王秀宇 徐江濤 高志遠(yuǎn) 聶凱明 高靜

摘 ?要：創(chuàng)新實踐教學(xué)對集成電路（IC）專業(yè)研究生人才培養(yǎng)極其重要。文章根據(jù)CMOS圖像傳感器像素與NMOS器件在結(jié)構(gòu)上的相似性，通過科教融合設(shè)計了創(chuàng)新實例用于IC工藝技術(shù)課的研究生教學(xué)，取得了較好的效果。該教學(xué)改革一方面激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動了他們自主學(xué)習(xí)該課的積極性，另一方面在創(chuàng)新實踐教學(xué)中加深了學(xué)生對該課基礎(chǔ)知識的理解，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新實踐能力。

關(guān)鍵詞：科教融合;IC工藝技術(shù);研究生教學(xué);創(chuàng)新實踐

中圖分類號：TN4;G643.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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”建設(shè)行動路線（“天大行動”）明確指出：要大力發(fā)展大數(shù)據(jù)、智能制造和集成電路等新產(chǎn)業(yè)相關(guān)的新興工科專業(yè)和特色專業(yè)集群;培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐[1];而研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)和教學(xué)改革是“新工科”建設(shè)的重要組成部分，也是“天大行動”的一個重要體現(xiàn)。本文針對集成電路（IC）專業(yè)研究生課程—IC工藝技術(shù)，從科教融合方面進(jìn)行教學(xué)改革，通過教學(xué)質(zhì)量提升以加強創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

IC是電子信息產(chǎn)品的核心和基石，沒有IC產(chǎn)業(yè)的支撐，信息化社會就失去了“根基”。因此，IC常被喻為電子整機(jī)設(shè)備的“心臟”、現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”。IC制造工藝按摩爾定律快速發(fā)展，目前7 nm工藝已成熟并用于芯片生產(chǎn)。在臺積電（TSMC）和三星（Samsung）等先進(jìn)IC制造公司宣布5 nm和3 nm工藝即將成熟之際，2021年5月IBM公司宣布，采用環(huán)繞柵極晶體管（GAA）技術(shù)造出全球第一顆2 nm制程芯片的實驗產(chǎn)品;在同樣的電力消耗下，其性能比7 nm工藝芯片高出45%，輸出同樣性能則功耗減少75%。由此可見，工藝技術(shù)節(jié)點減小對IC性能提高和發(fā)展具有重要的價值。IC制造行業(yè)被喻為高端制造的“皇冠明珠”，其技術(shù)代表著當(dāng)今世界微細(xì)加工的最高水平，因此IC制造工藝是一個國家高端制造能力的綜合體現(xiàn)，是各國高科技國力競爭的戰(zhàn)略必爭制高點。

目前我國IC產(chǎn)業(yè)的14 nm工藝已量產(chǎn)，正研發(fā)7 nm工藝。與國際先進(jìn)技術(shù)相比，我國IC制造工藝技術(shù)還較落后，其根本原因是核心技術(shù)“受制于人”，而解決這一問題離不開技術(shù)創(chuàng)新和人才培養(yǎng)。由于IC是知識密集型行業(yè)，對從業(yè)人員的學(xué)歷要求較高，因此在加大海外IC高層次人才引進(jìn)的同時，本土IC專業(yè)研究生人才培養(yǎng)也極其重要，他們是推動IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主力軍。當(dāng)前IC工藝技術(shù)的研究生教學(xué)以專業(yè)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)為主，雖然在課程中引入了一些當(dāng)前最先進(jìn)的IC制造工藝技術(shù)介紹（如10 nm以下CMOS器件結(jié)構(gòu)及工藝），但與之相應(yīng)的創(chuàng)新實踐教學(xué)仍是該課的薄弱環(huán)節(jié)，這顯然不利于“新工科”建設(shè)中研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本文結(jié)合我們團(tuán)隊CMOS圖像傳感器（CIS）方面的國家級科研項目（如國家重點研發(fā)計劃課題“低電壓高量子效率微光探測器及陣列（2019YFB2204301）”和“二維/三維兼容的圖像傳感器設(shè)計與芯片測試驗證（2019YFB2204302）”等），通過科教融合進(jìn)行創(chuàng)新實例設(shè)計探索，使之適用于IC工藝技術(shù)研究生教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

