微電子教學實驗室建設的探索與實踐

李建軍, 王姝婭, 張國俊, 李 平, 杜 濤, 謝小東

(電子科技大學 微電子與固體電子學院, 四川 成都 610054)

微電子教學實驗室建設的探索與實踐

李建軍, 王姝婭, 張國俊, 李 平, 杜 濤, 謝小東

(電子科技大學 微電子與固體電子學院, 四川 成都 610054)

為適應微電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,高校的微電子實驗室建設及實驗教學對專業(yè)人才的培養(yǎng)發(fā)揮著極其重要的作用。微電子實驗室建設主要包括微電子設計實驗室和微電子工藝實驗室。實驗教學開設了集成電路設計綜合實驗和微電子工藝綜合實驗。學生在此完成集成電路芯片設計、制造的整個過程,并對制造的芯片進行測試和分析。微電子實驗室的建設提供了優(yōu)質(zhì)的教學平臺,將理論與實踐結(jié)合、創(chuàng)新與實踐結(jié)合,培養(yǎng)了學生分析問題、解決問題的能力。

微電子實驗室; 集成電路設計; 微電子工藝; 實驗教學

當前,全球微電子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展,22 nm節(jié)點技術(shù)已量產(chǎn),以微電子集成電路為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)已成為全球第一大產(chǎn)業(yè),而我國的微電子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)同國外比還有較大的差距,集成電路設計和微電子工藝方面的人才比較匱乏。當前和今后一段時期是我國微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期和攻堅期,2014年6月我國發(fā)布了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》以加快推進我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展,并明確指出“重點支持集成電路制造領域”[1]。因此,為適應該領域技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的人才需求,亟須加強對微電子和集成電路相關(guān)專業(yè)本科生的工藝實驗與工程實踐能力的訓練,培養(yǎng)其創(chuàng)新和實踐能力。

高校實驗室是培養(yǎng)創(chuàng)新和實踐能力重要基地,也是開展教學、科研、生產(chǎn)實踐三結(jié)合的重要場所[2-3],特別是對于實踐性強的微電子學科,實驗室在教學中發(fā)揮著舉足輕重的作用。因此,建設專業(yè)的實驗室并開展實踐與創(chuàng)新相結(jié)合的實驗教學,才能更多、更有效地培養(yǎng)滿足社會急需的微電子技術(shù)人才[4]。

1 微電子實驗室建設指導思想

微電子實驗室建設及人才的培養(yǎng)是以國家對微電子技術(shù)人才的需求為目的,以滿足社會經(jīng)濟快速發(fā)展的需要。近10多年來是我國微電子和集成電路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展時期,2000年和2011年國家先后出臺了《鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》、《進一步鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》,到2014年發(fā)布了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》。在政策導向下,高校微電子專業(yè)實驗的建設成就也十分顯著。但是,我國的微電子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)同國外比還有較大的差距,這其中縮小差距重要的一點是縮小微電子實驗室技術(shù)的差距。因此,對于高校微電子專業(yè)實驗室的建設發(fā)展還需進一步的改革創(chuàng)新[5-7]。

微電子實驗室建設應以《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》為導則,明確國家教育改革戰(zhàn)略目標和戰(zhàn)略主題是優(yōu)化知識結(jié)構(gòu),豐富社會實踐,強化能力培養(yǎng),要著力提高學生的學習能力、實踐能力、創(chuàng)新能力[8]。

在實驗室建設的措施實施上,一是貫徹實施《高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革工程》,進一步推動高校實驗室建設和實驗教學改革,促進優(yōu)質(zhì)教學資源共享,提升高等學校辦學水平,加強學生動手能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),全面提高教育質(zhì)量;二是貫徹實施《卓越工程師教育培養(yǎng)計劃》,面向微電子產(chǎn)業(yè),按通用標準和行業(yè)標準強化培養(yǎng)學生的工程和創(chuàng)新能力[9-10]。

