IC工艺技术研究生教学创新实例设计研究

王秀宇 徐江涛 高志远 聂凯明 高静

摘  要：创新实践教学对集成电路（IC）专业研究生人才培养极其重要。文章根据CMOS图像传感器像素与NMOS器件在结构上的相似性，通过科教融合设计了创新实例用于IC工艺技术课的研究生教学，取得了较好的效果。该教学改革一方面激发了学生的学习兴趣、调动了他们自主学习该课的积极性，另一方面在创新实践教学中加深了学生对该课基础知识的理解，培养了他们的创新实践能力。

关键词：科教融合;IC工艺技术;研究生教学;创新实践

中图分类号：TN4;G643.2 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）14-0182-04

Abstract： Innovative practice teaching is very important for the cultivation of graduate students majoring in integrated circuit （IC）. According to the structural similarity between CMOS image sensor pixels and NMOS devices， this paper designs an innovative example through science and education integration， which is used in the graduate teaching of IC process technology course， and has achieved good results. On the one hand， the teaching reform has stimulated students’ interest in learning and mobilized their enthusiasm to study the course independently. On the other hand， it has deepened students’ understanding of the basic knowledge of the course and cultivated their innovative practice ability in innovative practice teaching.

Keywords： integration of science and education; IC process technology; postgraduate teaching; innovative practice

0  引  言

“新工科”建设行动路线（“天大行动”）明确指出：要大力发展大数据、智能制造和集成电路等新产业相关的新兴工科专业和特色专业集群;培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑[1];而研究生创新人才培养和教学改革是“新工科”建设的重要组成部分，也是“天大行动”的一个重要体现。本文针对集成电路（IC）专业研究生课程—IC工艺技术，从科教融合方面进行教学改革，通过教学质量提升以加强创新人才的培养。

IC是电子信息产品的核心和基石，没有IC产业的支撑，信息化社会就失去了“根基”。因此，IC常被喻为电子整机设备的“心脏”、现代工业的“粮食”。IC制造工艺按摩尔定律快速发展，目前7 nm工艺已成熟并用于芯片生产。在台积电（TSMC）和三星（Samsung）等先进IC制造公司宣布5 nm和3 nm工艺即将成熟之际，2021年5月IBM公司宣布，采用环绕栅极晶体管（GAA）技术造出全球第一颗2 nm制程芯片的实验产品;在同样的电力消耗下，其性能比7 nm工艺芯片高出45%，输出同样性能则功耗减少75%。由此可见，工艺技术节点减小对IC性能提高和发展具有重要的价值。IC制造行业被喻为高端制造的“皇冠明珠”，其技术代表着当今世界微细加工的最高水平，因此IC制造工艺是一个国家高端制造能力的综合体现，是各国高科技国力竞争的战略必争制高点。

目前我国IC产业的14 nm工艺已量产，正研发7 nm工艺。与国际先进技术相比，我国IC制造工艺技术还较落后，其根本原因是核心技术“受制于人”，而解决这一问题离不开技术创新和人才培养。由于IC是知识密集型行业，对从业人员的学历要求较高，因此在加大海外IC高层次人才引进的同时，本土IC专业研究生人才培养也极其重要，他们是推动IC产业发展的主力军。当前IC工艺技术的研究生教学以专业基础知识学习为主，虽然在课程中引入了一些当前最先进的IC制造工艺技术介绍（如10 nm以下CMOS器件结构及工艺），但与之相应的创新实践教学仍是该课的薄弱环节，这显然不利于“新工科”建设中研究生创新能力的培养。本文结合我们团队CMOS图像传感器（CIS）方面的国家级科研项目（如国家重点研发计划课题“低电压高量子效率微光探测器及阵列（2019YFB2204301）”和“二维/三维兼容的图像传感器设计与芯片测试验证（2019YFB2204302）”等），通过科教融合进行创新实例设计探索，使之适用于IC工艺技术研究生教学，以培养学生的创新实践能力。

