集成电路工艺实验教学的探索与实践

李建军， 王姝娅， 杜 涛， 王 刚， 张国俊， 李 威， 李 平

(电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都 610054)



集成电路工艺实验教学的探索与实践

李建军， 王姝娅， 杜 涛， 王 刚， 张国俊， 李 威， 李 平

(电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都 610054)

在我国集成电路产业又一次高速发展之际，以卓越工程师培养计划为导向，探索并实践了集成电路工艺实验教学。从系统工程的角度，将理论联系实际作为贯穿整个教学的思路与方法。充分发挥了以学生为主的教学形式，完成从设计到实验制作再到测试验证整个过程。将理论与实践结合，创新与实践结合起来，培养了学生分析问题、解决问题的能力。

集成电路工艺； 实验教学； 卓越工程师计划； 教学方法

0 引 言

集成电路产业是高科技和信息产业的核心领域，其技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一。其中，集成电路制造业是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性的基础产业。当前和今后一段时期是我国集成电路产业发展的重要战略机遇期和攻坚期，2014年6月我国发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》以加快推进我国集成电路产业发展，并明确指出“重点支持集成电路制造领域”[1]。

当前，如何在新的形式下在集成电路制造领域培养合格的工程师对于集成电路工艺实验教学提出了新的课题。卓越工程师计划是2010年教育部实施的工程技术人才培养计划，该计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才[2-3]。集成电路专业人才培养的目标，既要有扎实的理论知识，又要有较强的动手能力，即创新和实践能力。集成电路工艺实验是集成电路专业中学习理论联系实践的关键课程和环节。理论结合实践的实验课程是培养合格工程师的关键，其教学方法必须进行精心设计，引导并激发学生对课程的学习，并从该课程学习中树立卓越工程师的理念。因此，本文在新的形式下，对面向卓越工程师计划的集成电路工艺实验教学进行了相关探索与实践。

1 国内集成电路工艺实验教学现状

国内各高校教学资源和设施分布不均，造成集成电路工艺实验教学方式也是多样的。由于我国集成电路专业的教学是与工业界的结合并不紧密，并缺少直接流片的经费。教学方式一种是依托自有的完整工艺线进行流片，如清华大学拥有一条完整的5英寸直接流片工艺线，但是工艺线并非完全开放，实验课程主要还是集中在设计环节，然后直接流片。第二种教学方式是可以完全开放工艺线，但是工艺线并非标准主流CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺线，如武汉大学的校办半导体厂，但他是根据工厂制造的特殊光电器件进行教学，与集成电路主流CMOS工艺发展方向存在差别。第三种教学方式虽然为标准工艺，但是由于受学时或经费限制，集成电路工艺实验仅为纯粹的验证实验和参观实验，没有真正教学集成电路专业的核心——设计和创新。第四种教学方式是单纯仅通过软件设计和验证，而没有实验实践环节[4-7]。

因此，可以看出当前国内的集成电路工艺教学还没有充分实施理论与实践结合。将创新与实践结合起来，培养学生分析问题、解决问题的能力，通过这样的积累，量变到质变，才能形成卓越工程师应具有的潜质[8-10]。

2 教学内容

集成电路技术的发展是以集成电路制造技术工艺节点为标志，遵循摩尔定律，变化日新月异。虽然理想的工程教育要求教学最新最前沿的技术，但是不断升级换代昂贵的实验设备是任何高校负担不起的。况且，每一代集成电路制造技术的工艺流程都具有类似性，因此单纯追求工艺先进性的实验教学是没有必要的。在现有的工艺条件下开展集成电路工艺实验教学，让学生了解主流集成电路制造流程，并解决遇到的实际问题。同时，融合先进工艺技术的介绍，引导学生具备先进技术视野。在这样的基础背景下，学生在今后的工作中能很快融入到先进技术中。因此，集成电路工艺实验必须根据实际情况，因地制宜地安排教学内容。

2.1 实验指导书编写

由于集成电路工艺实验根据学校实验工艺线实际条件开设，实验内容一是要具有代表性，二是要根据实际情况建立工艺流程。因此，没有现成的教材或实验指导书可供选择，必须根据实验室设备条件编写对应的、适用的实验指导书。

2.2 实验内容安排

实验内容需从实际工艺条件出发，因地制宜、灵活地安排。根据我校实验工艺线实际情况，我们主要选取了主流CMOS工艺和具有代表性的双极工艺。并且，由于工艺设备条件的限制，CMOS工艺为铝栅CMOS工艺。这两类工艺实验课程的学时数都为40学时，学生根据专业方向选择具体工艺类型。