2 微電子實驗室建設

為適應國際半導體產(chǎn)業(yè)和我國電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展以及社會對微電子專業(yè)人才的大量需求,從2002年起我校就對微電子實驗室進行了改造,并持續(xù)進行了升級換代建設,截止到目前共計投入了800余萬元的建設經(jīng)費。我校的微電子實驗室建設主要包括2方面的內(nèi)容,一是微電子設計實驗室建設,二是微電子工藝實驗室建設。目前,微電子實驗室可滿足每年500人的實驗教學規(guī)模以及高水平實驗項目的開設。學生在此完成集成電路芯片設計、制造的整個過程,并對制造的芯片進行測試和分析。

2.1 微電子設計實驗室建設

微電子設計實驗室主要開展超大規(guī)模集成電路設計以及微電子器件仿真和工藝模擬的實驗教學。教學目的是使學生掌握超大規(guī)模集成電路設計的基本原理和方法,初步掌握用于集成電路設計的電子設計自動化EDA(electronic design automation)軟件工具的使用,以及掌握用于半導體工藝流程模擬和微電子器件仿真的工藝計算機輔助設計TCAD(technology computer aided design)軟件工具的使用。我校共計投資300余萬元用于微電子設計教學實驗室建設,建立了配備40臺SUN Blade工作站、面積100 m2的專用教室,并專門建立了EDA、TCAD軟件校內(nèi)共享第二層交換網(wǎng)絡,多個實驗室可以同時使用授權(quán)EDA、TCAD 軟件。

微電子設計教學內(nèi)容的建設包括以下內(nèi)容:

一是開設VHDL(高速硬件描述語言)程序?qū)嶒?要求學生編寫邏輯電路的VHDL代碼,對程序代碼進行仿真綜合。目的使學生掌握運用VHDL語言進行邏輯電路設計的技能。

二是開設FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)實驗,要求學生將綜合后的網(wǎng)表文件下載到FPGA 器件中,對設計的電路進行硬件驗證。目的是使學生掌握電子設計的FPGA 物理實現(xiàn)方法,以及應用示波器等調(diào)試儀器對電路進行診斷排錯的技巧。

三是開設ASIC APR(專用集成電路自動布局布線)版圖設計實驗,要求學生將通過硬件驗證過的電路設計,借助半定制的ASIC設計EDA工具,結(jié)合代工廠提供的標準單元庫,進行自動布局布線,得到所設計電路的物理版圖。目的是使學生掌握電子設計的AISC 實現(xiàn)方法。

四是開設工藝模擬和器件仿真實驗,要求學生通過TCAD軟件的學習熟悉集成電路制造工藝流程,并指定產(chǎn)生的器件結(jié)構(gòu),在滿足制造設備的能力和精度下(即給定工藝參數(shù)范圍內(nèi)),讓學生設計實驗并加以仿真實現(xiàn)。

2.2 微電子工藝實驗室建設

微電子技術(shù)的發(fā)展是以集成電路制造技術(shù)工藝節(jié)點為標志,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最新最前沿的技術(shù),但是不斷升級換代,昂貴的實驗設備費用是任何高校都負擔不起的。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,單純追求工藝先進性的實驗教學是沒有必要的。所以,結(jié)合實際教學資源情況,建設主流、典型工藝技術(shù)的工藝實驗線,并開展理論聯(lián)系實踐的實驗教學是微電子工藝實驗室建設的重點。

我校先后投入500余萬元建設微電子工藝教學實驗室,建立了面積300 m2的凈化室,具有主流CMOS(互補金屬氧化物半導體)工藝和具有代表性的雙極工藝完整流程,最小工藝線寬為1 μm。并且,由于工藝設備條件的限制,因地制宜地開發(fā)了鋁柵CMOS工藝。這2類工藝實驗課程的學時數(shù)都為40學時,學生根據(jù)專業(yè)方向選擇具體工藝類型。

