集成電路制造技術(shù)課程的改革探索

吳啟琴，沈克強(qiáng)，趙俊霞，任麗麗，孫小羊

（三江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇南京 210012）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)也獲得了較大發(fā)展，已經(jīng)成為國(guó)家的核心產(chǎn)業(yè)[1]。目前，很多高校都開(kāi)設(shè)了微電子專業(yè)，其中集成電路制造技術(shù)作為微電子專業(yè)的核心課程，被列入各高校微電子專業(yè)的必修課程[2]。大部分院校的集成電路制造技術(shù)課程的教學(xué)方式還是以傳統(tǒng)的理論講解模式為主，因工藝線上的設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用高，同時(shí)做實(shí)驗(yàn)也較耗費(fèi)時(shí)間，僅有少數(shù)高校配備了實(shí)驗(yàn)設(shè)備。因此，需對(duì)課程進(jìn)行改革，在課程教學(xué)中加入虛擬制造實(shí)踐環(huán)節(jié)，進(jìn)一步鞏固學(xué)生的理論知識(shí)，促使其將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作，提升實(shí)踐及應(yīng)用能力，并具備發(fā)現(xiàn)及解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1 集成電路制造技術(shù)課程改革的意義

三江學(xué)院屬于應(yīng)用型本科高校，人才培養(yǎng)目標(biāo)是能夠滿足當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展需求，尤其是能滿足應(yīng)用技術(shù)類企業(yè)的人才需求，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神。這些都離不開(kāi)實(shí)踐技能的鍛煉和學(xué)習(xí)，課程教師需要引入企業(yè)的真實(shí)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行案例分析，因此，集成電路制造技術(shù)課程改革迫在眉睫。

2 課程培養(yǎng)目標(biāo)

2.1 教學(xué)目標(biāo)定位

集成電路制造技術(shù)課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式更側(cè)重于理論教學(xué)[3]，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，三江學(xué)院微電子方向的學(xué)生在集成電路制造技術(shù)課程中主要進(jìn)行了理論學(xué)習(xí)，未能深入了解集成電路制造工藝，后期也沒(méi)有實(shí)踐課程進(jìn)行強(qiáng)化練習(xí)。學(xué)生畢業(yè)后在集成電路方向的相關(guān)企業(yè)就業(yè)時(shí)，大部分很難直接開(kāi)展集成電路制造技術(shù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作。此外，企業(yè)用人偏向于到崗即能上手，不愿再投入額外的時(shí)間和精力培訓(xùn)員工。因此，學(xué)院對(duì)集成電路制造技術(shù)課程進(jìn)行了教學(xué)改革與探索，在該課程中增加了虛擬制造器件的實(shí)踐環(huán)節(jié)，在強(qiáng)化器件制造工藝?yán)碚搶W(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，虛擬制造出微電子器件，從而模擬仿真器件結(jié)構(gòu)圖。

通過(guò)將集成制造技術(shù)課程的理論教學(xué)和項(xiàng)目化虛擬制造的實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，讓學(xué)生掌握以下的知識(shí)及技能：（1）了解集成電路發(fā)展歷程和集成電路制造工藝的發(fā)展特點(diǎn)；（2）熟悉集成電路制造工藝基礎(chǔ)；（3）掌握集成電路制造工藝，如氧化工藝、摻雜工藝、淀積工藝、鈍化工藝、光刻工藝；（4）掌握集成電路制造技術(shù)Silvaco TCAD 仿真軟件及其應(yīng)用；（5）熟練利用工藝仿真軟件對(duì)集成電路制造技術(shù)中的氧化、摻雜、淀積、鈍化、光刻等工藝進(jìn)行虛擬仿真；（6）掌握實(shí)踐項(xiàng)目MOS/VDMOS 等器件的虛擬制造。

2.2 加強(qiáng)實(shí)踐技能培養(yǎng)

