半导体工艺技术范文

导语：如何才能写好一篇半导体工艺技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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太阳电池在工作的过程中，光电转换效率并不只由本身的材料决定，还受到许多因素如：入射光反射，电极制作过程中金属半导体接触的质量，电池栅线遮光率等，这些都会使电池的效率下降。针对这些问题，本文探讨了利用工艺技术提高光电转换效率的主要途径。

【关键词】太阳能电池 工艺技术

太阳电池光电转换效率受到许多因素的影响，各子电池材料的搭配生长很重要，这决定了电池对光的吸收转换能力。太阳电池在工作的过程中，光电转换效率并不只由本身的材料决定，还受到许多因素的影响。例如，电池表面的入射光反射，电极制作过程中金属半导体接触面积过大导致少子复合速度提高，电池栅线遮光等，这些都会使电池的效率下降。因此，优化器件制造后工艺，对于充分利用太阳能，提高太阳电池的光电转换效率及降低成本具有重要的意义。

针对以上问题，利用工艺技术提高光电转换效率的途径主要有：

1 合理设计栅线结构

如果栅线宽度较大（通常大于10微米）将造成遮光较大，电池填充因子较低，同时金属与半导体接触面积增大将使表面扩散浓度升高，进而影响表面钝化的效果。因此电极栅线的设计显得格外重要，如何使电极线分布广泛，进而快速有效地收集聚光时产生的高密度光生载流子，同时尽可能增大电极透光面积、减小电极电阻是设计的重点。根据现有工艺条件以及预先设定的电池参数（开路电压、短路电流密度、最佳工作点的输出电压和输出电流密度等） 进行设计，合理的栅线结构可以将电极金属层电阻功率损耗，栅线遮挡造成的功率损耗，接触电阻功率损耗，接触层横向电阻功率损耗值降至最低。

2 在电池表面镀多层减反射膜

减反射膜是利用光在减反射膜的两侧处反射光存在位相差的干涉原理而达到减反射效果，可利用菲涅耳公式求得反射率。对于多层膜系， 通常引入光学导纳的概念来分析多层光学薄膜的反射性质，将整个系统等效为一个单层膜，求出多层膜系的等效菲涅耳系数，从而求出反射率。膜系的反射率R取决于上面的膜层结构参数。一般情况下，垂直入射和入射光的光谱分布是已知的，因此可通过调整膜系的层数m和各层膜的光学厚度来得到最小的反射率。

太阳光分布在一个较大的波长范围内，因此，对太阳电池要求在一个较宽的光谱范围内有良好的减反射效果，使更多入射光能进入电池。多层减反膜能够在多个波长附近有好的减反射效果，这样就展宽了具有良好减反射效果的波长范围。为搭配具有良好光电转换能力的太阳能电池材料，减反射膜材料的选择必须满足以下几个条件：

（1）适宜的透明范围，在对应于各太阳能电池吸收层材料波段的光吸收系数最小，尽可能避免光子在进入吸收层前被吸收，浪费光能；

（2）良好的光学、化学稳定性，以保证其在高温聚光条件下或空间极端条件下仍可正常工作；

（3）与窗口层材料结合以及膜层之间的结合性能、牢固度好；

（4） 保证膜层之间、膜与窗口层材料之间的折射率相匹配，这需要遵循麦克斯韦电磁方程组和菲涅耳公式进行多层膜系光学性质的推演，并不是随意的材料都可以进行组合，选择最恰当的材料折射率搭配才能达到最小的反射效果。

满足以上条件的双层膜系有很多，如TiO2/Al2O3、TiO2/SiO2、ZnS/MgF2或ZnS/ZnSe等。在地面应用中，对于III-V族级联电池，MgF2与ZnS组合的减反射膜能给出最佳的减反射效果。

今后，高效率电池的材料会随着资源开发的加剧越来越贵，在如何保证转换效率较高的情况下降低材料的成本就显得尤为重要，尽可能地增加入射光，研发新型减反射结构也是提升电池效率降低电池成本的一个有效途径。

参考文献

[1]Green M A.，Solar cells，New Jersey； Prentice-Hall Inc，1982：164.

[2]（[澳]马丁・格林），李秀文等译.太阳电池工作原理、工艺和系统的应用，北京电子工业出版社，1987.

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[4]D.E.Aspnes，et al.Optical Properties of AlxGa1-xAs，Journal of Applied Physics，1986（2）：755- 767.

[5]Yuan Hairong，Xiang Xianbi，Chang Xiulan，et al.Double layer antireflection coating on AlxGa1-xAs/GaAs solar cells. Acta Energiae Solaris Sinica，2000，21（4）：371（in Chinese）.

[6]唐晋发.应用薄膜光学，上海科学技术出版社，1984.

[7]E D Palik，Handbook of Optical Constant of Solids.AcademicPress，1997.

[8]Michael M Sanfacon.Analysis Of AlGaAs/GaAs Solar Cell Structures by Optical Reflectance Spectroscopy. IEEE Transactions on Electron Devices，1990，37（2）：450- 454.

[9]J Zhao，et al.Optimized Antireflection Coatings for High-Efficiency Silicon Solar Cells.IEEE Transactionson Electron Devices，1991，38（8）：1925- 1934.

作者简介

詹锋（1980-），男，广西壮族自治区南宁市人。北京师范大学博士，中国科学院博士后，现广西大学有色金属材料国家重点实验室培育基地副研究员，研究方向为有色金属新能源材料。

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关键词：集成电路工艺原理；教学内容；教学方法

作者简介：汤乃云（1976-），女，江苏盐城人，上海电力学院电子科学与技术系，副教授。（上海?200090）

基金项目：本文系上海自然科学基金（B10ZR1412400）、上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目（10110502200）资助的研究成果。

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0046-01

微电子产业的快速发展急需大量的高质量集成电路人才。优秀的集成电路设计工程师需要具备一定工艺基础，集成电路工艺设计和操作人员更需要熟悉工艺原理及技术，以便获得性能优越、良率高的集成电路芯片。因此“集成电路工艺原理”是微电子专业、电子科学与技术专业和其他相关专业一门重要的专业课程，其主要内容是介绍VLSI制造的主要工艺方法与原理，培养学生掌握半导体关键工艺方法及其原理，熟悉集成电路芯片制作的工艺流程，并具有一定工艺设计及分析、解决工艺问题的能力。课程的实践性、技术性很强，需要大量的实践课程作为补充。但是超大规模集成电路的制造设备价格昂贵，环境条件要求苛刻，运转与维护费用很大，国内仅有几所大学拥有供科研、教学用的集成电路工艺线或工艺试验线，很多高校开设的实验课程仅为最基本的半导体平面工艺实验，仅可以实现氧化、扩散、光刻和淀积等单步工艺，而部分学校仅能开设工艺原理理论课程。所以，如何在理论教学的模式下，理论联系实践、提高教学质量，通过课程建设和教学改革，改善集成电路工艺原理课程的教学效果是必要的。如何利用多种可能的方法开展工艺实验的教学、加强对本专业学生科学实验能力和实际工作能力以及专业素质的培养、提高微电子工艺课程的教学质量，是教师所面临的紧迫问题。

