微電子課程設(shè)計(jì)教學(xué)體系改革研究

蔡志匡+王子軒+胡善文

摘要：微電子課程設(shè)計(jì)是微電子等專(zhuān)業(yè)本科學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課，是理論性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)的一門(mén)課程。本文針對(duì)微電子等專(zhuān)業(yè)的本科生，改革微電子課程設(shè)計(jì)課程內(nèi)容和方法，形成一套完整的課程內(nèi)容，涵蓋從微電子工藝器件，到集成電路設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：微電子；課程設(shè)計(jì)；教學(xué)體系；改革研究

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）51-0083-02

一、改革研究背景

微電子課程設(shè)計(jì)是微電子等專(zhuān)業(yè)本科學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課，是理論性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)的一門(mén)課程[1-4]。微電子課程設(shè)計(jì)涉及了集成電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件、工藝及材料等多個(gè)專(zhuān)業(yè)方面。筆者經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)與實(shí)踐，總結(jié)分析后發(fā)現(xiàn)如下兩點(diǎn)不足：

1.課程內(nèi)容主要集中在電路方面，忽略了對(duì)微電子工藝及器件方面的教學(xué)與考核。對(duì)于微電子專(zhuān)業(yè)的本科生而言，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)該重點(diǎn)包括兩部分內(nèi)容——微電子工藝與器件、集成電路設(shè)計(jì)。其中，微電子工藝與器件主要包括微電子工藝模擬、微電子器件模擬和MEMS器件模擬三個(gè)模塊，相關(guān)軟件有Sentaurus Process、Taurus MEDICI、ANSYS等。學(xué)生掌握完成各種半導(dǎo)體器件的工藝方案設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)優(yōu)化、直流特性分析、交流特性分析、頻率特性分析和簡(jiǎn)單門(mén)電路的器件級(jí)模擬，加深學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和把握，培養(yǎng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力[5]。

2.在電路方面，現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容過(guò)多偏重于模擬部分。課程應(yīng)該加強(qiáng)數(shù)字集成電路的講解。傳統(tǒng)的集成電路主要分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩部分，主要軟件有Cadence、Actel Designer、ADS等設(shè)計(jì)軟件。通過(guò)EDA軟件，實(shí)現(xiàn)不同層次和復(fù)雜度的模擬、數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。完整的電路實(shí)驗(yàn)可以切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐能力，增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

二、改革研究目標(biāo)和思路

本文研究目標(biāo)是針對(duì)微電子等專(zhuān)業(yè)的本科生，依托南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心良好的軟硬件環(huán)境，改革微電子課程設(shè)計(jì)課程內(nèi)容和方法，形成一套完整的課程內(nèi)容，涵蓋從微電子工藝器件，到集成電路設(shè)計(jì)。要求學(xué)生掌握半導(dǎo)體材料特性測(cè)試技術(shù)、微電子技術(shù)工藝參數(shù)測(cè)試分析技術(shù)和微電子器件設(shè)計(jì)與參數(shù)提取技術(shù)，能夠熟練使用集成電路EDA工具軟件，獨(dú)立完成基本電路設(shè)計(jì)。改革對(duì)加深學(xué)生對(duì)微電子專(zhuān)業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)理解和掌握，培養(yǎng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，提高就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有著良好的推動(dòng)作用[6]。

改革主要思路是將課程內(nèi)容分成兩部分，即微電子器件的設(shè)計(jì)及模型參數(shù)的提取、集成電路設(shè)計(jì)，根據(jù)團(tuán)隊(duì)中各個(gè)老師的研究方向，安排專(zhuān)人進(jìn)行課程內(nèi)容建設(shè)，設(shè)計(jì)出符合本科生知識(shí)背景的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)。特別針對(duì)器件級(jí)和電路級(jí)的銜接，制定出可行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。本課程要求學(xué)生先修完大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，半導(dǎo)體物理，半導(dǎo)體器件，微電子學(xué)概論，模擬電子技術(shù)，數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)，微電子制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等理論課程后，再進(jìn)行本課程的學(xué)習(xí)。