虛擬制造的實(shí)踐環(huán)節(jié)采用項(xiàng)目化教學(xué)方式，將學(xué)生分成若干項(xiàng)目組，并將實(shí)踐課題分成幾個(gè)子項(xiàng)目，采用仿真軟件虛擬制造MOS/VDMOS 等器件完成。在器件虛擬制造工藝流程中，學(xué)生利用虛擬氧化工藝進(jìn)行硅片表層氧化、柵氧化及場(chǎng)氧化；利用虛擬摻雜工藝進(jìn)行閾值電壓調(diào)整注入、多晶摻雜及源漏注入；利用虛擬淀積工藝進(jìn)行多晶硅柵淀積、邊墻氧化層淀積及金屬鋁淀積；利用虛擬鈍化工藝進(jìn)行器件表面生長(zhǎng)一層磷硅玻璃，進(jìn)而形成鈍化膜，從而對(duì)器件進(jìn)行鈍化保護(hù)；利用虛擬光刻工藝進(jìn)行氧化層光刻、多晶硅柵光刻及源漏區(qū)光刻接觸窗口。以上的虛擬制造工藝都以子項(xiàng)目的形式進(jìn)行虛擬仿真，讓學(xué)生通過(guò)虛擬制造工藝模擬仿真出器件的結(jié)構(gòu)圖。此外，還將對(duì)器件的電學(xué)特性進(jìn)行虛擬仿真分析，進(jìn)行真正意義上的項(xiàng)目化集成電路制造技術(shù)課程的教學(xué)，以提升學(xué)生的器件虛擬制造項(xiàng)目設(shè)計(jì)技能，在實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決實(shí)際遇到的各種問(wèn)題，提升實(shí)踐應(yīng)用能力。同時(shí)，通過(guò)改變器件的性能參數(shù)，不斷進(jìn)行模擬仿真，虛擬制造出性能更優(yōu)的新型結(jié)構(gòu)器件，拓展學(xué)生的思維，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神的訓(xùn)練。通過(guò)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)，使學(xué)生更加專業(yè)化[3]，后期學(xué)院還將加大校企合作的力度，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生的高質(zhì)量就業(yè)[4]。

3 集成電路制造技術(shù)課程體系改革

3.1 改革課程教學(xué)方式

三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)以實(shí)踐應(yīng)用為主，課程教學(xué)方向主要包括集成電路設(shè)計(jì)、微電子技術(shù)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)和器件工藝制造技術(shù)等[5]，根據(jù)高等院校專業(yè)人才培養(yǎng)要求、學(xué)校微電子專業(yè)課程培養(yǎng)體系要求[6]，學(xué)院對(duì)集成電路制造技術(shù)課程進(jìn)行了改革建設(shè)，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，添加了項(xiàng)目化的實(shí)操環(huán)節(jié)，利用軟件虛擬制造器件，讓學(xué)生將所學(xué)理論運(yùn)用于實(shí)踐操作，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[7]，讓學(xué)生更好地理解教材中的知識(shí)點(diǎn)，從而更好地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。課程改革將進(jìn)一步提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量[8]，更好地為企業(yè)輸送高素質(zhì)的應(yīng)用型人才[9-10]。

3.2 改革課程教學(xué)內(nèi)容

集成電路制造技術(shù)課程特邀請(qǐng)東南大學(xué)教師沈克強(qiáng)帶領(lǐng)學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)，對(duì)集成電路制造技術(shù)課程進(jìn)行改革。該課程為專業(yè)必修課，共48 學(xué)時(shí)，包含理論部分及項(xiàng)目化虛擬制造實(shí)踐環(huán)節(jié)。理論部分由沈克強(qiáng)老師進(jìn)行講授，主要包括集成電路制造工藝發(fā)展過(guò)程、半導(dǎo)體材料的制備工藝、集成電路制造技術(shù)。在項(xiàng)目化虛擬制造實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生采用Silvaco TCAD 軟件虛擬制造MOS/VDMOS 等器件，并對(duì)器件的電學(xué)特性進(jìn)行虛擬仿真分析，子項(xiàng)目采用企業(yè)的工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目作為案例，學(xué)生進(jìn)行分析、學(xué)習(xí)。在進(jìn)行項(xiàng)目化虛擬制造器件教學(xué)前，設(shè)立幾個(gè)項(xiàng)目組，分組時(shí)需要全面考慮每個(gè)小組成員的學(xué)習(xí)、實(shí)踐能力及個(gè)人特長(zhǎng)，以便后期能順利地完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。比如，有的學(xué)生對(duì)編程比較熟悉，有的學(xué)生對(duì)各種微電子器件的結(jié)構(gòu)比較理解，有的學(xué)生對(duì)器件的電學(xué)特性及工作原理相對(duì)了解，還有的學(xué)生擅長(zhǎng)組織、交流，將各有所長(zhǎng)的學(xué)生分配在一個(gè)小組，在后期項(xiàng)目化教學(xué)中，各小組就能夠更好地進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作及溝通交流，共同完成各個(gè)子項(xiàng)目的學(xué)習(xí)任務(wù)。集成電路制造技術(shù)課程授課內(nèi)容的流程見(jiàn)圖1。