一、循序渐进，有增有减，科学安排教学内容

1.选择优秀教材

集成电路的复杂性一直以指数增长的速度不断增加，同时国内的集成电路工艺技术与发达国家和地区差距较大，故首先考虑选用引进的优秀国外教材。本课程首选教材是国外电子与通信教材系列中美国James D.Plummer著的《硅超大规模集成电路工艺技术—理论、实践与模型》中文翻译本。这本教材的内容丰富、全面介绍了集成电路制造过程中的各工艺步骤；同时技术先进，该书包含了集成电路工艺中一些前沿技术，如用于亚0.125μm工艺的最新技术、浅槽隔离以及双大马士革等工艺。另外，该书与其他硅集成电路工艺技术的教科书相比，具有显著的两个优点：其一是在书中第一章就介绍了一个完整的工艺过程。在教学过程中，一开始就对整个芯片的全部制造过程进行全面的介绍，有且与学生正确建立有关后续章节中将要讨论的各个不同的特定工艺步骤之间的相互联系；其二是贯穿全书的从实际工艺中提取的“活性”成分及工艺设计模拟实例。这些模拟实例有助于清楚地显示如氧化层的生长过程、掺杂剂的浓度分布情况或薄膜淀积的厚度等工艺参数随着时间推进的发展变化，有助于学生真正认识和理解各种不同工艺步骤之间极其复杂的相互作用和影响。同时通过对这些模拟工具的学习和使用，有助于理论联系实际，提高实践教学效果。因而本教材是一本全面、先进和可读性强的专业书籍。

2.科学安排教学内容

如前所述，本课程的目的是使学生掌握半导体芯片制造的工艺和基本原理，并具有一定的工艺设计和分析能力。本课程仅32学时，而教材分11章，共602页，所以课堂授课内容需要精心选择。一方面，选择性地使用教材内容。对非关键工艺，如第1章的半导体器件，如PN二极管、双极型晶体管等知识已经在前续基础课程“半导体物理2”和“半导体器件3”中详细介绍，所以在课堂上不进行讲授。另一方面，合理安排教材内容的讲授次序。教材在讲授晶片清洗后即进入光刻内容，考虑工艺流程的顺序进行教学更有利于学生理解，没有按照教条的章节顺序，教学内容改变为按照清洗、氧化、扩散、离子注入、光刻、薄膜淀积、刻蚀、后端工艺、工艺集成等顺序进行。

另一方面，关注集成电路工艺的最新进展，及时将目前先进、主流的工艺技术融入课程教学中，如在课堂教学中介绍INTEL公司即将投产的采用了22nm工艺的代号为“Ivy Bridge”的处理器等。同时，积极邀请企业工程师或专家开展专题报告，将课程教学和行业工艺技术紧密结合，提高学生的积极性及主动性，提高教学效果。

3.引导自主学习

半导体产业正飞速发展，需要随时跟踪集成电路制造工艺的发展动态、技术前沿以及遇到的挑战，给学生布置若干集成电路工艺发展前沿与技术动态相关的专题，让学生自行查阅、整理资料，每一专题选派同学在课堂上给大家讲解。例如，在第一章讲解集成电路工艺发展历史时，要求同学前往国际半导体产业规划网站，阅读最新年份的国际半导体技术发展路线图，完成如最小特征指标、工作电压等相关技术指数的整理并作图说明发展趋势等。这样一方面激发了学生的求知欲，另一方面培养学生自我学习提高专业知识的能力。

二、丰富教学手段，进行多样化、形象化教学

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关键词：自动化测试仪表 可靠性 人机对话

中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（c）-0000-01

科学技术的飞速发展促使社会意识形态发生转变，使得人们对生活的追求更加富有人文主义特色，社会各领域对环境的要求更加严格，对产品的现代化程度要求更高，其中节能减排战略促使新型能源产业风靡全球，带动了全球半导体技术的进一步发展，比如太阳能行业逐渐成为新时期的朝阳产业，该行业中对仪器仪表提出了新的要求。作为现代化仪器仪表的制造商，间接地为现代化科技的发展创造了基础科研平台，通过提供先进的仪表，可以提高用户的生产效率，提升产品质量，监控排放，为低碳经济做出更大的贡献。

1 半导体行业对自动化仪器仪表需求分析

1.1 自动化仪器仪表现状

全球科技创新的日新月异带动了我国制造业的飞速发展，进入新世纪以来，我国半导体行业对自动化仪表的需求明显加强，无论从技术特点还是市场数量上都呈现递增趋势，从技术含量上分析，我国科研、量产中所使用的自动化仪表已经处于世界领先水平。

上世纪初，国内仪器仪表稳步发展，主要源于工业半导体行业的需求增加，从技术层面上拉动了整个行业技术水平的提升，尤其在新产品开发上取得了显著成效，比如说拥有自主知识产权的电磁流量计、智能化电动机执行系统等。

1.2 半导体行业对自动化仪器仪表的需求分析

目前，我国半导体行业使用较多的仪器仪表主要是小型检测单元，比如在集成电路、液晶显示、半导体薄膜、太阳能电池制备等领域的使用较为频繁。自动化仪器仪表的使用往往依赖于半导体设备的发展程度，现阶段该行业中使用较多的是各种薄膜沉积系统、成分检测系统等，涵盖面较广的是PECVD（plasma enhanced chemical vapor deposition）、HWCVD（Hot wire chemical vapor deposition）、MOCVD（metal organic chemical vapor deposition）系统以及相关检测设备等。半导体设备中对压力计、传感器、流量计、温度计等元器件的使用较多，尤其在半导体行业制备薄膜材料的工艺中对以上元器件的要求相对较高。

（1）压力表

由于半导体技术具有相对较高的精密性，在半导体薄膜的制备工艺中，要求对工艺参数精确控制，反应腔室内部工艺气体的压力大小，成为该行业工艺技术中的核心参数。对工艺气体压力的检测通常采用压力计以及相关的各种真空检测设备。半导体设备的正常运行必须以厂务设施作为保证，包括水、电、气等条件，其中“水”主要用于设备冷却或者恒温加热，因此需要采用压力表对水压、CDA（condensed air）等进行严格控制方可保证工艺正常运行。

（2）流量计

流量计一般应用在化学沉积系统中，对气体流量起到监测、控制作用。对于半导体工艺来说，产品制备工艺参数是决定器件性能的关键因素，其中化学气相沉积系统中反应气体的流量对最终产品质量起到直接的决定性作用，对气体流量的控制不仅要体现动态时效性，更重要的是要在量的控制上具备较高的精确度，目前国内制备MFC的技术已相对成熟，为我国半导体行业的发展奠定了基础。

（3）传感器

传感器在现代工业时代的使用极为广泛，半导体设备中对传感器的使用大多体现在设备机械传动部分。在半导体产品制造中，要实现设备的流水线运行，离不开高可靠型的传感器元件，通过传感器协调不同工序、设备不同部位的联动，进而保证整个工艺的流水线运行。

（4）温度计

随着科学技术的发展和现代工业技术的进步，测温技术也不断地改进和提高，其中金属温度计是利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的，在半导体紧密制造中通常用来检测液体、气体的温度，测试温度偏中低水平，适合工艺流程中在线、动态、实时监测。

半导体工艺中对金属温度及的使用大多是用来检测特殊反应气体的温度，由于普通加热器很难通过热电偶检测衬底温度，通常在反应腔室特殊部门安装金属温度计监测生长基元的温度，从测量精度和实际可操作性上提高了半导体工艺的可行性。

2 自动化仪器仪表在半导体行业的发展趋势

自动化测试仪表技术未来发展趋势主要体现在高智能化、高可靠性、高精密度、优良的响应性能等方面，半导体行业仪器仪表技术主要针对具体应用特性而体现出以下几个发展方向：

2.1 人机对话智能化发展

人机对话技术是自动化仪器仪表发展的核心方向，也是未来信息化社会的主流技术，半导体行业对仪器仪表的使用目的是为了便于更好的控制工艺流程，提高对设备的可控性，如果自动化测试仪表具有强大的人机对话特性，能够快速、准确的体现设备运行状态，在半导体制造工业中无疑起到了举足轻重的作用。自动化仪表的人机对话性能是通过设备控制端和仪器之间的对话界面实现，通过人类可以识别的界面端口，读取仪表对设备状态的检测数据，从而对工艺过程起到指导作用。