1 ?CMOS器件及在IC工藝技術(shù)課中的地位

由于CMOS器件在功耗和集成度等方面優(yōu)于雙極型器件，在應(yīng)用市場上占主導(dǎo)地位，因此IC工藝技術(shù)課中的器件介紹通常以CMOS器件為主。

傳統(tǒng)的CMOS器件是平面（Planar）結(jié)構(gòu)晶體管，如圖1所示，它由PMOS和NMOS管構(gòu)成。IC芯片中包含大量的PMOS和NMOS管，其制備工藝常稱為CMOS工藝。當(dāng)器件特征尺寸低于25 nm時，平面結(jié)構(gòu)的P/NMOS器件面臨穩(wěn)定性和可靠性問題，無法滿足IC應(yīng)用要求。針對這一問題，鰭式結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管（FinFET）[2，3]改進(jìn)了柵對MOS管溝道的控制，減小了小尺寸MOS器件的短溝道效應(yīng)，降低了漏電流。2011年初英特爾公司（Intel）使用22 nm工藝首先推出了商業(yè)化FinFET[4]，Intel Core i7-3770之后的22 nm處理器均采用了FinFET技術(shù)。但是當(dāng)FinFET特征尺寸進(jìn)一步降低（<7 nm），再次面臨穩(wěn)定性和可靠性問題[5]。最近IBM公司推出了全球首創(chuàng)的2 nm芯片技術(shù)，該芯片通過環(huán)繞柵極晶體管結(jié)構(gòu)（GAA）[6]的設(shè)計解決了小尺寸MOS器件穩(wěn)定性和可靠性問題。

本課程選用Hong Xiao（蕭宏）編著的原版英文教材《Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology》[7]。作者蕭宏曾作為高級制造工程師工作于摩托羅拉公司半導(dǎo)體公司，在奧斯汀社區(qū)大學(xué)講授過半導(dǎo)體制造技術(shù)，為IEEE會員和華美半導(dǎo)體協(xié)會終身會員，在IC制造工藝方面具有較高的學(xué)術(shù)水平和豐富的實踐經(jīng)驗。該書是一本關(guān)于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的優(yōu)秀教材，被全球多所著名大學(xué)微電子專業(yè)選為教材。與本科生所用教材（如硅集成電路工藝基礎(chǔ)）不同的是，該書并不強調(diào)很深的理論和數(shù)學(xué)知識，而是重點關(guān)注半導(dǎo)體關(guān)鍵加工技術(shù)概念的理解，因此比較適合作為研究生教材。該書繁體中文譯本被臺積電（TSMC）作為員工必讀培訓(xùn)教材。

基于研究生教學(xué)的IC工藝技術(shù)授課內(nèi)容主要由單項工藝、工藝集成和先進(jìn)CMOS工藝三部分組成[7]。此外，在授課時還將行業(yè)最新研究進(jìn)展和行業(yè)動態(tài)引入IC工藝技術(shù)課中（如FinFET）以及邀請行業(yè)專家作報告，以培養(yǎng)學(xué)生國際化視野。該課中的先進(jìn)CMOS工藝體現(xiàn)為新材料（如SOI襯底、銅互聯(lián)和高/低k介質(zhì)等）和新工藝（如大馬士革工藝和介質(zhì)工藝等），器件結(jié)構(gòu)仍為平面結(jié)構(gòu)。但在課程學(xué)習(xí)后，由學(xué)生利用所學(xué)知識進(jìn)行的創(chuàng)新實踐較少，存在人才培養(yǎng)與創(chuàng)新實踐脫節(jié)的問題。針對這一問題，本文基于科教融合設(shè)計了創(chuàng)新實例用于研究生教學(xué)，彌補了IC工藝技術(shù)課創(chuàng)新實踐教學(xué)的不足。

2 ?基于科教融合CIS創(chuàng)新實例設(shè)計

CIS是攝像頭模組的核心器件，目前在汽車、安防監(jiān)控和智能手機(jī)等方面有著廣泛的應(yīng)用[8]。由于CIS是采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備，與IC工藝技術(shù)課關(guān)聯(lián)較密切，因此將與之有關(guān)的創(chuàng)新實例用于研究生教學(xué)，不僅能加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，同時還有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.1 ?創(chuàng)新實例1—PD結(jié)構(gòu)CIS光敏單元設(shè)計