1  CMOS器件及在IC工艺技术课中的地位

由于CMOS器件在功耗和集成度等方面优于双极型器件，在应用市场上占主导地位，因此IC工艺技术课中的器件介绍通常以CMOS器件为主。

传统的CMOS器件是平面（Planar）结构晶体管，如图1所示，它由PMOS和NMOS管构成。IC芯片中包含大量的PMOS和NMOS管，其制备工艺常称为CMOS工艺。当器件特征尺寸低于25 nm时，平面结构的P/NMOS器件面临稳定性和可靠性问题，无法满足IC应用要求。针对这一问题，鳍式结构场效应晶体管（FinFET）[2，3]改进了栅对MOS管沟道的控制，减小了小尺寸MOS器件的短沟道效应，降低了漏电流。2011年初英特尔公司（Intel）使用22 nm工艺首先推出了商业化FinFET[4]，Intel Core i7-3770之后的22 nm处理器均采用了FinFET技术。但是当FinFET特征尺寸进一步降低（<7 nm），再次面临稳定性和可靠性问题[5]。最近IBM公司推出了全球首創的2 nm芯片技术，该芯片通过环绕栅极晶体管结构（GAA）[6]的设计解决了小尺寸MOS器件稳定性和可靠性问题。

本课程选用Hong Xiao（萧宏）编著的原版英文教材《Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology》[7]。作者萧宏曾作为高级制造工程师工作于摩托罗拉公司半导体公司，在奥斯汀社区大学讲授过半导体制造技术，为IEEE会员和华美半导体协会终身会员，在IC制造工艺方面具有较高的学术水平和丰富的实践经验。该书是一本关于半导体工艺技术的优秀教材，被全球多所著名大学微电子专业选为教材。与本科生所用教材（如硅集成电路工艺基础）不同的是，该书并不强调很深的理论和数学知识，而是重点关注半导体关键加工技术概念的理解，因此比较适合作为研究生教材。该书繁体中文译本被台积电（TSMC）作为员工必读培训教材。

基于研究生教学的IC工艺技术授课内容主要由单项工艺、工艺集成和先进CMOS工艺三部分组成[7]。此外，在授课时还将行业最新研究进展和行业动态引入IC工艺技术课中（如FinFET）以及邀請行业专家作报告，以培养学生国际化视野。该课中的先进CMOS工艺体现为新材料（如SOI衬底、铜互联和高/低k介质等）和新工艺（如大马士革工艺和介质工艺等），器件结构仍为平面结构。但在课程学习后，由学生利用所学知识进行的创新实践较少，存在人才培养与创新实践脱节的问题。针对这一问题，本文基于科教融合设计了创新实例用于研究生教学，弥补了IC工艺技术课创新实践教学的不足。

2  基于科教融合CIS创新实例设计

CIS是摄像头模组的核心器件，目前在汽车、安防监控和智能手机等方面有着广泛的应用[8]。由于CIS是采用标准CMOS工艺制备，与IC工艺技术课关联较密切，因此将与之有关的创新实例用于研究生教学，不仅能加深学生对所学知识的理解，同时还有助于培养学生的创新能力。

2.1  创新实例1—PD结构CIS光敏单元设计

由于CIS能利用标准CMOS工艺，在一个芯片上集成一个相机系统的全部电路（包括像素、读出放大器、模数转换器、数字储存器、驱动控制器和数字信号处理器等）而不只是一个图像传感器，因此CIS常被称为芯片上相机[9]，它在小型化和低功耗等方面是其他图像传感器所无法比拟的。目前CIS常采用4T-APS有源像素结构（图2），以便对光敏单元和像素电路进行灵活设计[10]。图2中4T-APS像素具有如下特点：（1）每个像素由4个晶体管构成，分别为传输管（MTG）、复位管（MRST）、源跟随器（MSF）和选通管（MSEL）;（2）光敏单元为光电二极管（PD）结构，负责收集光生电荷;（3）浮空扩散区FD（floating diffusion）为电荷-电压转换节点;（4）PD与FD被传输管MTG隔开，其在结构上与NMOS管相似（图2），这里PD与FD分别相当于NMOS管的源区和漏区;（5）不同的是，NMOS管的源区和漏区在结构上是对称的，而PD与FD基于光电子收集和光电信号转换的性能要求，在结构上是不对称的;在设计上通常PD面积大（获得灵敏度高），FD面积小（获得高转换增益）。通过这一结构差异性对比，使学生领悟到在用所学知识时解决实际工程问题时，需根据性能要求灵活变通。

本文以图2中4T-APS为研究对象，进行创新实例设计。4T-APS有源像素的性能指标主要有量子效率、灵敏度、转换增益、满阱容量和动态范围等，影响这些性能参数的因素主要有PD/FD尺寸、光照强度、掺杂浓度和结深等。可用Sentaurus TCAD软件对设计的像素进行仿真，获得相关性能参数。该创新实例与NMOS器件在结构上存在着关联性，易于理解，并能用仿真软件评价自己的设计，因此是可行的。由于图2中PD与FD在结构上与NMOS管的源区和漏区有差别，因此学生在对这一创新实例进行练习时有利于培养创新思维。