2.2 集成技术的标准化发展

自动化仪表的应用直接依赖于其能否与其他设备形成对话流畅的有机整体，随着人类科学技术的不断进步，半导体行业对自动化仪表的使用需求逐渐增多，不同设备具有不同的逻辑控制系统，如何将自动化测试仪表的接口、通信、软件控制单元和半导体设备逻辑控制语言相融合成为该行业技术发展的瓶颈，如果实现测试仪表在不同半导体设备上的集成标准化，将大幅度提升自动化测试技术的进步。

2.3 可靠性技术的提高

自动化仪表在工业生产中起到“中枢神经”的作用，对其可靠性不容忽视，尤其对于大型复杂的工业系统中，自动化仪器的可靠性关系到整个企业、乃至行业的发展命脉。对于半导体企业检测与过程控制仪表，大部分安装在工艺管道、工序过渡段，甚至多数环境存在有毒、易燃、易爆等特种气体，这些特殊环境对自动化仪表的维护增加了很多困难。因此，在使用特种气体的半导体行业中对自动化检测仪表的可靠性具有较高的要求，尽可能降低其维修频率，为工业安全生产提供必要保证。

3 结语

当今世界已经进入信息时代，自动化技术成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键因素，其中自动化测试仪表作为科研、工业化生产的基础硬件设施而不断发展成熟，在半导体行业中的应用逐渐广泛深入。随着行业科研水平的提高，对自动化仪器仪表有了更好的要求，可靠性、集成技术、智能对话特性成为自动化测试技术发展的首要任务，对自动化测试技术以及测试仪表的使用起到举足轻重的作用。

参考文献

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摘要：

评估了使用深反应离子刻蚀工艺来进行晶圆的切割，用于替代传统的刀片机械切割方式。结果表明，使用深反应离子刻蚀工艺，晶圆划片道内的硅通过等离子化学反应生成气态副产物被去除，从而避免了芯片侧面的机械损伤。切割后整个晶圆没有出现颗粒沾污，芯片边缘没有崩角以及开裂等损伤。该工艺还可以适用于更窄的划片道切割要求。

关键词：

深反应离子刻蚀；刀片机械切割；崩角；开裂

1引言

半导体行业一直使用刀片机械切割晶圆的方式，将芯片分离成单独的颗粒，这是目前业界的主流工艺。刀片切割过程中会产生碎屑，芯片侧壁受机械损伤会出现崩角以及开裂，影响到芯片的有效区域，造成电性能失效。硅的裂纹会出现延伸或传播，影响芯片的可靠性以及使用寿命。伴随着半导体工业的发展，晶圆划片道宽度越来越窄。通常划片道宽度在60μm以下时，刀片机械切割将出现工艺瓶颈，主要受限于刀片本身宽度。腐蚀技术分为干法腐蚀和湿法腐蚀。腐蚀具有各向同性腐蚀与各向异性腐蚀之分，还有选择性腐蚀与非选择性腐蚀之分。湿法腐蚀工艺技术是化合物半导体器件制作中一种重要的工艺技术；它是在具有高选择比掩蔽膜的保护下对介质膜或半导体材料进行腐蚀而得到所需图案的一种技术。湿法腐蚀是一种化学腐蚀方法，主要针对InP、GaAs基化合物半导体材料及SiO2的腐蚀。从图1可以看出，湿法腐蚀各向同性，其腐蚀偏差较大，腐蚀图形不可控，无法满足半导体芯片切割的要求。在湿法腐蚀中,抗蚀剂与衬底交界面有腐蚀剂渗入的问题。为了抑制腐蚀液的渗入，显影后需要烙烘进行坚膜，由此常常引起抗蚀剂图形的变形，不利于微细加工[1]。干法刻蚀是在真空状态下通入一定量的反应气体，在射频电场作用下辉光放电，形成等离子体。等离子体中含有离子、电子及游离基等，可与被刻蚀晶圆表面的原子发生化学反应，形成挥发性物质，达到刻蚀样品表层的目的。同时，高能离子在一定的工作压力下，射向样品表面，进行物理轰击和刻蚀，使得反应离子刻蚀具有很好的各向异性，从而得到所需要的器件外形结构[2]。从图2可以看出，干法刻蚀由于各向异性，腐蚀偏差小，腐蚀图形可控，精度高,公害少,工艺清洁度高，对环境污染小。因此，在半导体制造中，干法刻蚀越来越成为用来去除表面材料的主要刻蚀方法。干法刻蚀的各向异性可以实现细微图形的加工，满足越来越小的尺寸要求，已取代湿法刻蚀成为最主要的刻蚀方式[3]。目前干法刻蚀技术有离子刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀几种类型，这几种刻蚀方法适用于不同的被刻蚀材料。其中，深反应离子刻蚀主要应用在去除硅的场合，在刻蚀SiO2时，DRIE的刻蚀速度更快。其刻蚀剖面各向异性，即刻蚀只在垂直于晶圆表面的方向进行，只有很少的横向刻蚀，可以获得90°±1°垂直度的侧壁，用于创建深沟或高纵深比结构。其刻蚀的各向异性可以实现细小图形的转换，满足较小尺寸的要求。深反应离子刻蚀因其具有较高的刻蚀速率、良好的方向性和选择性而在各种各样的硅基微系统制造中得到大量的应用，不但广泛地应用在微电子领域，而且是集成光学器件及微光机电器件加工的重要手段[4，7]。

2深度反应离子刻蚀的基本原理

深度反应离子刻蚀也叫高密度等离子刻蚀或感应耦合等离子刻蚀，是一种采用化学反应和物理离子轰击去除晶圆表面材料的技术[5]。它将等离子的产生和自偏压的产生分别用两个独立的射频电源进行，有效避免了反应离子刻蚀中射频功率和等离子密度之间的矛盾。为实现刻蚀基进入高深宽比图形并使刻蚀生产物从高深宽比图形中出来，必须降低刻蚀系统的工作压力，以增加气体分子和离子的平均自由程。为避免因此导致的离子浓度变低而影响刻蚀速率，使用电感耦合等离子体产生高密度等离子[6]。图3是电感耦合等离子刻蚀设备工艺腔简图。上电极由一个13.56MHz的射频电源通过匹配器接入线圈用于电离气体产生高密度等离子体，下电极由一个400kHz/13.56MHz的射频电源通过匹配器接入静电吸盘，在腔内产生自偏压。深度反应离子刻蚀采用刻蚀和钝化交替进行的博世工艺以实现对侧壁的保护，形成近90°的垂直侧壁[7~8]。原理如下。通入C4F8气体电离，并发生聚合反应在沟槽侧壁以及底部沉积形成钝化层，由于自由基是中性，不受暗区电场的加速，没有方向性，所以沉积的Polymer在沟槽底部以及侧壁都是均匀的。参见图4。通入SF6气体电离，产生SxFy离子和F的活性自由基，SxFy离子在暗区电场作用下加速轰击沟槽底部与侧壁的钝化层，于是钝化层被刻蚀。参见图5。由于暗区电场的加速作用，离子在垂直方向比在水平方向的轰击占优，沟槽底部钝化层比侧壁钝化层先一步被刻蚀清除，这时F的活性自由基与沟槽底部露出的硅反应产生SiF4气体被泵抽走(如图7)，实现对沟槽底部的刻蚀，直至侧壁钝化层也被刻蚀完毕再开始新的循环。从图6看出，由于暗区电场的作用，沟槽侧壁是最后被刻蚀完成的，故对侧壁起到了很好的保护作用，因此，纵向刻蚀距离大于横向刻蚀距离。相关化学反应的方程式如下：（1）各向同性Polymer沉积C4F8CFn（2）各向异性硅刻蚀+各向异性轰击SF6+eSF5++F(游离基)+2eF+SiSiF4(g)对于晶圆的切割来说，各向异性刻蚀的刻蚀速率快，能形成高纵深比的结构和精确的三维结构，没有负效应，能通过合理改变工艺参数满足特定应用的显微结构要求，使得深度反应离子刻蚀成为一个商业上可行的技术[9]。