本实验课程的目的是培养学生具有一定的工艺设计和分析能力，并通过实践掌握集成电路制造工艺流程。首先，通过工艺计算机辅助设计(TCAD)软件的学习熟悉集成电路制造工艺流程，指定产生的器件结构，在满足制造设备的能力和精度下(即给定工艺参数范围内)，让学生设计实验并加以仿真实现。并且，TCAD软件是基于物理的器件仿真，不仅能够得到最终的电学特性，还可以了解器件工作时内部物理机制，能够直观分析器件内部能带、电场、电流以及载流子等的分布和变化，有助于学生分析工艺参数的变化对器件物理特性的影响而最终导致电学参数的改变，从而有利于学生深入理解工艺原理与器件机理的联系。然后，根据设计的器件尺寸参数，采用L-edit图形编辑器进行器件版图设计，并且选用已设计的器件单元来设计简单的集成电路，如倒向器、或非门、与非门等电路，从而掌握集成电路设计的一般规则。最后是进行工艺实验实践环节，采用设计的版图制作掩膜版。本课程工程化能力要求也主要体现在这一环节，一方面是工程化的理念，另一方面就是相应的实践能力。在这一过程既要培养实际操作能力，更要培养分析实际问题解决问题的能力，分析工艺过程中的原因以及造成芯片测试参数与设计参数差别的原因。集成电路工艺实验内容的具体安排由表1和表2列出。

3 教学方法

本课程应从系统工程的角度，将理论联系实际作为贯穿整个教学的思路与方法。集成电路制造工程包括微电子学、精密机械、电气、材料等多学科在内的交叉学科。因此，集成电路工艺实验的本科教学必须强调基础化、系统化和工程化。教学方法应灵活多样，既要重视基础性又要与时俱进。其目的在通过该课程实践能让学生将所学知识进行综合运用，系统掌握半导体器件、集成电路、半导体材料及工艺的相关知识，从而强化学生实践能力和创新能力，以适应先进集成电路制造技术高速发展的内在要求。

3.1 多元化立体教学方法，充分调动学习兴趣

多元化立体教学方法，是以能力培养为核心，以教学资源为平台，动用所有教学要素，多元化、立体化地融教与学为一体，关注应用与创新的教学体系。立体化是指教学信息载体的多样化，包括文字、图片、音频、视频、网络等载体，这是现代教学发展的必然趋势。多元化是指教学方式多样化，包括多媒体资料学习、计算机软件辅助设计、实验操作等。

表1 集成电路工艺实验(CMOS工艺)内容安排

表2 集成电路工艺实验(双极工艺)内容安排

为了让学生对集成电路工艺有直观的认识。我们结合实际的实验实践教学过程，制作了全程相关单项工艺原理、流程及设备操作视频演示多媒体资料。多媒体资料将动画、声音、图形、图像、文字、视频等进行合理的处理，做到图文声像并茂。由于该门课程是与实际联系很紧密的课程，形象化教学素材十分丰富，能激发学生的学习兴趣，对提高教学效果、教学质量非常有益。同时制作器件、电路的设计、仿真视频演示多媒体资料，让学生能快速熟悉设计软件并理解设计方法。在熟悉微电子器件基本理论和集成电路制造工艺的基础上，掌握器件和集成电路的设计方法，最后通过实验操作制作芯片并测试。

多元化立体教学方法能充分调动各种资源有效地实施工程化教学，各个环节紧密联系，激发学生的求知欲，提高学习兴趣。

3.2 引导先进技术视野，培养自主学习能力

高等学校实验教学过程，既注重通过基本训练使学生掌握基本知识、基本方法和基本技能，也注重在实验过程中逐步增强学生主动实验的意识，不断满足他们自主实验的要求，并鼓励学生自行设计方案，自主研究探索，独立思考创新[11-13]。

本课程充分发挥了以学生为主的教学形式，从设计到验证都需要发挥学生自主学习的能力，具体过程包括要求学习采用计算机辅助设计软件，根据给定的微电子器件电学参数的设计指标，完成器件的结构参数设计→器件性能仿真验证→器件和集成电路的版图设计→材料参数的选取和设计→制定实施工艺方案→微电子器件各参数的检测方法等设计过程。

此外，由于这种工程化教学的实验内容并不是最先进技术，因此还需要引导学生具备先进技术视野，激发学生关注当前技术水平的兴趣，以学生自主学习为主，通过网络查询、学习集成电路技术发展动态，跟进集成电路最先进技术。

3.3 培养解决实际问题的能力

微电子器件的基本理论只能反映器件内部的基本规律，而且这些规律往往是基于很多假设，并忽略了很多次要因素的情况下得到的，如工艺因素的影响，半导体材料的影响及杂质浓度的具体分布形式等。因此，在进行器件设计时必须从生产实践中总结出经验数据与基本的理论结合起来，经过多次反复，才能最终得到切实可行的设计方案。此外，由于本课程是将设计环节设计的器件版图进行制作掩膜版，每个学生都设计了各自结构的器件，因此在器件制作过程中，每个学生就会切实关注每步工艺对器件性能的影响。这样，在实际工艺过程中的操作锻炼了每个学生动手能力，在实践过程中了解哪些工艺因素可能对器件造成影响，培养了解决实际问题的能力。并且，通过这种方式，避免了按组设计制作同一器件而造成部分同学偷懒情况。