由于CIS能利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，在一個芯片上集成一個相機(jī)系統(tǒng)的全部電路（包括像素、讀出放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字儲存器、驅(qū)動控制器和數(shù)字信號處理器等）而不只是一個圖像傳感器，因此CIS常被稱為芯片上相機(jī)[9]，它在小型化和低功耗等方面是其他圖像傳感器所無法比擬的。目前CIS常采用4T-APS有源像素結(jié)構(gòu)（圖2），以便對光敏單元和像素電路進(jìn)行靈活設(shè)計[10]。圖2中4T-APS像素具有如下特點：（1）每個像素由4個晶體管構(gòu)成，分別為傳輸管（MTG）、復(fù)位管（MRST）、源跟隨器（MSF）和選通管（MSEL）;（2）光敏單元為光電二極管（PD）結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)收集光生電荷;（3）浮空擴(kuò)散區(qū)FD（floating diffusion）為電荷-電壓轉(zhuǎn)換節(jié)點;（4）PD與FD被傳輸管MTG隔開，其在結(jié)構(gòu)上與NMOS管相似（圖2），這里PD與FD分別相當(dāng)于NMOS管的源區(qū)和漏區(qū);（5）不同的是，NMOS管的源區(qū)和漏區(qū)在結(jié)構(gòu)上是對稱的，而PD與FD基于光電子收集和光電信號轉(zhuǎn)換的性能要求，在結(jié)構(gòu)上是不對稱的;在設(shè)計上通常PD面積大（獲得靈敏度高），F(xiàn)D面積?。ǐ@得高轉(zhuǎn)換增益）。通過這一結(jié)構(gòu)差異性對比，使學(xué)生領(lǐng)悟到在用所學(xué)知識時解決實際工程問題時，需根據(jù)性能要求靈活變通。

本文以圖2中4T-APS為研究對象，進(jìn)行創(chuàng)新實例設(shè)計。4T-APS有源像素的性能指標(biāo)主要有量子效率、靈敏度、轉(zhuǎn)換增益、滿阱容量和動態(tài)范圍等，影響這些性能參數(shù)的因素主要有PD/FD尺寸、光照強度、摻雜濃度和結(jié)深等?？捎肧entaurus TCAD軟件對設(shè)計的像素進(jìn)行仿真，獲得相關(guān)性能參數(shù)。該創(chuàng)新實例與NMOS器件在結(jié)構(gòu)上存在著關(guān)聯(lián)性，易于理解，并能用仿真軟件評價自己的設(shè)計，因此是可行的。由于圖2中PD與FD在結(jié)構(gòu)上與NMOS管的源區(qū)和漏區(qū)有差別，因此學(xué)生在對這一創(chuàng)新實例進(jìn)行練習(xí)時有利于培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

2.2 ?創(chuàng)新實例2—PPD結(jié)構(gòu)CIS光敏單元設(shè)計

在圖2基礎(chǔ)上對PD進(jìn)行改進(jìn)，如圖3所示。在PD上方進(jìn)行p+摻雜（稱為p+鉗位層），形成鉗位光電二極管（PPD）[10]。該p+鉗位層設(shè)計有助于降低Si-SiO2界面缺陷引起的閃爍噪聲（1/f噪聲）。這里p+鉗位層屬于淺結(jié)離子注入，在進(jìn)行工藝設(shè)計時需考慮是采用B+離子還是采用BF2+離子，通過創(chuàng)新實踐練習(xí)有助于加深學(xué)生對所學(xué)IC工藝知識的理解。

在創(chuàng)新實踐教學(xué)中，基于相同的工藝參數(shù)可讓學(xué)生對實例1和實例2的像素仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，理解p+鉗位層的作用及性能差異性的原因;在進(jìn)行機(jī)理分析時，需用到半導(dǎo)體物理的相關(guān)知識。由于設(shè)計和仿真工作量較大，在對比分析研究中，可以團(tuán)隊的形式協(xié)作進(jìn)行;這一方面有利于得出正確的結(jié)論，另一方面還能培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神。圖4是在實際教學(xué)中，一些學(xué)生對CIS像素仿真的結(jié)果，實現(xiàn)了創(chuàng)新實踐的預(yù)期目標(biāo)。