3试验准备

晶圆在使用深度反应离子刻蚀工艺进行划片的工艺流程见图8~13。硅刻蚀使用深反应离子刻蚀工艺将硅刻穿，完成芯片的切割。把晶圆背面贴上划片膜，释放玻璃片，从而便于后续的编带，见图13。刻蚀后的晶圆如图14所示。干法刻蚀设备为SPPMUC21刻蚀机。该设备为ICP高密度等离子刻蚀机，刻蚀深度片内/片间均匀性误差≤5%，刻蚀角度90±1°。

4样品检验

4.1测量设备

测量设备为奥林巴斯光学显微镜和日立扫描电镜。

4.2检验结果

（1）等离子刻蚀后晶圆表面没有任何碎屑、沾污开裂等问题，见图15。

（2）等离子刻蚀后晶圆划片道内没有任何残留以及沾污，刻蚀前光刻开口22±1μm，刻蚀后划片道开口满足22±3μm。见图16。

（3）等离子刻蚀后取芯片做SEM，观察芯片侧壁，没有崩角或者开裂。见图17。

（4）样品良品率大于98%。

5结论

通过大量实验，确定深反应离子刻蚀能用于硅片的切割；切割效果可以满足规范要求。通过优化工艺流程、刻蚀速率和划片槽开口大小，可以获得理想的切割剖面，以确保深度反应离子切割是可以接受的。

参考文献：

[1]孙静，康琳，等.反应离子刻蚀与离子刻蚀方法的研究与比较[J].低温物理学报，2006，28（3）.

[2]苟君，吴志明，太惠玲，袁凯.氮化硅的反应离子刻蚀研究[J].电子器件，2009，32（5）.

[3]苟君，吴志明，太惠玲，袁凯.氮化硅的反应离子刻蚀研究[J].电子器件，2009，32（5）.

[4]葛益娴，王鸣，戎华.硅的反应离子刻蚀王艺参数研究[J].南京师范大学学报(工程技术版)，2006，6（3）.

[5]苟君，吴志明，太惠玲，袁凯.氮化硅的反应离子刻蚀研究[J].电子器件，2009，32（5）.

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关键词：电子材料；工艺学；实验研究；本科教学.

【中图分类号】G642

本论文受济南大学教学研究项目（JZC12002）支持。

一、前言

电子材料是材料科学与电子科学与技术、半导体材料和新能源材料相融合的交叉边缘学科，其课程体系设计的背景是基于电子和微电子器件、光电子器件以及新能源器件产业的现实功能需求和未来巨大发展潜力[1]。随着电子科学技术的飞速发展，对电子工艺学业提出了越来越高的要求，人们在实践中不断探索新的工艺方法，寻找新的工艺材料，使电子工艺学的内涵及外延迅速扩展。可以说，电子工艺学是一门充满蓬勃生机的技术学科。电子工艺技术虽然在生产实践中一直被广泛应用，但作为一门学科而被系统研究的时间却不长。系统论述电子工艺的书刊资料不多。基于目前国内外电子材料工艺技术为背景，本学院在拓展本科教学专业方面，设置《电子材料工艺学》作为一门重要的课程之一，本教学团队拟开展一系列针对该工艺学的一系列课程实验。该实验一方面要求学生通过实验，使学生深入理解传统电子材料工艺在材料性能中的作用。另一方面，结合目前半导体与微电子应用领域制造工艺，让同学们熟悉先进的电子材料工艺，掌握关键实验参数。《电子材料工艺学》匹配系列环节实验，有助于完善新版电子材料专业方向实验的教学文件，初步建设科学合理的实验体系，通过加强教学实践过程中教学与实验信息的互相反馈，为科学合理的培养目标电子材料专业方向专业人才奠定基础。

二、《电子材料工艺学》课程匹配实验设置

在该《电子材料工艺学》课程内容设置中，通过对电子信息产业各领域的介绍，让学生初步了解各类电子材料的基本概念，掌握电子陶瓷材料的界定和分类，初步掌握典型电子陶瓷的组成、制备工艺、性能，同时了解电子薄膜材料与纳米晶体的应用和相关工艺。在内容上为了突出材料性能在器件中的应用和熟悉电子材料专业方向的材料结构和工艺内容，额外增加了半导体、微电子、光电子和能源电子方面的知识内容。同时，为了更好地让同学们认识电子材料工艺过程，拟在该课程中设置系列匹配实验，让同学们更好掌握本门课程。基于《电子材料工艺学》课程内容拟增设如下配套实验，以保证教学效果。在电子陶瓷成型工艺实验方面，侧重突出陶瓷原料球磨、混料、煅烧、二次球磨、造粒、成型、烧结等重要工艺环节的工艺；重点掌握球磨时间、混料时间、成型压力、烧结温度及保温时间等关键参数影响情况；通过相关实验，让学生能够更好更全面的掌握所学知识。

1.在薄膜制备工艺实验上，考虑到气相法制备薄膜工艺需要昂贵的实验设备，而液相法成本相对较低。因此在实验中，首选以溶胶凝胶工艺为基础的液相薄膜制备工艺。溶胶凝胶（Sol-gel）法是制备材料方法中新兴起的一种湿化学方法。它的基本原理是：以金属醇盐或其它金属无机盐的溶液作为前躯体溶液，在低温下通过溶液中的水解、聚合等化学反应，首先生成均一稳定的溶胶；然后根据溶胶凝胶制备薄膜工艺的原理，可分为以下几个过程：1溶胶在基片旋涂形成湿膜；2基片烘干形成干膜；3基片快速热处理形成薄膜结晶相；4薄膜表征。设计该实验可以让同学们重点掌握上述几个工艺环节的工艺参数，熟悉陶瓷薄膜制备液相工艺。

2.在纳米粉体制备实验上，侧重突出利用湿化学工艺制备纳米粉体工艺。液相反应法作为一种制备超细粉体的方法成为各国材料科学家研究的热点。常用的液相反应法有共沉淀法、水解法、溶胶凝胶法、微乳液反应法等。实验设计上，重点以溶胶凝胶工艺作为主要内容，首先生成溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，然后经过热处理或减压干燥，在较低温度下制备出各种无机材料或复合材料的方法。可见根据溶胶凝胶法的原理，可将溶胶-凝胶法分为以下几个过程：1溶胶制备过程；2凝胶形成过程；3陈化过程；4干燥过程；5热处理过程。实验设计上从前驱体溶液的制备到后续纳米粉体煅烧与表征形成一系列标准工艺，让同学们有深刻了解并掌握相关工艺参数。

3.基于光刻工艺的应用背景而言，在开设《电子材料工艺学》课程过程中，设计半导体制造工艺中光刻实验对于同学们掌握课程知识有很大帮助，同样也利于后续就业。以介质陶瓷单层电容（SLC）的制备为例，整个实验过程包括：1MN陶瓷基片准备；2设计掩模板；3陶瓷基片匀胶及烘干；4曝光显影及后烘；5陶瓷基片蒸电极；6lift-off工艺，剥离电极；7切割与性能测试。通过上述工艺过程，可以继续采用划片机根据SLC电容的分布，沿着分割线进行线切割，形成单个的电容或电容阵列；利用探针台与测试仪器配套搭建测试系统，进行电学性能测试，进行评估。

三、结论

基于上述考虑，《电子材料工艺学》课程实验设置一方面可以培养学生掌握电子材料工艺操作的基本技能，充分理解工艺工作在材料制造过程中的重要地位，从更高的层面了解现代化电子材料工艺的全过程，了解目前我国电子材料工艺中最先进的技术和设备。另一方面掌握电子材料制备工艺；借助于相关工艺实验有助于同学们掌握相关行业背景知识，熟悉材料工艺过程，使学生成为将来掌握相应工艺技能和工艺技术管理知识、能指导电子产品现场工艺、能解决实际技术问题的专业技术骨干奠定基础。