3.4 注重过程的考核方式

课程考核是引导学生改进学习方法的有效途径，促进教学内容的完善和教学方法的改进[14-15]。本课程是实验实践课程，考核方式注重过程，分为设计、实验操作、实验报告三部分，占比分别为30%、30%和40%，考核学生对知识的掌握和解决实际问题的能力。设计过程着重对基本理论的掌握，强调设计方法的正确性；实验操作过程着重对学生动手能力的培养，分析实验过程中的现象，并能解决遇到的一般问题；实验报告着重对实验结果的分析与结论，从工艺过程分析造成芯片测试参数与设计参数差别的原因。

4 实施成效

4.1 培养了学生实践能力和创新能力

充分发挥了以学生为主的教学形式，完成从设计到实验制作再到测试验证整个过程。调动了学生学习积极性，在设计中掌握专业理论知识，在工艺实验中既锻炼了动手能力，又培养了解决实际问题的能力。集成电路工艺实验教学将理论与实践结合，创新与实践结合起来，培养了学生分析问题、解决问题的能力。

4.2 建成了集成电路工艺实验教学平台

在多年连续的投入和改进中，建成了集成电路工艺实验教学平台，为我校实施集成电路专业的“卓越工程师教育培养计划”提供了优质的教学平台。

同时，实现了教学资源共享。我校集成电路工艺实验教学平台除了满足本校的实验教学外，还向其他高校或二级学院开设集成电路工艺实验课程，起到了教学资源共享，以及辐射带动作用。

4.3 学生就业率稳定，用人单位评价高

在开展面向卓越工程师计划的集成电路工艺实验教学的四年来，集成电路专业的学生就业率稳定。2013年就业率为96.1%，2014年到达100%，实施成效显著。毕业生既能胜任集成电路设计工作，又能胜任集成电路制造工作。同时，用人单位对毕业生入职后的表现整体满意度高，特别是在专业知识的掌握、实践动手能力和学习认知能力方面的认可度高。

5 结 语

集成电路工艺实验是集成电路专业中学习理论联系实践的关键课程和环节。课程从系统工程的角度，将理论联系实际作为贯穿整个教学的思路与方法。充分发挥了以学生为主的教学形式，完成从设计到实验制作再到测试验证整个过程。将理论与实践结合，创新与实践结合起来，培养学生分析问题、解决问题的能力。以到达卓越工程师计划的核心要求——工程实践和创新能力的培养，并且在我国集成电路产业又一次高速发展之际，更多更有效地培养满足社会急需的集成电路领域的卓越工程师人才。

[1] 国家集成电路产业发展推进纲要[EB/OL]. http://www.gov.cn/xinwen/2014-06/24/content_2707360.htm. 2014-06-24/2014-09-25.

[2] 教育部关于实施卓越工程师教育培养计划的若干意见[EB/OL]. http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3860/201102/115066.html. 2011-01-08/2014-09-25.

[3] 林 健. “卓越工程师教育培养计划”通用标准研制[J]. 高等工程教育研究，2010(4)：21-29.

[4] 陈炳若，陶有珠，赵小敏，等. 微电子专业课程中的“产学研”关系研究[J]. 高等理科教育，2002(3)：54-56.

[5] 梁 齐，杨明武，刘声雷，等. 微电子工艺实验教学模式探索[J]. 实验室科学，2008(1)：41-42.

[6] 毛剑波，易茂祥，张天畅. 微电子学专业实验室建设的探索与实践[J]. 实验室研究与探索，2005，24(12)：118-119.

[7] 王 蔚，田 丽，王喜莲，等. 校内实验室开设微电子生产实习的探索[J]. 电气电子教学学报，2009，31(2)：71-72.

[8] 林 健. 卓越工程师创新能力的培养[J]. 高等工程教育研究，2012(5)：1-17.

[9] 李培根，许晓东，陈国松. 我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J]. 高等工程教育研究，2012(3)：1-6.

[10] 周 玲，姜东光. 深化实验教学改革，打造特色鲜明的实验教学中心[J]. 实验室研究与探索，2013，32(8)：114-116.

[11] 易 红. 高校实验教学与创新人才培养[J]. 实验室研究与探索，2008，27(2)：1-4.

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[15] 卢清华，李先祥，叶树林，等. 面向卓越工程师培养的实践教学改革探索[J]. 实验科学与技术，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养质量和教学改革项目(川教函[2014]450号)；教育部高等学校本科教学改革与教学质量工程项目(教高函[2012]2号)；电子科技大学本科教育教学改革研究项目(2013XJYYL019)

李建军(1980-)，男，四川江油人，博士，副教授，主要从事超大规模集成电路教学与科研工作。

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

TN 405； G 642.423

A

1006-7167(2015)11-0162-04