“微电子工艺”课堂教学方法的改革论文

“微电子工艺”课堂教学方法的改革论文

　　摘要：笔者从几年的“微电子工艺”教学实践中提出了7点关于课堂教学改革方法：布置思考问题，引导学生预习；板书与多媒体教学相结合；现场小实验和实物展示；播放实地拍摄的录像；理论计算与工艺模拟相结合；专题讨论以及安排综合训练任务。通过一系列的改革措施，学生对这门课程从理论到实践都具有比较深刻的认识。

　　关键词：微电子工艺；课堂教学；教学改革

　　微电子工艺课程是为电子与信息工程学院电子科学技术专业设立的一门必修课。通过对本课程学习，使学生对半导体集成电路制造工艺流程及工艺原理有一个较为完整和系统的概念，并具有一定工艺分析、工艺设计以及解决工艺问题和提高产品质量的能力。

　　一、课堂教学改革整体思路

　　根据以往的授课经验，如果学生能够提前预习下节课内容，就会对将要讲授的内容有所思考，并且会提出问题，这样听课的时候更会抓住重点；如果能参与课堂讨论，将对知识点理解的更为透彻。因此，在本轮教学中每节课将针对下节课内容预留思考题，这些问题将会在授课时结合知识点给予回答，或者将其作为讨论内容。由此，对“微电子工艺”课程的课堂教学从以下几方面进行了改革：

　　1.每节课后设置思考题。例如，引言之后设置思考题：晶体中，不同晶向性质不同，如何定义晶向？制造不同类型的集成电路选用不同晶向的材料，材料的晶向由什么来决定？回答了这个问题，将会引入关于晶体生长的内容，而这部分内容与《半导体物理》中的晶向、晶体结构的知识点相关，也是对所学知识的复习。又如，晶体生长之后设置思考题：半导体生产要求一个非常洁净的环境，特别是工艺越先进，集成度越高，环境的洁净度也越高，那么这样的环境我们需要考虑哪几大方面呢？净化级别又如何定义呢？回答了这个问题，将会引入关于“工艺中的气体、化试、水、环境和硅片清洗[1]”中环境净化的内容。这些问题的作用更像是预习作业，为学习下节课内容做好准备。

　　2.板书与多媒体教学相结合。微电子工艺教学中，像氧化、扩散、光刻以及工艺集成如果仅仅凭着画图讲解很难有一个直观的理解，如果结合多媒体中精准的俯视图、剖面图、动画展示，会给学生以直观、清楚的认识。例如，杂质原子在硅片中的扩散过程、单个硅原子在硅片表面运动形成硅外延层的生长过程等。

　　3.现场小实验和实物展示。教学中思考的最多的是如何吸引学生的听课兴趣，因此当讲到某个知识点时，话题中尽量引用与实际相关的例子或拿来实物展示。比如讲到去离子水，就联系到生活中纯净水的制备；讲到文氏管，就现场做一个小实验来讲解文氏管的原理；讲到硅片的制备，就拿来硅片实物；讲到光刻，就拿来掩膜版给学生展示，加深对知识点的理解。

　　4.播放半导体生产的录像。因为微电子工艺生产有其特殊性，要求环境洁净度非常高，如果带领学生实地去工厂参观，会影响正常的生产，因此，联系相關的工厂，拍摄各个工艺的录像短片，讲到对应知识点的时候播放给学生看，并加上详尽的讲解，这样学生有一个非常直观的认识。

　　5.理论计算与工艺模拟相结合。本轮教学中，氧化、扩散、离子注入、化学气相沉积等工艺除了以往的理论计算之外，还加入了工艺模拟来对理论计算进行验证和调整，使之与实际的工作过程更加接近[2]。