参考文献

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魔幻开端

1947年12月16日，威廉•肖克利（William Shockley）、约翰•巴顿（John Bardeen）和沃特•布拉顿（Walter Brattain）成功地在贝尔实验室制造出世界上第一只晶体管。这三人也因为此项发明而获得1956年的诺贝尔化学奖。

晶体管的基本工作原理很简单: 电子在源极和漏极之间流动，根据位于顶端的栅极电压的高低来控制其通断，接通状态为“1”，断开为“0”。第一只晶体管是点接触晶体管（point-contact transistor），其主要作用是放大电信号。晶体管开始逐渐在收音机、电话中代替体积比晶体管庞大得多的真空电子管。

1950年，威廉•肖克利开发出双极（N极和P极）晶体管（Bipolar Junction Transistor），就是现在通行的标准晶体管。从那天起，尽管制造晶体管的材料和工艺技术进步了许多，但晶体管的架构一直没有发生根本性的变化。

尽管晶体管早期最著名的应用是诸如晶体管收音机这样的电子设备，但真正让晶体管在人类历史上占据重要地位的是其作为集成电路（IC，通俗的称呼是芯片）中的开关―简单的“0”和“1”创造了奇妙而丰富多彩的电子世界。在世界上第一款便携式晶体管收音机诞生时，其内部仅仅包含4个锗晶体管，而目前世界上最先进芯片中含有的晶体管数量已经超过了10亿只。

转机出现在1958年，德州仪器的Jack Kilby和仙童半导体公司的Robert Noyce（后联合摩尔创立英特尔）发现集成电路中可以容纳大量晶体管。晶体管组装开始从人工转向自动化，再加上大规模经济制造方法（CMOS工艺）的诞生，晶体管密度的指数级增长潜力开始得以发挥。晶体管迅速占领了电子设备的智能核心―芯片。

1965年，戈登•摩尔在《Electronics Magazine》上发表文章提出了著名的摩尔定律，量化了晶体管这种神奇的魔力。

终极挑战

摩尔定律揭示的指数级增长定律是建立在不断缩小晶体管的尺寸和体积基础上的。在这场每24个月左右将晶体管体积缩小一半的小型化竞赛中，晶体管的关键部件之一即将达到极限: 栅极和源极、漏极间电子流经通道之间的绝缘层―SiO2层的厚度在到达90纳米节点以来，其物理尺寸一直保持不变。因为其大小已经为1.2纳米，仅相当于5个原子的厚度（原子是不可分的）。

越来越薄的绝缘层使漏电流越来越明显，芯片发热量增大，晶体管工作得越来越不稳定。尽管目前漏电流还在可控范围内，但要付出的代价可想而知。

事物往往具有两面性。固有晶体管的物理极限即将来临，促使人们从另一个角度思考问题: 既然用SiO2不能解决问题，能不能用一种对电荷具有更强吸附能力（k值更高）的材料来替换它？拥有更高“k”值的材料可以和目前的二氧化硅做得一样厚，甚至更厚些――同时保持比SiO2更理想的属性，可以大幅减少漏电量。

业界从多年以前就一直在思考这个问题，终于在45nm时代取得了突破。英特尔用高-k铪基栅介质来取代传统的SiO2，而为了解决现有栅极与新的栅介质不兼容的问题，还采用了一种新的金属栅极。新的晶体管技术使源极－漏极漏电流降低5倍以上，栅极漏电流减少了10多倍。降低漏电流10倍，相当于将绝缘层的厚度“增加”了10倍。在新的晶体管材料基础上，一场新的“缩小”工程将继续延续下去。

采用高-k铪基栅极介质和金属栅极的想法是业界集体智慧的结晶―IBM日前宣布在其32nm工艺中也将采用这一组合。而日本的一些半导体企业也将先后跨入这一阵营。

晶体管的未来

尽管硅的摩尔定律可能将在未来10年遭遇物理极限，但是这并不意味着晶体管将寿终正寝。在经历了多年Scale Up（向上）成长之后，Scale Out（向外）成长将成为晶体管未来发展的一条主线。新的晶体管结构、互联技术、半导体材料将在多个维度上延长其生命力。

毫无疑问，晶体管的尺寸不可能永无休止地缩小下去。目前的晶体管依然保持其从诞生开始即采用的平面结构―源极-漏极和栅极位于同一个水平面上，漏电流问题始终是难以根除的难题。而下一个晶体管技术的革命很可能是从平面转向立体―这种垂直通道晶体管技术被称为三栅极(tri-gate)晶体管，俗称三维晶体管。三维晶体管可以通过晶体管顶门和垂直的两个侧门发送电信号。这一设计在不增加更多空间的情况下将电子信号的传输空间扩大了三倍。借助这一优势，三门晶体管与当前的平面晶体管相比性能更为卓越，漏电流也将大幅减小。可以预想，一场新的竞赛又将上演。

另一方面，从2001年开始，铜互联取代铝互联，这可以看做是半导体工业里程碑式的事件。新的碳纳米线和碳纳米管有望在不远的将来取代铜互联而树立半导体工业的另一座里程碑。由于碳纳米管比金属的导电性能好得多，而且纳米管也比金属连线细得多，因此纳米管有可能解决晶体管互连难题。IBM和其他一些公司都已经研发出碳纳米管。英特尔也已经用碳纳米管开发出了原型互连线，用以取代在芯片中连接晶体管的微细铜金属线，并测量了原型互连线的连接效果，为碳纳米管的实用化积累了经验。

摩尔定律的现实意义

尽管业界在晶体管技术方面取得了巨大的进步，摩尔定律依然面临着技术可行性和经济性两方面的严峻挑战。

从反面来看，不断攀升的制造成本、材料和工艺技术难题确实让人们对其经济性不断产生质疑，全球半导体制造业务的集中趋势也印证了这一担忧。

不过从今天看来，虽然硅的摩尔定律越来越接近其物理极限，但新的思想方法和技术有可能达到与单纯缩小晶体管体积方法异曲同工的目的: 不断提升芯片的性能，增加功能，降低功耗和成本。

根据市场研究公司Gartner最新的报告，2007年预计全球芯片销售额将达2700亿美元，比2006年增长3%。根据预测，消费市场将成为推动芯片行业发展的主要推动因素。而这些新兴市场恰恰是45nm以及更先进制造工艺进步最大的受益者。

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单纯从国内芯片制造业发展的角度去解读这件事，着实是不小的突破。要知道代表了国内芯片制造最高水平的中芯国际2013年才开始量产40nm芯片，2014年年底才制造出第一枚28nm芯片，而今已经可以规模量产骁龙410，这样的发展速度，即便参照国际先进芯片制造企业，也并不落下风。

手握28nm制程技术，中芯国际在未来几年的日子会过的好一点，而其直接竞争对手恐怕会神经紧张。但如果就此说中国芯片制造已经步入先进行列，未免有些言过其实。

芯片制造仍是短板

芯片行业主要可以细分为设计、制造和封测三个领域。高通、联发科、华为海思是典型的设计企业，台积电、联电和中芯国际则属于芯片制造企业（行业内也称为晶圆厂），飞思卡尔、长电科技等是主要从事封测的芯片企业。此外，Intel、三星则集设计与制造于一身。

有行业专家指出，在桌面级芯片方面，从设计到制造，全球范围内Intel罕有对手，领先其他企业至少一两代。上述专家甚至表示，“Intel在桌面芯片上被超越几无可能，中国芯片行业的机会主要在于移动芯片的设计与制造。”

在移动芯片设计领域，国内企业华为海思、展讯、联芯都表现不俗，尤其华为海思在调制解调方面实力相当强劲。除了技术因素外，产业环境和市场策略似乎更能影响中国芯片设计企业未来走势。