微電子工藝實驗課程的目的是培養(yǎng)學生具有一定的工藝設計和分析能力,并通過實踐掌握集成電路制造工藝流程。

首先,通過TCAD軟件的學習熟悉集成電路制造工藝流程,按指定器件結(jié)構(gòu)設計實驗并加以仿真實現(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特性,還可以了解器件工作時內(nèi)部物理機制,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,有助于學生分析工藝參數(shù)的變化對器件物理特性影響，從而最終導致電學參數(shù)的改變,從而有利于學生深入理解工藝原理與器件機理的聯(lián)系。

然后,根據(jù)設計的器件尺寸參數(shù),采用L-edit圖形編輯器進行器件版圖設計,并且選用已設計的器件單元來設計簡單的集成電路,如倒向器、或非門、與非門等電路。最后是進行工藝實驗實踐環(huán)節(jié),采用設計的版圖制作掩膜版。微電子工藝實驗課程的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,另一方面就是相應的實踐能力。在這一過程既要培養(yǎng)實際操作能力,更要培養(yǎng)分析問題、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)與設計參數(shù)差別的原因。微電子工藝實驗內(nèi)容的具體安排由表1和表2列出。

表1 微電子工藝實驗(CMOS工藝)內(nèi)容安排

表2 微電子工藝實驗(雙極工藝)內(nèi)容安排

表2(續(xù))

2.3 實驗教學資源建設

2.3.1 實驗教材編寫

微電子設計實驗開設的難點之一是實驗步驟繁多,學生操作起來較為困難。其原因是國內(nèi)外缺乏針對本科學生的實驗指導書,而EDA工具廠商提供的操作指南過于繁瑣,本科學生難以掌握。為配合上述實驗的開展,課程組組織相關(guān)有實際ASIC設計經(jīng)驗的教師編寫了《VLSI 自動布局布線(APR)設計實驗指導書》實驗教材,從操作原理、操作步驟、數(shù)據(jù)管理、報告撰寫等方面對學生進行指導,力求做到學生通過閱讀實驗教材就能按圖索驥,自行完成實驗流程。因此在教材的編寫上,不厭其詳,采用了大量的EDA 工具實際操作的截面圖,力爭反映出每一個操作細節(jié)。

對于微電子工藝實驗,由于實驗內(nèi)容根據(jù)學校實驗工藝線實際條件開設,實驗內(nèi)容一是要具有代表性,二是要根據(jù)實際情況建立工藝流程。因此,也沒有現(xiàn)成的教材或?qū)嶒炛笇晒┻x擇。課程組組織具有豐富工藝實踐經(jīng)驗的教師,根據(jù)實驗室設備條件編寫了對應的、適用的《微電子器件設計與制造綜合性實驗指導書》實驗教材。

2.3.2 多媒體資料制作

教學信息載體的多樣化,包括文字、圖片、音頻、視頻、網(wǎng)絡等載體,這是現(xiàn)代教學發(fā)展的必然趨勢。實驗教學多媒體資料可以充分調(diào)動教學要素,激發(fā)學生的學習興趣,融教與學為一體[11-12]。

為了讓學生對集成電路設計和微電子制造工藝有直觀的認識。課程組結(jié)合實際的實驗實踐教學過程,制作了全程相關(guān)單項工藝原理、流程及設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、視頻等進行合理的處理,做到圖文聲像并茂。由于微電子實驗課程是與實際聯(lián)系很緊密的課程,形象化教學素材十分豐富,能激發(fā)學生的學習興趣,對提高教學效果、教學質(zhì)量非常有益。同時制作器件、集成電路電路的設計、仿真視頻演示多媒體資料,讓學生能快速熟悉設計軟件并理解設計方法。在熟悉微電子器件基本理論和集成電路制造工藝的基礎上,掌握器件和集成電路的設計方法,最后通過實驗操作制作芯片并測試。