在實際教學(xué)引入創(chuàng)新實例后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生能更加積極主動地學(xué)習(xí)IC工藝技術(shù)課;不僅主動查資料、在課堂上認(rèn)真聽講，而且課后問問題的同學(xué)較以前顯著增多，這表明學(xué)生在學(xué)習(xí)本課時，結(jié)合創(chuàng)新實例認(rèn)真思考了。

2.3 ?基于創(chuàng)新實例科學(xué)思維和批判性思維的培養(yǎng)

上述創(chuàng)新實例練習(xí)中，像素設(shè)計（PD/FD尺寸）、工藝參數(shù)（摻雜濃度和結(jié)深等）和工作條件（電壓、光照強度）與CIS性能（滿阱容量、靈敏度和轉(zhuǎn)換增益等）密切相關(guān)。例如，在PD設(shè)計時需考慮光照強度、曝光時間和阱容量之間的關(guān)系;對于高低、光強的寬動態(tài)光照環(huán)境，PD面積及摻雜需折中考慮;PD摻雜濃度不能過高，否則復(fù)位時在≤3.3 V低壓下不易全耗盡，這些在設(shè)計時需辯證性思考。上述創(chuàng)新實例涉及半導(dǎo)體物理、光學(xué)和IC工藝等相關(guān)知識，要求在器件和工藝設(shè)計中能運用科學(xué)思維和批判性思維進(jìn)行綜合考慮，以兼顧各種限制條件;只有這樣，在創(chuàng)新實踐時才能根據(jù)工程應(yīng)用條件進(jìn)行合理的分析和設(shè)計?？傊?，在IC工藝技術(shù)課中結(jié)合科研項目引入上述創(chuàng)新實例，有助于培養(yǎng)研究生的科學(xué)思維和批判性思維以及靈活應(yīng)變能力。

2.4 ?基于創(chuàng)新實例教學(xué)方法的改變

由于在授課過程中引入了創(chuàng)新實例，因此授課方法須做出相應(yīng)的改變。對于基礎(chǔ)知識，要求學(xué)生先按教材課下自學(xué)，然后在課堂上通過提問檢查自學(xué)效果、討論存在的問題，并進(jìn)行學(xué)習(xí)總結(jié)。由于本科階段已進(jìn)行IC工藝原理的學(xué)習(xí)，具有一定的基礎(chǔ)，因此研究生階段自學(xué)英文原版教材上的IC工藝技術(shù)基礎(chǔ)知識，是可行的。對于英文教材中有難度的知識點（如工藝集成），由老師引導(dǎo)完成，學(xué)生通過查資料、獨立思考和相互討論，掌握相關(guān)知識。通過創(chuàng)新實例中CIS像素與NMOS器件在結(jié)構(gòu)上的相似性，引導(dǎo)學(xué)生從器件結(jié)構(gòu)和制備工藝等方面進(jìn)行比較、思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)心興趣。教學(xué)實踐表明，在IC工藝技術(shù)教學(xué)中引入創(chuàng)新實例，不僅能使學(xué)生從被動聽課轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃铀伎紝W(xué)習(xí)，同時在創(chuàng)新實踐中還加深了學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的理解，提高了學(xué)習(xí)效果。

3 ?結(jié) ?論

本文依托我們研究團(tuán)隊在CIS方面的科研項目，通過科教融合將創(chuàng)新實例引入研究生的IC工藝技術(shù)課，以提高課程質(zhì)量。所設(shè)計的創(chuàng)新實例與NMOS器件在結(jié)構(gòu)上相似，相關(guān)性強，并能通過Sentaurus TCAD軟件對設(shè)計的器件性能進(jìn)行仿真驗證，因此是可行的。教學(xué)實踐表明，上述創(chuàng)新實例在實際教學(xué)中受到學(xué)生的歡迎，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性?？傊诳平倘诤显诮虒W(xué)中引合適的創(chuàng)新實例，不僅有助于學(xué)生掌握扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識，同時還能培養(yǎng)他們的創(chuàng)新實踐能力。

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作者簡介：王秀宇（1978—），男，漢族，安徽阜陽人，副教授，博士，研究方向：微電子與固體電子教學(xué)科研。