在芯片制造方面，虽然国内晶圆厂数量上很多，但是大多工艺较为落后，最先进的工艺技术仍旧掌握在少数几个外资企业手中，芯片制造成为国内最亟待弥补的短板。

据了解，国内晶圆产业第一阵营是外资或台资厂，主要是三星、台积电、联电等。第二阵营是合资厂，包括中芯国际、上海华虹宏力等。第三阵营是纯国资厂，包括武汉新芯、深圳方正等。

纳米级的“鸿沟”

咨询公司Gartner年初公布的2014年全球晶圆代工厂营收排行榜显示，去年的晶圆代工市场规模达468.52亿美元，排名前十的企业营收共计424.3亿美元，其积电一家就豪取53.7%的市场份额，台湾另一家晶圆大厂联电以46.2亿美元的营收占据9.9%的份额，中芯国际以19.7亿美元的营收获得了4.2%的份额，排名榜单第五位，不过其份额还不足台积电的1/10。

市场份额巨大差距的背后其实是工艺技术的全面落后。《通信产业报》（网）记者了解到，硅晶圆是最常用的半导体材料，其尺寸与芯片制造关系紧密，尺寸越大能生产的芯片数量越多，成本越低，但是对工艺技术的要求就越高。

目前国内较为领先的晶圆尺寸是12英寸（300mm），多数晶圆厂还停留在8英寸（200mm）。而12英寸晶圆厂中大部分是由外资企业设立，包括Intel的大连厂、三星的西安厂、海力士的无锡厂等，由国资主导的企业中仅有中芯国际、武汉新芯等拥有自己的12英寸晶圆厂。据悉，台积电、联电已经计划或者启动在大陆的12英寸晶圆厂项目，外资独资建厂的形式虽然提升了国内芯片的产能，但其对大陆芯片制造实力提升的贡献却十分有限。

芯片制造业另一个关键词是更被大众所熟知的制程，例如常见的40nm、28nm等，制程越小芯片中的晶体管越小，对芯片的效能提升帮助越大。

目前，移动芯片行业最先进的制程要属三星的14nm技术，其自家的旗舰机型便是采用了这一制程的Exynos 7420芯片。而行业龙头台积电慢了一拍，其最新的16nmFF+量产还需要些时日，这对其巩固苹果、高通等高端用户十分不利。

行业新锐中芯国际虽然掌握了28nm制程，顺利进军主流中低端芯片市场，极大地缩小了与联电、格罗方德的差距。但是，其与一流水平的差距却是巨大的，可谓是纳米级的“鸿沟”，要知道台积电、三星已经开始瞄准10nm甚至是7nm的制程技术了。

受益国家政策

统计数据显示，中国每年进口的集成电路芯片规模已经达到2000亿美元，这一数字远超石油进口的金额，芯片行业已经在深刻影响着国民经济的发展。

去年国家层面成立了千亿元级别的集成电路“大基金”，扶持国内芯片行业的发展。今年，“大基金”全面开启布局投资，已密集在集成电路制造、设计、封装、设备等领域展开动作。

业内专家表示，芯片制造业将是“大基金”最大的受益者，因为其是典型的高资本、高智力型产业。一条晶圆厂的生产线动辄需要十几亿美元的投入，而要实现国内芯片制造业的跨越发展，大规模的资金投入必不可少。

篇8

关键词 应用型人才 集成电路工艺基础 实验教学

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkz.2016.01.047

The Research of Experimental Teaching on "Integrated Circuit

Process Foundation" in Independent College

WEN Yi， HU Yunfeng

（University of Electronic Science and Technology of China， Zhongshan Institute， Zhongshan， Guangdong 528402）

Abstract Combining electronic science and technology applied talents training model in independence colleges， the experimental teaching was discussed on the "integrated circuit process foundation" course. The course was composed of simulation multimedia teaching system， basic semiconductor planar process experiment， process simulation software and school-enterprise cooperation. With the author's teaching practice， the enthusiasm of students was trying to effectively mobilized， and the development of students' learning ability and practical ability to train qualified electronic information applied talents was promoted.

Key words applied talents; integrated circuit process foundation; experimental teaching

0 引言

微电子技术和产业在国民经济中具有举足轻重的地位。高校的电子科学与技术专业以培养微电子学领域的高层次工程技术人才为目标，学生毕业后能从事电子器件、集成电路和集成系统的设计和制造，以及相关的新技术、新产品、新工艺的研制与开发等方面工作。

“集成电路工艺基础”是电子科学与技术专业的一门核心课程，讲授半导体器件和集成电路制造的单项工艺基本原理和整体工艺流程。本课程是电子科学与技术专业课程体系中的重要环节，也是学生知识结构的必要组成部分。通过本课程的学习，学生应该具备一定工艺分析、设计以及解决工艺问题的能力。

集成电路工艺实验作为“集成电路工艺基础”课程的课内实验，是电子科学与技术专业的专业课教学的重要组成部分，具有实践性很强、实践和理论结合紧密的特点。加强工艺实验教学对于培养高质量的集成电路专业人才十分必要。但是集成电路的制造设备价格昂贵，环境条件要求苛刻，限制了工艺实验教学在高校的开展。国内仅少数重点大学能够承受巨大的运营费用，拥有简化的集成电路工艺线或工艺试验线供科研、教学使用。而大多数学校只能依靠到研究所或Foundry厂进行参观式的实习来解决工艺实验问题，这对于学生实践能力的培养是远远不够的。

我院电子科学与技术专业成立于2003年，现每届招收本科生约120人，多年内为珠三角地区培养了大量专业人才。随着集成电路技术日新月异的发展，对从业人员的要求也不断升级，所以工艺实验教学也必须与时俱进。作为独立学院，如何结合自身实际地进行工艺实验室建设、采用多种方法手段开展工艺实验的教学，提高集成电路工艺课程的教学质量，是我们所面临的紧迫问题。本文以“集成电路工艺基础”实验教学实践为研究对象，针对独立学院学生理论基础较为薄弱，动手热情比较高的特点，就该课程教学内容和教学方式进行了探讨。

1 “集成电路工艺基础”的实验教学

“集成电路工艺基础”具有涉及知识面广，教学内容信息量大，综合性强，理论与实践结合紧密的特点，课程教学难度相对较大。同时独立学院相应配套的实验教学设备较为缺乏。为了提高学生对该课程的兴趣，取得更好的实验教学效果，让学生能将理论应用于实践，具有较强的集成电路生产实践和设计开发能力，笔者从如下几方面对实验教学进行了尝试。

1.1 工艺模拟多媒体教学系统

运用传统的教学方法，很难让学生理解抽象的器件结构和工艺流程并产生兴趣。我院购置了清华大学微电子所的集成电路工艺多媒体教学系统，帮助学生对集成电路工艺流程有一个全面生动的认识。该系统提供扩散、氧化和离子注入三项工艺设备的操作模拟，充分利用多媒体技术，将声光电等多种素材进行合理的处理，做到图文声像并茂，力争使抽象的知识形象化，获得直观、丰富、生动的教学效果。该系统涉及大量的集成电路制造实际场景与特殊细节，能较全面地展示Foundry厂的集成电路生产环境和工艺流程。内容丰富、身临其境的工艺模拟能大大提高学生的学习兴趣，帮助学生理解理论知识。

此外，在工艺课程的课堂教学过程中，尝试利用学生自学讨论作为辅助的形式。针对某些章节，老师课前提出问题，安排学生分组准备，自习上网收集最新的与集成电路工艺实验相关的资料，整理中、英文文献，制作内容生动的PPT在课堂上演示并展开讨论，最后归纳总结。这样既培养了学生利用网络进行自学和小组合作作学习的习惯，提高网上查找、整理资料的能力，也为老师的多媒体课件制作提供了素材，丰富了老师的教学内容。

1.2 基础的半导体平面工艺实验

学院一直非常重视电子科学与技术专业的建设问题，在实验室配置方面的资金投入力度比较大。在学院领导的大力支持下，近年来实验室购置了一批集成电路工艺实验设备和仪器，如光刻机、涂胶机、氧化反应室、磁控溅射设备、半导体特性测试系统和扫描电子显微镜等，为集成电路工艺实验教学的开展打下了良好的物质基础 。