圖1 集成電路制造技術(shù)課程流程

集成電路制造技術(shù)實(shí)踐課程利用Silvaco TCAD 軟件進(jìn)行MOS/VDMOS 等器件虛擬制造的項(xiàng)目化教學(xué)。教師對(duì)器件虛擬制造設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行分工，分以下幾個(gè)項(xiàng)目化實(shí)踐步驟進(jìn)行。

（1）先進(jìn)行Silvaco TCAD 軟件的使用講解，通過(guò)教師演示、訓(xùn)練，使學(xué)生熟練使用該設(shè)計(jì)軟件。

（2）熟悉集成電路制造工藝的流程，并利用Silvaco TCAD 軟件進(jìn)行虛擬氧化工藝、虛擬摻雜工藝、虛擬淀積工藝、虛擬光刻工藝的仿真設(shè)計(jì)，并進(jìn)行微電子器件項(xiàng)目化的虛擬制造設(shè)計(jì)及其電學(xué)特性的虛擬仿真設(shè)計(jì)。

（3）對(duì)MOS 管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，并虛擬制造出該MOS 管。

（4）對(duì)VDMOS 管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，并虛擬制造出該VDMOS 管。

（5）在每個(gè)項(xiàng)目開(kāi)始前，學(xué)生需預(yù)習(xí)該虛擬制造工藝流程并能進(jìn)行仿真代碼的編寫(xiě)，以培養(yǎng)獨(dú)立思考的能力和創(chuàng)新思維。

（6）小組能夠合作完成各個(gè)子項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，能夠獨(dú)立進(jìn)行查錯(cuò)和修改虛擬仿真語(yǔ)句，得出預(yù)期的器件虛擬結(jié)構(gòu)圖及電學(xué)特性虛擬仿真圖。

在集成電路制造技術(shù)課程的項(xiàng)目化虛擬制造的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生最后能夠虛擬制造出MOS/VDMOS 等器件，其虛擬結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 器件虛擬結(jié)構(gòu)圖

3.3 改革課程考核方式及內(nèi)容

集成電路制造技術(shù)課程的考核方式為考試，以往是開(kāi)卷考試，學(xué)生可以翻看教材查找試題答案。改革后，學(xué)生的期末總成績(jī)包含卷面分?jǐn)?shù)和平時(shí)分?jǐn)?shù)，期末考試方式也改成閉卷考試。此外，平時(shí)分?jǐn)?shù)包括項(xiàng)目化虛擬制造的實(shí)踐操作分?jǐn)?shù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告分?jǐn)?shù)，其中虛擬制造的實(shí)踐操作分?jǐn)?shù)將由各項(xiàng)目小組在課程授課時(shí)間內(nèi)進(jìn)行器件虛擬工藝仿真，組內(nèi)各參數(shù)（摻雜濃度、氧化時(shí)間、氧化厚度、氧化溫度、離子注入濃度等）采用不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬仿真，不同組間的數(shù)據(jù)一致，虛擬仿真完成后進(jìn)行組間討論，總結(jié)各參數(shù)對(duì)器件結(jié)構(gòu)的影響，并通過(guò)各性能參數(shù)的調(diào)整，得到符合要求的虛擬器件結(jié)構(gòu)圖，最后將根據(jù)不同項(xiàng)目小組完成實(shí)踐操作的程序性、正確性進(jìn)行評(píng)分。項(xiàng)目結(jié)束后各小組成員提交一份項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告，教師會(huì)結(jié)合該報(bào)告撰寫(xiě)的創(chuàng)意性、完整性和數(shù)據(jù)處理、分析綜合給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告分?jǐn)?shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

集成電路制造技術(shù)課程后期將利用線上資源持續(xù)進(jìn)行教學(xué)改革，同時(shí)將集成電路制造技術(shù)的重難點(diǎn)和虛擬制造器件的仿真演示進(jìn)行錄屏講解，讓學(xué)生可以在課后線上觀看視頻學(xué)習(xí)。此外，學(xué)生在課后也能在線上與教師在討論區(qū)進(jìn)行互動(dòng)交流。集成電路制造技術(shù)課程的改革，是一次有益的嘗試，對(duì)授課教師而言，也是一次挑戰(zhàn)[11]，教師在教學(xué)過(guò)程中采用項(xiàng)目化教學(xué)模式能夠增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，并進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)[12-13]。該課程的教學(xué)改革有利于集成電路制造專業(yè)人才的培養(yǎng)，同時(shí)有助于學(xué)生掌握最新的集成電路虛擬制造設(shè)計(jì)技術(shù)，提升學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)及創(chuàng)新技能[14]。