《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革探索

向靜 徐勇剛 任曉霞

1 引言

《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程是微電子科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)技術(shù)課，本課程是集成電路設(shè)計(jì)、工藝中必不可少的環(huán)節(jié)?；谥貞c文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院微電子科學(xué)與工程專業(yè)具體情況，本文指出該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)置等方面存在的問題。結(jié)合以本為本的教學(xué)理念和現(xiàn)代化的教學(xué)手段，對(duì)本課程進(jìn)行了整體性改革探索，旨在培養(yǎng)適合集成電路行業(yè)需求的人才。

5G時(shí)代的來(lái)領(lǐng)，對(duì)集成電路的集成度、精細(xì)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(fā)展，也就意味著集成電路版圖設(shè)計(jì)的面積更小。集成電路設(shè)版圖計(jì)是連接集成電路設(shè)計(jì)與集成電路工藝制作的橋梁，包括整個(gè)集成電路中的邏輯信息和連接關(guān)系，為芯片工藝制作提供數(shù)據(jù)、圖片信息。版圖設(shè)計(jì)結(jié)果直接影響器件的性能和制作成本，是集成電路領(lǐng)域中不可缺少的一部分。集成電路設(shè)計(jì)版圖設(shè)計(jì)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(xué)生應(yīng)掌握CMOS技術(shù)的相關(guān)概念和CMOS器件與物理層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及CMOS器件的版圖設(shè)計(jì)流程和基本邏輯電路的版圖和電路圖的對(duì)應(yīng)形式。

2 《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程現(xiàn)狀和存在的問題

2.1 學(xué)生缺乏積極性

本專業(yè)學(xué)生的高考分?jǐn)?shù)主要為重慶市低于一本分?jǐn)?shù)線10分左右。部分學(xué)生來(lái)自于一般高中的中上等學(xué)習(xí)水平學(xué)生，部分學(xué)生來(lái)自于重點(diǎn)高校的中下等學(xué)習(xí)能力的學(xué)生。一方面，整體上本專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)能力中等偏下，部分同學(xué)學(xué)習(xí)目標(biāo)不清晰，缺乏對(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)，不了解《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程在本專業(yè)中的重要性。另一方面，本專業(yè)在學(xué)院不屬于優(yōu)勢(shì)學(xué)科，該專業(yè)的教育資源較少，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)本專業(yè)前景不明朗。綜上所述，學(xué)生的學(xué)習(xí)缺乏積極性，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。

2.2 課程與其他課程的交叉知識(shí)較多

《集成電路版圖設(shè)計(jì)》中涉及到《集成電路設(shè)計(jì)》、《集成電路工藝》、《基本邏輯門》、《模擬電路基礎(chǔ)》、《集成電路CAD》等課程的知識(shí)。在授課期間，對(duì)許多已學(xué)過的知識(shí)點(diǎn)不講解，課程連續(xù)性較弱，教師難以把握學(xué)生的真實(shí)知識(shí)掌握情況;知識(shí)點(diǎn)講解，占有一定課時(shí)，新知識(shí)的課時(shí)會(huì)被壓縮。由于交叉知識(shí)較多，《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程講解尺度把握較難，增加了教師教學(xué)難度。

2.3 課程設(shè)置存在的問題

《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程在本院系分成了兩個(gè)模塊：理論課部分（32學(xué)時(shí)）和實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)規(guī)則、設(shè)計(jì)技巧、一致性檢查、后仿真和網(wǎng)表文件基礎(chǔ)知識(shí)等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)及后仿真的操作。

課程設(shè)置中，理論部分課程和實(shí)踐課程直接分開進(jìn)行授課?！都呻娐钒鎴D設(shè)計(jì)》是一門基于tanner系列軟件的學(xué)習(xí)的課程，單純的理論課程學(xué)習(xí)，會(huì)讓學(xué)生感覺枯燥。由于缺乏實(shí)操練習(xí)，提不起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。在進(jìn)行實(shí)踐課程實(shí)施時(shí)，學(xué)生不能理解軟件操作的內(nèi)在理論基礎(chǔ)。綜上所述，將《集成電路版圖設(shè)計(jì)》直接分為兩個(gè)課程，不利于課程教學(xué)過程。

3 解決問題的方法

3.1 樹立學(xué)生自信，培養(yǎng)學(xué)生興趣

向?qū)W生展示在信息產(chǎn)業(yè)中微電子地位和國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，提高學(xué)生的“專業(yè)”自信心。微電子產(chǎn)業(yè)屬于信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，在信息產(chǎn)業(yè)中處于支柱和核心地位，是國(guó)家信息化戰(zhàn)略發(fā)展的基礎(chǔ)。2019年，中美貿(mào)易磋商反應(yīng)出中國(guó)的微電子產(chǎn)業(yè)還有很大的發(fā)展空間。國(guó)家需要優(yōu)秀的微電子專業(yè)人才，微電子專業(yè)是一個(gè)新型的蓬勃發(fā)展的專業(yè)。在課堂教學(xué)中提出并實(shí)施以下2點(diǎn)措施。

（1）播放適當(dāng)?shù)募呻娐钒鎴D設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)、科普視頻，培養(yǎng)學(xué)生的興趣。向?qū)W生展示世界最頂級(jí)的光刻機(jī)制造商——荷蘭ASML，介紹中國(guó)開發(fā)出來(lái)的具有世界頂尖水平的刻蝕機(jī)。一方面，讓學(xué)生看見中國(guó)光刻機(jī)與世界頂尖光刻機(jī)的差距。另一方面，讓學(xué)生知道中國(guó)也具有世界頂尖制造技術(shù)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到微電子產(chǎn)業(yè)急需人才，并相信本專業(yè)有很好的前景。