在集成电路专业教学中，工艺实验是非常重要的环节;让学生进行实际操作，对于培养应用型人才也是非常必要的。通过调研考察兄弟院校的工艺实验开展情况，结合我院的实际情况和条件，确定了我院电子科学与技术专业的基础半导体平面工艺实验项目，如氧化（硅片热氧化实验）、扩散（硅片掺杂实验）、光刻（硅片上选择刻蚀窗口的实验）、淀积（PVD、CVD薄膜制备的实验）等。

这些设备和仪器，除了用于工艺课程实验教学外，平时还开放给本科生毕业设计、学生创新项目及研究生科研等。通过实际动手操作，使学生能将所学理论知识运用到实际中，既培养了学生的实际操作能力，又引导学生在实践中掌握分析问题、解决问题的科学方法，加深了对集成电路工艺技术和原理的理解。

1.3 工艺仿真软件

现代集成电路的发展离不开计算机技术的支持，所以要重视计算机仿真在课程中的作用。TCAD（Technology Computer Aided Design）产品是研究、设计与开发半导体器件和工艺所必需的先进工具。它可以准确地模拟研究所和Foundry厂里的集成电路工艺流程，对由该工艺流程制作出的半导体器件的性能进行仿真，也能设计与仿真太阳能电池、纳米器件等新型器件。

利用美国SILVACO公司的TCAD产品，笔者为工艺课程开设了课内仿真实验，实验项目包括薄膜电阻、二极管、NMOS等基本器件的设计和工艺流程仿真。通过ATHENA和ATLAS软件教学，指导学生仿真设计基本的半导体器件，模拟工艺流程，从而巩固所学理论知识，使学生将工艺和以前学过的半导体器件的内容融合起来。学生在计算机上通过软件进行仿真实验，既可以深入研究仿真的工艺流程细节，又可以弥补由于设备条件的制约带来的某些实验项目暂时无法开出的不足。

1.4 校企合作

培养应用型人才还必须结合校企合作。珠三角地区是微电子产业的聚集地，企业众多，行业发展前景好。加强校企联系，可以做到合作共赢，共同发展。通过组织学生到半导体生产测试企业参观实习，如深圳方正微电子、珠海南科、中山木林森LED等，让学生亲身体验半导体企业的生产过程，感受集成电路工厂的生产环境，了解本行业国内外发展的概况，从而弥补课堂教学的不足，激发学生学习热情，引导学生毕业后从事相关工作。目前，学院与这些半导体生产测试企业建立了良好的合作关系，每届毕业生都有进入上述企业工作的。他们在工作岗位上表现良好，获得用人单位的好评，既为企业输送了合格人才，也为往后学生的职业规划树立了榜样，拓展了学生的就业渠道。

2 结束语

经过笔者几年来的实践，在“集成电路工艺基础”课程的实验教学中，对教学内容和教学方式进行了改进，形式多样，互为补充，内容全面、新颖，注重学生实践技能的培养，对提高学生整体素质起到了积极作用，实现了教学质量的提高。当然，“集成电路工艺基础”课程的实验教学还有很大的改进空间，我们还需要在实践中不断地改革与探索，将其逐步趋于完善，使其在培养独立学院应用型人才的过程中发挥巨大的作用。

参考文献

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[3] 梁齐，杨明武，刘声雷.微电子工艺实验教学模式探索[J].实验室科学，2008.1.

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关键词：数字后端 统计学 静态时序分析

中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0064-03

随着半导体工艺的不断进步，变异性（variability）逐渐成为复杂的集成电路设计中的重要影响因子，从而使得制程参数越来越难以控制（表1）：

如果采用5-corner模型，则会有TT，FF，SS，FS，SF 5个工艺角。其中TT指NFET-Typical corner & PFET-Typical corner。其中，Typical指晶体管驱动电流是一个平均值，FAST指驱动电流是其最大值，而SLOW指驱动电流是其最小值（此电流为Ids电流）这是从测量角度解释，也有理解为载流子迁移率（Carrier mobility）的快慢.载流子迁移率是指在载流子在单位电场作用下的平均漂移速度。至于造成迁移率快慢的因素还需要进一步查找资料。单一器件所测的结果是呈正态分布的，均值在TT，最小最大限制值为SS与FF。从星空图看NFET，PFET所测结果，这5种corner覆盖大约正负3 sigma约99.73%的范围。对于工艺偏差的情况有很多，比如掺杂浓度，制造时的温度控制，刻蚀程度等，所以造成同一个晶圆上不同区域的情况不同，以及不同晶圆之间不同情况的发生。这种随机性的发生，只有通过统计学的方法才能评估覆盖范围的合理性。

设计除了要满足上述5个corner外，还需要满足电压与温度等条件，形成的组合称为PVT（process，voltage，temperature）条件。电压如：1.0v+10%，1.0v，1.0v-10%；温度如：-40C，0C，25C，125C。设计时设计师还常考虑找到最好最坏情况.时序分析中将最好的条件（Best Case）定义为速度最快的情况，而最坏的条件（Worst Case）则相反。最好最坏的定义因不同类型设计而有所不同。最坏的延迟也不都出现在SS。

1 Statistical STA

对于MMMC（Multi-Mode Multi-Corner）分析，每一种情况，都需要有相应的.lib作为支持，而EDA工具在进行时序分析的时候也需要考虑大量的view，从而也相应的增加的程序的计算时间；同时，相对悲观的延迟估计，也会增加时序收敛的难度。进而增加了后端设计的迭代次数，增加设计周期以及研发成本。

可以看出基于ssta的分析中3sigma Slack Time=0.590（均值）-3*0.263（标准差sigma）=-0.199，而基于sta的时序报告slack=-1.142，两者相差0.943。而这0.943就是基于ssta而消除的悲观因素，然而，这条路径仍然没有满足时序要求，需要进一步的分析，对此本文再次不再继续探讨。

3 结语

本文到此为止已经简单的介绍了基于统计学的静态时序分析（SSTA）的基本原理，并用一个简单的例子证明了它在时序分析中具有更加乐观的结果，对于时序收敛起到了一定的帮助。经过数年的发展，我们可以看到SSTA算法已经逐渐成熟，但是还有一些悬而未决的问题没有解决：那就是工艺资料的准备，SSTA需要正确的统计分析资料才有机会准确的分析出良率，但这些资料的获得相当不易，即便取得了一部分资料，他的代表性和充分性并无法保证；测量又是另外一个问题，通过少量的测试片来了解数以万计晶片的特性，也是一件困难的事。完成这些所需要大量的人力物力，并不是单独的EDA公司、学校、研究所、foundy可以单独完成的，所以对于未来SSTA技术的发展，需要整个产业链的协同配合。

注释：

[1]本次试验基于Cadence公司的EDI 14.1数字后端设计工具。

参考文献

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[9]H.Chang and S.S.Sapatnekar，“Statistical Timing Analysis Under Spatial Correlations，”IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，Vol.24，No.9，pp.1467 1482，September 2005.