2.2  创新实例2—PPD结构CIS光敏单元设计

在图2基础上对PD进行改进，如图3所示。在PD上方进行p+掺杂（称为p+钳位层），形成钳位光电二极管（PPD）[10]。该p+钳位层设计有助于降低Si-SiO2界面缺陷引起的闪烁噪声（1/f噪声）。这里p+钳位层属于浅结离子注入，在进行工艺设计时需考虑是采用B+离子还是采用BF2+离子，通过创新实践练习有助于加深学生对所学IC工艺知识的理解。

在创新实践教学中，基于相同的工艺参数可让学生对实例1和实例2的像素仿真结果进行对比分析，理解p+钳位层的作用及性能差异性的原因;在进行机理分析时，需用到半导体物理的相关知识。由于设计和仿真工作量较大，在对比分析研究中，可以团队的形式协作进行;这一方面有利于得出正确的结论，另一方面还能培养团队协作精神。图4是在实际教学中，一些学生对CIS像素仿真的结果，实现了创新实践的预期目标。

在实际教学引入创新实例后，发现学生能更加积极主动地学习IC工艺技术课;不仅主动查资料、在课堂上认真听讲，而且课后问问题的同学较以前显著增多，这表明学生在学习本课时，结合创新实例认真思考了。

2.3  基于创新实例科学思维和批判性思维的培养

上述创新实例练习中，像素设计（PD/FD尺寸）、工艺参数（掺杂浓度和结深等）和工作条件（电压、光照强度）与CIS性能（满阱容量、灵敏度和转换增益等）密切相关。例如，在PD设计时需考虑光照强度、曝光时间和阱容量之间的关系;对于高低、光强的宽动态光照环境，PD面积及掺杂需折中考虑;PD掺杂浓度不能过高，否则复位时在≤3.3 V低压下不易全耗尽，这些在设计时需辩证性思考。上述创新实例涉及半导体物理、光学和IC工艺等相关知识，要求在器件和工艺设计中能运用科学思维和批判性思维进行综合考虑，以兼顾各种限制条件;只有这样，在创新实践时才能根据工程应用条件进行合理的分析和设计。总之，在IC工艺技术课中结合科研项目引入上述创新实例，有助于培养研究生的科学思维和批判性思维以及灵活应变能力。

2.4  基于创新实例教学方法的改变

由于在授课过程中引入了创新实例，因此授课方法须做出相应的改变。对于基础知识，要求学生先按教材课下自学，然后在课堂上通过提问检查自学效果、讨论存在的问题，并进行学习总结。由于本科阶段已进行IC工艺原理的学习，具有一定的基础，因此研究生阶段自学英文原版教材上的IC工艺技术基础知识，是可行的。对于英文教材中有难度的知识点（如工艺集成），由老师引导完成，学生通过查资料、独立思考和相互讨论，掌握相关知识。通过创新实例中CIS像素与NMOS器件在结构上的相似性，引导学生从器件结构和制备工艺等方面进行比较、思考，激发学生的学心兴趣。教学实践表明，在IC工艺技术教学中引入创新实例，不仅能使学生从被动听课转变为主动思考学习，同时在创新实践中还加深了学生对所学专业知识的理解，提高了学习效果。

3  结  论

本文依托我们研究团队在CIS方面的科研项目，通过科教融合将创新实例引入研究生的IC工艺技术课，以提高课程质量。所设计的创新实例与NMOS器件在结构上相似，相关性强，并能通过Sentaurus TCAD软件对设计的器件性能进行仿真验证，因此是可行的。教学实践表明，上述创新实例在实际教学中受到学生的欢迎，激发了学生学习的积极性。总之，基于科教融合在教学中引合适的创新实例，不仅有助于学生掌握扎实的专业基础知识，同时还能培养他们的创新实践能力。

参考文献：

[1] 高教司.“新工科”建设行动路线（“天大行动”） [EB/OL].（2017-04-08）.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201704/t20170412_302427.html.

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[10] FOSSUM E R，HONDONGWA D B. A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors [J].IEEE Journal of the Electron Devices Society，2014，2（3）：33-43.

作者簡介：王秀宇（1978—），男，汉族，安徽阜阳人，副教授，博士，研究方向：微电子与固体电子教学科研。