　　例1：<111>晶向的硅样品，掺硼，浓度2×1015cm-3，淀积0.4um厚度的氮化硅作为掩蔽，其中一部分刻蚀出窗口，进行磷离子注入，注入能量为50keV、剂量为3×1015cm-2。然后将氮化硅全部刻蚀掉。进行1000℃、10分钟的湿氧氧化，提取注入磷区和没有注入磷区氧化层厚度[3]。通过编写程序，运用silvaco软件模拟结果如图1所示，氧化膜的厚度可以从运行文件中得到。

　　例2：n型、<100>晶向的硅片上进行15分钟的硼预扩散（温度为850℃），如果硅衬底掺杂磷的浓度在1016cm-3量级，模拟硼掺杂分布和结深。杂质分布模拟结果如图2所示，结深参数从模拟运行文件中得到。

　　6.专题讨论。为了使学生对课堂讲授内容有所延伸，针对重点内容设立专题讨论课。讨论一：双大马士革铜金属化工艺。这次讨论是针对课上讲授的传统金属化工艺的延伸，结合已学内容，通过查找资料，对于先进的铜金属化工艺进行讨论。讨论二：BiCMOS工艺讨论。这次讨论是针对课上讲授的双极工艺和CMOS工艺的延伸。双极和CMOS工艺的结合并不是简单的叠加，要求是工艺的兼容性、成本的最小化和性能的优化。

　　7.综合训练。在课程的尾声，要求完成一个集版图、工艺、仿真的综合设计，以检验对微电子工艺课程的理解和掌握程度。

　　例如：设计一套CMOS反相器版图和与版图对应的工艺流程[4][5]。要求：（1）画出版图，完成金属布线。（2）对应每块版画出工艺步骤的剖面图，在图中标明所用材料和工艺。并对每个剖面做出说明。（3）根据表1给出的工艺条件设计nmos管，使它的阈值电压=0.4V，并测量源区、漏区的结深，方块电阻，杂质分布。给出仿真结果。

　　二、课堂教学改革效果分析

　　课堂授课过程中，能够感受到上课听讲的人多了，并且能够有效的互动；因为讨论和综合设计需要人人画图、讲解、回答问题，所以绝大多数同学都能积极进行准备，也能够在答辩过程中提出遇到的问题；有很多同学在之后的课程设计中提出自己的分析问题的方法。

　　反思多年的课堂教学过程，以及和同学们交流，有以下几点需要不断的改进：①对于定量计算的内容，有一部分同学接受较慢，在很大程度上影响了之后的学习效果。解决方法：把集中讲解的习题课打散，把习题紧随相应的知识点之后进行讲解，用习题来加强对繁琐理论计算的理解。②关于课堂互动。并非每堂课都能轻松愉快，在一些较难的知识点上，学生的反映会比较钝一些。解决方法：强调重点，明确知识点之间的层次与关联；难点慢讲，细讲；增加提问和课上小测验。③讨论和综合训练答辩时间的掌握。无论是讨论还是综合答辩，都是非常耗费时间的，因为每个同学都要自述、提出问题、回答问题。解决方法：根据学生人数，留出足够的时间。比如今年是50个学生，分10组，每次讨论答辩大概3小时，综合答辩4个小时左右。

　　结束语：

　　通过不断的教学实践摸索，使学生更好的理解和掌握微电子工艺中硅片制备、工艺环境的获得和硅片的清洗、氧化、扩散、离子注入、薄膜淀积、光刻、刻蚀、金属化工艺以及工艺集成等内容，也使学生具有了一定工艺分析、工艺设计以及解决工艺问题和提高产品质量的能力。

　　参考文献：

　　[1]Michael Quirk，等.半导体制造技术[M].北京：电子工业出版社，2015.

　　[2]高文焕，著.计算机分析与设计[M].北京：清华大学出版社，2001.

　　[3]施敏，著.半导体制造工艺基础[M].合肥：安徽大学出版社，2011.

　　[4]Alan Hastings，著.模拟电路版图的艺术[M].北京：电子工业出版社，2007.

　　[5]施敏，著.半导体器件物理与工艺[M].苏州：苏州大学出版社，2002.

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