（2）設(shè)立課堂激勵(lì)機(jī)制，提高學(xué)生積極性，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課堂教學(xué)中，不是一味地講解知識(shí)，適當(dāng)?shù)靥岢鰡栴}，讓學(xué)生思考和回答，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考解決問題的能力。對(duì)愿意回答問題、闡明觀點(diǎn)的學(xué)生給予一定的平時(shí)成績(jī)加0.5-2分（總分20分），以此鼓勵(lì)學(xué)生多思考和回答問題，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 分析交叉知識(shí)點(diǎn)，制定課程教學(xué)重點(diǎn)

專業(yè)課之間有知識(shí)的交叉是較為普遍的現(xiàn)象。各門專業(yè)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(shí)點(diǎn)。在《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程實(shí)施過程中，借助于提問法和課后交流的方式，學(xué)生能夠復(fù)習(xí)并掌握前期知識(shí)點(diǎn)，教師能夠了解學(xué)生知識(shí)掌握情況。對(duì)于掌握較好的知識(shí)，教師不做進(jìn)一步講解;對(duì)于理解有困難的知識(shí)，教師做進(jìn)一步講解。故對(duì)教師備課提出了更高的要求，也使學(xué)生能夠更好地掌握知識(shí)。本門課程與其他專業(yè)課交叉的幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)如下。

（1）集成電路設(shè)計(jì)、基本邏輯門的概念和分類;

（2）晶體管的背景、定義以及相關(guān)知識(shí);

（3）集成芯片制造工藝流程（硅單晶片的制造、外延層的生長(zhǎng)、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(jù)《集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程的特點(diǎn)確定教學(xué)重點(diǎn)，并在課堂教學(xué)中進(jìn)行詳細(xì)講解。本門課程內(nèi)容重點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。

（1）版圖設(shè)計(jì)的概念和方法;（2）集成電路工藝簡(jiǎn)介;（3）CMOS工藝簡(jiǎn)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(yàn)證和版圖輸出數(shù)據(jù);（8）版圖設(shè)計(jì)的規(guī)則;（9）基本邏輯門電路的版圖設(shè)計(jì);（10）版圖一致性檢查的介紹和軟件實(shí)操。

3.3 實(shí)施理實(shí)一體化教學(xué)，引入“ 翻轉(zhuǎn)課堂”模式

《集成電路版圖設(shè)計(jì)》是一門依賴版圖軟件實(shí)施課堂教學(xué)的課程。將理論和軟件使用分開進(jìn)行不利于本課程的教學(xué)實(shí)施。將理論知識(shí)和實(shí)踐操作融為一體，能夠使學(xué)生更好地掌握版圖與集成電路工藝流程之間的關(guān)系，且熟練地應(yīng)用Tanner系列軟件。

學(xué)習(xí)一類軟件最好的方法是學(xué)生不斷進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)操。本課程軟件實(shí)操訓(xùn)練項(xiàng)目主要分為五個(gè)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(lián)晶體管的版圖;（5）使用L-Edit畫串聯(lián)晶體管的版圖。實(shí)施以學(xué)生為主體的“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式步驟如下。

（1）在教師介紹軟件的基本操作后，將學(xué)生分為5個(gè)小組;

（2）由學(xué)生自行選擇實(shí)操項(xiàng)目，教師提供相關(guān)項(xiàng)目的相關(guān)資料;

（3）由小組學(xué)生自學(xué)項(xiàng)目相關(guān)資料后，通過抽簽方法選取2-3名學(xué)生;

（4）該2-3名學(xué)生向全班同學(xué)講解項(xiàng)目實(shí)操流程;

（5）教師提供一道類似項(xiàng)目，由全班同學(xué)完成項(xiàng)目，以檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)情況。

通過“翻轉(zhuǎn)課堂”式的項(xiàng)目教學(xué)方法，鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考、學(xué)習(xí)和解決問題的能力。結(jié)合抽簽法，確保了公平性，也保證每個(gè)學(xué)生都會(huì)獨(dú)立去完成項(xiàng)目任務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

借助于時(shí)事報(bào)告和相關(guān)視頻資料，提高了學(xué)生對(duì)本專業(yè)發(fā)展前景的信心。各專業(yè)課教師之間多交流分析，確定了《集成電路版圖設(shè)計(jì)》的教學(xué)重點(diǎn)，突出了本課程的特色。采用理實(shí)一體化教學(xué)，優(yōu)化了課程教學(xué)設(shè)置，使學(xué)生熟練掌握該課程的理論知識(shí)，并很好地理解版圖設(shè)計(jì)原理。結(jié)合“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式、項(xiàng)目教學(xué)法和抽簽法，確保了學(xué)生能夠熟練地應(yīng)用Tanner系列軟件，尤其是L-Edit。最終，將學(xué)生培養(yǎng)成為適合集成電路行業(yè)需求的人才。

基金項(xiàng)目：重慶市教委科技青年項(xiàng)目（KJQN201901316），重慶文理學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目（R2019FDQ12）

（作者單位：重慶文理學(xué)院電子信息和電氣工程學(xué)院）