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关键词：IC产业　生产模式　台湾

一、IC产业的发展历程

IC产业即半导体产业，也称为集成电路产业或微电子(Microelectronic)产业。IC就是半导体元件产品的统称。自20世纪50、60年代起，IC产品从小规模集成电路(SSI)逐渐发展到现在的特大规模集成电路(ULSI)。整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统(svstem-on-board)到片上系统(system-on-a-chip)的过程。在这历史过程中，世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三次变革。其中第一次变革是以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段；第二次变革体现为Foundry(标准工艺加工线)公司与IC设计公司的崛起；第三次变革则出现“四业分离”的IC产业，即形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立运营的局面。

二、IC产业的生产模式

(一)System House模式(系统厂商模式)

系统厂商模式是指半导体设计公司直接与代工厂商签订生产合同。系统公司(System house)出现的时间最早，但在总体晶圆代工需求中一直只占非常小的比例。它们可能有、也可能没有自己的半导体制造工厂。利用晶圆代工服务来生产其设计的产品。

由于大型晶圆代工厂商开始提供设计服务和其它知识产权(IP)。系统公司需求将在总体晶圆代工需求中占有一定的比例。但实际上，系统公司需求没有增长，且过去几年一直呈下降趋势。造成这种现象有几个因素。其中一个原因是整体产业下滑。特别是在通讯市场。例如思科(cisco)、爱立信(Ericsson)和Sun Miemsystems等公司拥有强大的半导体设计队伍，但当他们基本没有直接与晶圆代工厂商签订代工合同，而是根据每个阶段的实际设计量在市场上灵活选择代工厂商，确定产量。

(二)IDM模式(整合组件制造商模式)

IDM(Integrated Device Manufacturing)模式是指IC制造商(IDM)自行设计。由自己的生产线加工、封装。测试后的成品芯片自行销售的模式。如早期的Intel、Toshiba、韩国三星、英飞凌等公司均采取这些模式。

IDM模式的优点在于IDM厂商可以根据市场特点制定综合发展战略。可以更加精细的对设计、制造、封装每个环节进行质量控制。同时，IDM不需要外包。利润较高。发展IDM模式的劣势在于，投资额较大，风险较高。要有优势产品做保证。另外，技术跨度较大，横跨三大环节，企业不仅要考虑每个环节技术问题，而且要综合协调三大环节考虑。

不过，随着国际半导体产业趋势变化。目前所有IDM大厂已开始修正想法。希望能够在优势产业中实现大规模的领先地位(Big player)。因此，为要真正做到术有专精。国际IDM大厂外包代工趋势日渐成形，也就诞生了晶圆代工厂商模式。

(三)Fabless & Foundry模式(晶圆代工厂商模式)

Fabless ＆ Foundry模式是指IC设计公司(Fabless)与标准工艺加工线(Foundry)相结合的方式。即设计公司将所设计芯片最终的物理版图交给Foundry，也就是委外代工厂加工制造。同样，封装测试也委托专业厂家完成。最后的成品芯片作为IC设计公司的产品而自行销售。

Fabless的原意是指“无生产线”，Fabless Design House即指无生产线的设计公司。专注于芯片(Chip)的设计，位于产业链的最高端。它们拥有利润的最大部分。投入小。风险高，收益大。而Foundry则指Fab(Fabrication)Foundry。为设计公司(Design House)加工，专注于晶圆(Wafer)的生产，称为晶圆代工厂。拥有可观的利润，它们投入大。风险小，受益中等。负责封装测试(Package & Testing)的公司，它们投入中等。风险小，收益较少。

(四)Fabless/Fab-lite模式(无晶圆厂和晶圆厂轻省化模式)

Fabless与Fab-lite(晶圆厂轻省化)模式是在SoC芯片整合方式变革影响下诞生的。SoC是指系统单芯片(svs-tem-on-Chip)。即把系统内原本分立的不同功能芯片，逐渐整合而成为单一芯片；而SoC的趋势，已引发半导体产业结构的第三次变革，促进产业必须进行进一步的专业分工和某种程度上的结构再整合。随之而来。单芯片设计更趋复杂、晶圆厂的成本与技术开发成本亦随之大幅度的增加。专业分工的态势更加确切。越来越多整合元件厂(IDM)将采取Fabless或Fab-Lite策略。

因SoC逐渐兴起的趋势，直接冲击到IC设计流程的整体模式，由原本循序渐进的方式，转变成在设计的前期，即需考量设计及后段的测试、验证与布局。以及软、硬件的发展。代工工厂不再受限于产业链条中的制造以下环节，可以参与到专业芯片的前期设计和后期服务环节，也不再适用于Foundry工厂这个名称。而充当了ODM工厂(原始设计制造商)的角色。

(五)CCVI模式(群聚虚拟垂直整合模式)

随着垂直产业型态的逐步成熟，IC产业下一步将可能选择群聚虚拟垂直整合(Clustered Virtual Vertical Integra-tion，CVVI)模式的发展方向。群聚虚拟垂直整合模式指的是在一个聚落型的整合结构中，让专精于不同领域的公司。彼此以结盟或伙伴关系互补。并进而达到各层知识有效的垂直及水平整合。在IC产业里。为了缩短IC设计周期。各公司必须彼此沟通合作，计划一旦开始就共同制定规格并研发相互配合。封装与测试、晶圆制程、芯片制造与应用程序和次系统设计互为连结，透过厂商间的链接与知识整合，彼此的效益可以发挥到最大。

在CCVI模式诞生之后，Foundry和ODM工厂将逐步摆脱过去受到约束的生产环节，而转型成为各种领域内有所专长的生产单位。Fabless/Fab-lite与ODM之间的界限将渐趋模糊。过去多以垂直形式组成的IC产业生态系。随着CVVI的出现。也会产生大变动。随着产业脚步加快。彼此间的联系与互动也更为频繁，CVVI能够紧密结合上下游业者。让业者们跟上客户的需求和市场的变动。实现绝对竞争优势。

三、台湾IC产业的模式演化

(一)萌芽期(1964―1974年)

1964年台湾交通大学成立半导体实验室，将半导体课程列为教学重点，为IC业未来发展培养人才。1966年美商通用仪器(G1)在高雄设厂，组装晶体管，以后TI、Philips先后赴台，引进IC封装、测试及质量管理等技术。为IC封装业奠定了基础。1970年台湾首家晶体管制造厂――万邦电子公司成立，成为发展过程中的重要里程碑。在萌芽期，台湾部分公司和工厂参与了世界IC产业的Svstem House模式。为系统公司提供代工生产。但这种代工合同是不稳定的非伙伴的关系，并未形成较大的规模。而此后IDM模式大兴其道。台湾早期的产业环境并未孕育IDM模式。但IDM模式的修正和转型。恰恰催生了台湾的IC产业。

(二)成长期(1974―1993年)

19世纪70年代，世界IC制造商(IDM)在市场中充当主要角色。IC设计只作为附属部门而存在。IC产业处在以生产为导向的初级阶段。这时的IC设计和半导体工艺密切相关。IC设计主要以人工为主，CAD系统仅作为数据处理和图形编程之用。

之后，无生产线的IC设计公司(Fabless)与标准工艺加工线(Foundry)相结合的方式逐渐成为集成电路产业发展的新模式。在此期间。台湾成立了“电子工业研究中心(后为工研院电子工业研究ERSO)”。设置了IC示范工厂。从RCA引进7μmCMOS制造工艺。并与美国IMR公司合作，开启了台湾lC自主技术的序幕。台湾的IC产业从而以强大的力度在Fabless＆Foundry模式(晶圆代工厂商模式)中充当了难以替代的角色。在这个模式诞生之后的很长一段时间内，台湾Foundry工厂所承接的业务以晶圆制造为主，同时也包括了封装和测试的下游环节。

(三)繁荣期(1993年至今)

1993年“工研院”亚微米计划成功开发出16M DRAM，并于1994年衍生成立第一家8英寸圆片厂――世界先进积体电路公司，标志着台湾IC产业正式迈入DRAM开发新纪元。南亚、茂德、矽统等公司纷纷成立。世界代工龙头企业台积电和联电开始投入12英寸生产。2000年为迎接世界SoC潮流、成立SoC联盟。使台湾IC产业向着创新导向发展。

目前台湾很多公司正在进行Fabless/Fab-lite模式(无晶圆厂和晶圆厂轻省化模式)中原始设计制造商也就是ODM这一角色的探索和发展。如台积电逐步承接了美国厂商如德州仪器包括芯片设计在内的全面委外代工。在此阶段，代工工厂所承接的业务等级有了很大程度的提升，也收购了来自原IDM企业的部分先进设备。