3 微電子實驗室建設成效

充分發(fā)揮了以學生為主的教學形式,完成從設計到實驗制作再到測試驗證整個過程。每個學生都設計了各自結(jié)構(gòu)的器件,因此在器件制作過程中,每個學生就會切實關(guān)注每步工藝對器件性能的影響,在實際工藝過程中的操作鍛煉了動手能力,在實踐過程中了解哪些工藝因素可能對器件造成影響。微電子實驗教學將理論與實踐結(jié)合、創(chuàng)新與實踐結(jié)合,培養(yǎng)了學生分析問題、解決問題的能力。

微電子實驗采用理論聯(lián)系實際的方式在國內(nèi)首次實現(xiàn)了“微電子工藝原理”課程的完整實驗教學,并因此而獲得2004年四川省教學成果二等獎。此外,我校“電子科學與技術(shù)”在2012年全國學科評估中排名全國第一,其中微電子實驗教學是本學科本科教學的重要組成部分。

我校微電子實驗室除了滿足每年本校500人的實驗教學外,還向其他高校或二級學院開設微電子實驗課程,如西南交通大學和電子科技大學成都學院，起到了教學資源共享,以及輻射帶動作用。

4 結(jié)束語

建設功能完備、運行良好的微電子教學實驗室,提供優(yōu)質(zhì)的教學平臺,才能更好地激發(fā)學生的創(chuàng)造潛力,鍛煉實踐能力,培養(yǎng)創(chuàng)新能力。微電子實驗室的建設是一項復雜并需要與時俱進的系統(tǒng)工程,我校微電子實驗室經(jīng)過多年的發(fā)展取得了一些階段性成果,但還需不斷探索和實踐,建立綜合性、開放式、有層次的具有特色和國內(nèi)先進水平的微電子技術(shù)實驗基地,以滿足在我國集成電路產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展之際,更多、更有效地培養(yǎng)滿足社會急需的微電子專業(yè)人才。

References)

[1] 國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要[EB/OL].[2014-06-24].http://www.gov.cn/xinwen/2014-06/ 24/content_2707360.htm.

[2] 李艷華.新時期如何加強高校實驗室建設和管理[J].高校實驗室工作研究,2008(3):94-96.

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Exploration and practice of building microelectronics teaching laboratory

Li Jianjun, Wang Shuya, Zhang Guojun, Li Ping, Du Tao, Xie Xiaodong

(School of Microelectronics and Solid-State Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

In order to meet the rapid development of the microelectronics industry,both the microelectronics laboratory building and experimental teaching play a great role in fostering talents in the universities.Building microelectronics laboratory consists of building of microelectronics design center and microelectronics manufacturing technology laboratory.It is set up of the comprehensive experiment curriculum in integrated circuit design and microelectronics manufacturing technology.In the microelectronics laboratory,from design to manufacturing to testing and verification,the experiments are all finished by the students themselves.The microelectronics laboratory provides a quality education platform to combine theory with practice and innovation with practice,and improve the ability of the students in analyzing and solving problems.

microelectronics laboratory; integrated circuit design; microelectronics technology; experimental teaching

2014- 11- 21 修改日期：2015- 01- 18

國家自然科學基金項目(61404021);教育部高等學校本科教學改革與教學質(zhì)量工程項目“專業(yè)綜合改革試點——集成電路設計與集成系統(tǒng)專業(yè)”(教高函[2012] 2號);四川省高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學改革項目“面向卓越工程師計劃的微電子工藝實驗實踐教學改革的研究”(川教函[2014] 450號);電子科技大學本科教育教學改革研究項目(2013XJYYL019)

李建軍(1980—),男,四川江油,博士,副教授,主要從事超大規(guī)模集成電路教學與科研工作.

E-mail：lijj@uestc.edu.cn

G482

B

1002-4956(2015)6- 0239- 04