三、改革研究?jī)?nèi)容

為了緊跟當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，進(jìn)一步加強(qiáng)微電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生的綜合基礎(chǔ)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，了解集成電路的整個(gè)設(shè)計(jì)流程，本改革全面系統(tǒng)地進(jìn)行了涉及從微電子工藝、器件、模型、IC設(shè)計(jì)等整個(gè)流程。旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用Sentaurus，ICCAP，Candece，Synopsys等EDA軟件進(jìn)行微電子工藝，器件模型以及IC集成電路設(shè)計(jì)，熟悉從工藝，器件至電路的整個(gè)設(shè)計(jì)流程，能進(jìn)行工藝級(jí)，器件級(jí)和電路級(jí)的設(shè)計(jì)工作[7]。改革內(nèi)容主要包括如下兩部分：

1.微電子器件的設(shè)計(jì)及模型參數(shù)的提取。利用Sentaurus和ICCAP等仿真軟件，進(jìn)行集成電路工藝和器件的設(shè)計(jì)與模擬，然后對(duì)于建立的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)模型參數(shù)的提取。具體包括：①器件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)；②器件特性的表征；③器件模型參數(shù)的提取。

2.集成電路設(shè)計(jì)。①模擬集成電路模塊包括了從最基本的單管放大器到具有較為完整功能的集成電路芯片的設(shè)計(jì)內(nèi)容，借助于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的推進(jìn)，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)從電路設(shè)計(jì)、電路仿真、版圖設(shè)計(jì)、版圖驗(yàn)證、芯片測(cè)試的模擬集成電路設(shè)計(jì)流程。②數(shù)字集成電路模塊可以完成包括數(shù)字集成電路前端和后端實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可以完成從系統(tǒng)定義、RTL綜合、時(shí)序分析、可測(cè)性設(shè)計(jì)到版圖實(shí)現(xiàn)的完整數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)流程[8]。并且配備了先進(jìn)的集成電路測(cè)試系統(tǒng)，做到虛擬仿真與實(shí)際硬件仿真相結(jié)合，進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)功能的驗(yàn)證。

四、改革研究意義

1.加強(qiáng)學(xué)生對(duì)整個(gè)集成電路設(shè)計(jì)流程的掌握，充實(shí)南京郵電大學(xué)微電子專(zhuān)業(yè)面向“卓越工程師”培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)，提高學(xué)生們的實(shí)踐操作能力，加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。

2.重構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)有的微電子專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)課程安排，針對(duì)當(dāng)今先進(jìn)集成電路設(shè)計(jì)，形成涉及從微電子底端（工藝級(jí)和器件級(jí)）至頂端（電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)）的一整套課程設(shè)計(jì)。

3.培養(yǎng)學(xué)生對(duì)微電子相關(guān)的EDA軟件的學(xué)習(xí)與使用，并形成一批具有理論基礎(chǔ)、能提高學(xué)生EDA使用技能的創(chuàng)新項(xiàng)目，提升學(xué)生們的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)他們探索新事物的勇氣，使他們更加適應(yīng)新世紀(jì)的挑戰(zhàn)。

五、總結(jié)

改革內(nèi)容涉及了微電子工藝、器件制作、參數(shù)提取以及IC電路設(shè)計(jì)，這些知識(shí)和技能的培養(yǎng)是作為微電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生必備的，同時(shí)也是學(xué)生后續(xù)進(jìn)入研究生階段從事微電子相關(guān)科學(xué)研究的基礎(chǔ)；改革中涉及到的各種EDA軟件的學(xué)習(xí)與使用，均是當(dāng)今先進(jìn)集成電路設(shè)計(jì)中正在使用的，這些技能的學(xué)習(xí)與掌握有助于提高學(xué)生們的綜合素質(zhì)，提升他們將來(lái)畢業(yè)后的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，也有助于加快我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“中國(guó)夢(mèng)”。

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Research on the Reform of the Teaching System of Microelectronics Course Design

CAI Zhi-kuang，WANG Zi-xuan，HU Shan-wen

（College of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing，Jiangsu 210023，China）

Abstract：Microelectronics course design is a required course for the microelectronics undergraduate students，which is a course of theory and practice. In this paper，for the microelectronics and other professional undergraduate students，reform the content and methods of microelectronic curriculum design，form a complete set of curriculum content，covering from microelectronic technology and device，to integrated circuit design.

Key words：microelectronics；course design；teaching system；reform research