微电子教学实验室建设的探索与实践

李建军, 王姝娅, 张国俊, 李 平, 杜 涛, 谢小东

(电子科技大学 微电子与固体电子学院, 四川 成都 610054)

微电子教学实验室建设的探索与实践

李建军, 王姝娅, 张国俊, 李 平, 杜 涛, 谢小东

(电子科技大学 微电子与固体电子学院, 四川 成都 610054)

为适应微电子产业的高速发展,高校的微电子实验室建设及实验教学对专业人才的培养发挥着极其重要的作用。微电子实验室建设主要包括微电子设计实验室和微电子工艺实验室。实验教学开设了集成电路设计综合实验和微电子工艺综合实验。学生在此完成集成电路芯片设计、制造的整个过程,并对制造的芯片进行测试和分析。微电子实验室的建设提供了优质的教学平台,将理论与实践结合、创新与实践结合,培养了学生分析问题、解决问题的能力。

微电子实验室; 集成电路设计; 微电子工艺; 实验教学

当前,全球微电子技术及产业飞速发展,22 nm节点技术已量产,以微电子集成电路为核心的电子信息产业已成为全球第一大产业,而我国的微电子技术及产业同国外比还有较大的差距,集成电路设计和微电子工艺方面的人才比较匮乏。当前和今后一段时期是我国微电子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]。因此,为适应该领域技术和产业的人才需求,亟须加强对微电子和集成电路相关专业本科生的工艺实验与工程实践能力的训练,培养其创新和实践能力。

高校实验室是培养创新和实践能力重要基地,也是开展教学、科研、生产实践三结合的重要场所[2-3],特别是对于实践性强的微电子学科,实验室在教学中发挥着举足轻重的作用。因此,建设专业的实验室并开展实践与创新相结合的实验教学,才能更多、更有效地培养满足社会急需的微电子技术人才[4]。

1 微电子实验室建设指导思想

微电子实验室建设及人才的培养是以国家对微电子技术人才的需求为目的,以满足社会经济快速发展的需要。近10多年来是我国微电子和集成电路产业飞速发展时期,2000年和2011年国家先后出台了《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》、《进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》,到2014年发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》。在政策导向下,高校微电子专业实验的建设成就也十分显著。但是,我国的微电子技术及产业同国外比还有较大的差距,这其中缩小差距重要的一点是缩小微电子实验室技术的差距。因此,对于高校微电子专业实验室的建设发展还需进一步的改革创新[5-7]。

微电子实验室建设应以《国家中长期教育改革和发展规划纲要》为导则,明确国家教育改革战略目标和战略主题是优化知识结构,丰富社会实践,强化能力培养,要着力提高学生的学习能力、实践能力、创新能力[8]。

在实验室建设的措施实施上,一是贯彻实施《高等学校本科教学质量与教学改革工程》,进一步推动高校实验室建设和实验教学改革,促进优质教学资源共享,提升高等学校办学水平,加强学生动手能力、实践能力和创新能力的培养,全面提高教育质量;二是贯彻实施《卓越工程师教育培养计划》,面向微电子产业,按通用标准和行业标准强化培养学生的工程和创新能力[9-10]。

2 微电子实验室建设

为适应国际半导体产业和我国电子信息产业的快速发展以及社会对微电子专业人才的大量需求,从2002年起我校就对微电子实验室进行了改造,并持续进行了升级换代建设,截止到目前共计投入了800余万元的建设经费。我校的微电子实验室建设主要包括2方面的内容,一是微电子设计实验室建设,二是微电子工艺实验室建设。目前,微电子实验室可满足每年500人的实验教学规模以及高水平实验项目的开设。学生在此完成集成电路芯片设计、制造的整个过程,并对制造的芯片进行测试和分析。

2.1 微电子设计实验室建设

微电子设计实验室主要开展超大规模集成电路设计以及微电子器件仿真和工艺模拟的实验教学。教学目的是使学生掌握超大规模集成电路设计的基本原理和方法,初步掌握用于集成电路设计的电子设计自动化EDA(electronic design automation)软件工具的使用,以及掌握用于半导体工艺流程模拟和微电子器件仿真的工艺计算机辅助设计TCAD(technology computer aided design)软件工具的使用。我校共计投资300余万元用于微电子设计教学实验室建设,建立了配备40台SUN Blade工作站、面积100 m2的专用教室,并专门建立了EDA、TCAD软件校内共享第二层交换网络,多个实验室可以同时使用授权EDA、TCAD 软件。

微电子设计教学内容的建设包括以下内容:

一是开设VHDL(高速硬件描述语言)程序实验,要求学生编写逻辑电路的VHDL代码,对程序代码进行仿真综合。目的使学生掌握运用VHDL语言进行逻辑电路设计的技能。

二是开设FPGA(现场可编程门阵列)实验,要求学生将综合后的网表文件下载到FPGA 器件中,对设计的电路进行硬件验证。目的是使学生掌握电子设计的FPGA 物理实现方法,以及应用示波器等调试仪器对电路进行诊断排错的技巧。

三是开设ASIC APR(专用集成电路自动布局布线)版图设计实验,要求学生将通过硬件验证过的电路设计,借助半定制的ASIC设计EDA工具,结合代工厂提供的标准单元库,进行自动布局布线,得到所设计电路的物理版图。目的是使学生掌握电子设计的AISC 实现方法。

四是开设工艺模拟和器件仿真实验,要求学生通过TCAD软件的学习熟悉集成电路制造工艺流程,并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。

