐過程中了解哪些工藝因素可能對器件造成影響，培養(yǎng)了解決實(shí)際問題的能力。并且，通過這種方式，避免了按組設(shè)計(jì)制作同一器件而造成部分同學(xué)偷懶情況。

3.4 注重過程的考核方式

課程考核是引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)學(xué)習(xí)方法的有效途徑，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的完善和教學(xué)方法的改進(jìn)[14-15]。本課程是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程，考核方式注重過程，分為設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告三部分，占比分別為30%、30%和40%，考核學(xué)生對知識的掌握和解決實(shí)際問題的能力。設(shè)計(jì)過程著重對基本理論的掌握，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)方法的正確性；實(shí)驗(yàn)操作過程著重對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，分析實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象，并能解決遇到的一般問題；實(shí)驗(yàn)報(bào)告著重對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與結(jié)論，從工藝過程分析造成芯片測試參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)差別的原因。

4 實(shí)施成效

4.1 培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力

充分發(fā)揮了以學(xué)生為主的教學(xué)形式，完成從設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)制作再到測試驗(yàn)證整個(gè)過程。調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，在設(shè)計(jì)中掌握專業(yè)理論知識，在工藝實(shí)驗(yàn)中既鍛煉了動手能力，又培養(yǎng)了解決實(shí)際問題的能力。集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)將理論與實(shí)踐結(jié)合，創(chuàng)新與實(shí)踐結(jié)合起來，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

4.2 建成了集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

在多年連續(xù)的投入和改進(jìn)中，建成了集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，為我校實(shí)施集成電路專業(yè)的“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”提供了優(yōu)質(zhì)的教學(xué)平臺。

同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源共享。我校集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺除了滿足本校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，還向其他高校或二級學(xué)院開設(shè)集成電路工藝實(shí)驗(yàn)課程，起到了教學(xué)資源共享，以及輻射帶動作用。

4.3 學(xué)生就業(yè)率穩(wěn)定，用人單位評價(jià)高

在開展面向卓越工程師計(jì)劃的集成電路工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)的四年來，集成電路專業(yè)的學(xué)生就業(yè)率穩(wěn)定。2013年就業(yè)率為96.1%，2014年到達(dá)100%，實(shí)施成效顯著。畢業(yè)生既能勝任集成電路設(shè)計(jì)工作，又能勝任集成電路制造工作。同時(shí)，用人單位對畢業(yè)生入職后的表現(xiàn)整體滿意度高，特別是在專業(yè)知識的掌握、實(shí)踐動手能力和學(xué)習(xí)認(rèn)知能力方面的認(rèn)可度高。

5 結(jié) 語

集成電路工藝實(shí)驗(yàn)是集成電路專業(yè)中學(xué)習(xí)理論聯(lián)系實(shí)踐的關(guān)鍵課程和環(huán)節(jié)。課程從系統(tǒng)工程的角度，將理論聯(lián)系實(shí)際作為貫穿整個(gè)教學(xué)的思路與方法。充分發(fā)揮了以學(xué)生為主的教學(xué)形式，完成從設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)制作再到測試驗(yàn)證整個(gè)過程。將理論與實(shí)踐結(jié)合，創(chuàng)新與實(shí)踐結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。以到達(dá)卓越工程師計(jì)劃的核心要求——工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并且在我國集成電路產(chǎn)業(yè)又一次高速發(fā)展之際，更多更有效地培養(yǎng)滿足社會急需的集成電路領(lǐng)域的卓越工程師人才。

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[12] 張玉英，馬 軍，王曉軍. 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(11)：90-94.

[13] 洪 霞，李 云，韋須祥. 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)，打造創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(6)：98-101.

[14] 張林香，王忠德，王俊文，等. 針對卓越工程師培養(yǎng)深化改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[J]. 教育學(xué)術(shù)月刊，2012(1)：107 -108.

[15] 盧清華，李先祥，葉樹林，等. 面向卓越工程師培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)改革探索[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，11(3)：39-42.

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(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目(川教函[2014]450號)；教育部高等學(xué)校本科教學(xué)改革與教學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目(教高函[2012]2號)；電子科技大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2013XJYYL019)

李建軍(1980-)，男，四川江油人，博士，副教授，主要從事超大規(guī)模集成電路教學(xué)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