2.2 微电子工艺实验室建设

微电子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,昂贵的实验设备费用是任何高校都负担不起的。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。所以,结合实际教学资源情况,建设主流、典型工艺技术的工艺实验线,并开展理论联系实践的实验教学是微电子工艺实验室建设的重点。

我校先后投入500余万元建设微电子工艺教学实验室,建立了面积300 m2的净化室,具有主流CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺和具有代表性的双极工艺完整流程,最小工艺线宽为1 μm。并且,由于工艺设备条件的限制,因地制宜地开发了铝栅CMOS工艺。这2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。

微电子工艺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TCAD软件的学习熟悉集成电路制造工艺流程,按指定器件结构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影响，从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。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。微电子工艺实验课程的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。微电子工艺实验内容的具体安排由表1和表2列出。

表1 微电子工艺实验(CMOS工艺)内容安排

表2 微电子工艺实验(双极工艺)内容安排

表2(续)

2.3 实验教学资源建设

2.3.1 实验教材编写

微电子设计实验开设的难点之一是实验步骤繁多,学生操作起来较为困难。其原因是国内外缺乏针对本科学生的实验指导书,而EDA工具厂商提供的操作指南过于繁琐,本科学生难以掌握。为配合上述实验的开展,课程组组织相关有实际ASIC设计经验的教师编写了《VLSI 自动布局布线(APR)设计实验指导书》实验教材,从操作原理、操作步骤、数据管理、报告撰写等方面对学生进行指导,力求做到学生通过阅读实验教材就能按图索骥,自行完成实验流程。因此在教材的编写上,不厌其详,采用了大量的EDA 工具实际操作的截面图,力争反映出每一个操作细节。

对于微电子工艺实验,由于实验内容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,也没有现成的教材或实验指导书可供选择。课程组组织具有丰富工艺实践经验的教师,根据实验室设备条件编写了对应的、适用的《微电子器件设计与制造综合性实验指导书》实验教材。

2.3.2 多媒体资料制作

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。实验教学多媒体资料可以充分调动教学要素,激发学生的学习兴趣,融教与学为一体[11-12]。

为了让学生对集成电路设计和微电子制造工艺有直观的认识。课程组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。由于微电子实验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、集成电路电路的设计、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。

3 微电子实验室建设成效

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。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,在实际工艺过程中的操作锻炼了动手能力,在实践过程中了解哪些工艺因素可能对器件造成影响。微电子实验教学将理论与实践结合、创新与实践结合,培养了学生分析问题、解决问题的能力。

微电子实验采用理论联系实际的方式在国内首次实现了“微电子工艺原理”课程的完整实验教学,并因此而获得2004年四川省教学成果二等奖。此外,我校“电子科学与技术”在2012年全国学科评估中排名全国第一,其中微电子实验教学是本学科本科教学的重要组成部分。

我校微电子实验室除了满足每年本校500人的实验教学外,还向其他高校或二级学院开设微电子实验课程,如西南交通大学和电子科技大学成都学院，起到了教学资源共享,以及辐射带动作用。

4 结束语

建设功能完备、运行良好的微电子教学实验室,提供优质的教学平台,才能更好地激发学生的创造潜力,锻炼实践能力,培养创新能力。微电子实验室的建设是一项复杂并需要与时俱进的系统工程,我校微电子实验室经过多年的发展取得了一些阶段性成果,但还需不断探索和实践,建立综合性、开放式、有层次的具有特色和国内先进水平的微电子技术实验基地,以满足在我国集成电路产业高速发展之际,更多、更有效地培养满足社会急需的微电子专业人才。

References)

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

[2] 李艳华.新时期如何加强高校实验室建设和管理[J].高校实验室工作研究,2008(3):94-96.

[3] 陈炳若,戴锋,赵小敏,等.“微电子技术”实践课的教学模式[J].高等理科教育,2004(4):54-56.

[4] 易红,熊宏齐,郑家茂.构建整体优化的实验教学与创新实践平台[J].中国高等教育,2005 (18):29-30.

[5] 刘瑞,伍登学,邬齐荣,等.创建培养微电子人才教学实验基地的探索与实践[J].实验室研究与探索,2004,23(5):6-8.

[6] 杨依忠,解光军,易茂祥,等.创建微电子专业实验室的探索与实践[J].实验技术与管理,2009,26(12):137-138.

[7] 赵积春,苏福根,冉建平.实验室建设与实验教学的改革与实践[J].实验技术与管理,2011,28(3):317-320.

[8] 左铁镛.高等学校实验室建设的作用与思考[J].实验室研究与探索,2011,30(4):1-5.

[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] 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.

[11] 向采兰,孔晓骅,吴博,等.集成电路制造工艺多媒体教学系统的设计[J].清华大学学报:自然科学版,1999,39(S1):58-61.

[12] 曹一江,翟志芳,殷景华,等.微电子工艺多媒体教学系统的设计[J].哈尔滨工业大学学报,2006,38(8):1362-1365.

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

国家自然科学基金项目(61404021);教育部高等学校本科教学改革与教学质量工程项目“专业综合改革试点——集成电路设计与集成系统专业”(教高函[2012] 2号);四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目“面向卓越工程师计划的微电子工艺实验实践教学改革的研究”(川教函[2014] 450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,博士,副教授,主要从事超大规模集成电路教学与科研工作.

E-mail：lijj@uestc.edu.cn

G482

B

1002-4956(2015)6- 0239- 04