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半导体制造技术半导体制造技术第第 1 1 章章半导体工业简介半导体工业简介DE LIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 授课老师：王宣胜2课程大纲1. 叙述目前半导体工业的经济规模与工业基 础 2. 说明IC结构，并且列出5个积体年代 3. 讨论晶圆及制造晶圆的5个主要阶段 4. 叙述与讨论晶圆制造的改进技术之3项重要 趋势 5. 说明临界尺寸(CD)的定义，同时讨论 Moore’s定律与未来晶圆发展的关系 6. 从发明晶体管开始到现今晶圆制造，讨论 电子工业的发展历程 7. 讨论半导体工业中生涯发展的不同路线 3微处理芯片微处理机芯片 (Photo courtesy of Advanced Micro Devices) 微处理机芯片 (Photo courtesy of Intel Corporation) 4真空管5半导体工业产品应用基本设施消费者：计算机汽车航空和宇宙航行空间医学的其他工业顾客服务 原始的设备制程印刷电路板工业工业协会 (SIA, SEMI, NIST, etc.)生产工具实用品材料 & 化学度量衡学工具分析研究所技术能力学院 & 大学芯片制造者图 1.16第一个晶体管(由Bell Labs研究制造) 图 1.37第一平面式晶体管图 1.28集成电路• 集成电路 (IC) – 微芯片, 芯片 – 发明者 – 积体电路的好处 • 积体年代 – 从 SSI 芯片到 ULSI 芯片 – 1960 - 20009第一个集成电路 (由TI之Jack所制造) 10晶圆芯片的俯视图一个单一的集成 电路，如晶粒、 芯片和微芯片图 1.311半导体集成电路表 1.1集成电路半导体工业的时间周期每个芯片组成数没有整合 (离散组成)1960年前1小尺寸整合 (SSI)1960年早期2  5中尺寸整合 (MSI)1960年到1970年早期50  5,000大尺寸整合 (LSI)1970年早期到1970年晚期5,000  100,000非常大尺寸整合 (VLSI)1970年晚期到1980年晚期100,000  1,000,000超大尺寸整合 (ULSI)1990年至今＞1,000,00012ULSI 芯片Photo courtesy of Intel Corporation, Pentium III13IC 制造• 硅晶圆 – 晶圆 – 晶圆尺寸 – 组件与模层 • 晶圆厂 • IC制造的主要阶段 – 晶圆准备 – 晶圆制造 – 晶圆测试/分类 – 装配与封装 – 最后测试14芯片尺寸的发展200019921987198119751965 50 mm 100 mm 125 mm 150 mm 200 mm 300 mm图 1.415硅芯片的组件和膜层 图 1.516IC 制造的主要阶段1.晶圆准备 包括结晶、 长晶、圆柱 化、切片和 研磨。

4.装配和封装 沿切刻线切 割晶圆，以 分隔每个晶 粒晶粒黏着于 封装体内， 并进行金属 打线 2.晶圆制造 包括清洗、 加层、图案 化、蚀刻、掺杂 3.测试／分类 包括探针、 测试、分类 晶圆上的每 个晶粒 5.最后测试 确定IC通过 电子和环境测试 缺陷晶粒硅棒切片单晶硅切刻线单一晶粒装配封装17硅芯片的制备1.长晶2.单晶锭3.端点移除和 直径研磨4.主平面形成5.晶圆切片6. 边角磨光7. 研磨8. 晶圆蚀刻9. 抛光10. 晶圆检视 研浆 研磨台研磨头 多晶硅 晶种结晶加热 坩锅(注意：图1.7的名词于第4章解释) 图 1.718晶圆厂Photo courtesy of Advanced Micro Devices-Dresden, © S. Doering19微芯片封装图 1.820半导体趋势• 增加芯片特性 – 临界尺寸 (CD) – 每一芯片上的组件数目 – Moore’s 定律 – 功率消耗 • 增加芯片的可靠度 • 降低芯片价钱21临界尺寸图 1.922对于临尺寸过去和未来技术点 的比较表 1.223芯片上晶体管数目之增加趋势 Redrawn from Semiconductor Industry Association, The National Technology Roadmap for Semiconductors, 1997.图 1.1019971999200120032006201220091600140012001000800600400200年每一微处理器上之晶体管数目 (百万)24年400480808086802868038680486PentiumPentium Pro100M10M1M100K10K19751980198519901995 2000500251.0.1.01Used with permission from Proceedings of the IEEE, January, 1998, © 1998 IEEE微处理器之发展与Moore’s定 律之关系 图 1.11晶体管每秒百万条指令25早期与现在半导体尺寸的对照 图 1.121990年的微芯片 (5  25百万个晶体管)1960年的晶体管US硬币 (10分)26每年呈现下滑现象的 IC功率消耗 1086420 1997199920012003200620092012年Redrawn from Semiconductor Industry Association, National Technology Roadmap, 1997图 1.13平均功率w (106W)27芯片可靠度的增进19721976198019841988199219962000年7006005004003002001000图 1.14长期每百万部分故障率目标 (PPM)28半导体芯片价钱每年降低 Redrawn from C. Chang & S. Sze, McGraw-Hill, ULSI Technology, (New York: McGraw-Hill, 1996), xxiii. 图 1.1519301940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 年104102110-210-410-610-810-10组件尺寸=价钱 =BITMSILSI VLSIULSI标准管真空管 半导体组件集成电路缩小管比较值29电子发展的阶段1950年代: 晶体管技术 1960年代: 制造技术 1970年代: 竞争 1980年代: 自动化 1990年代: 大量生产30芯片费用每年持续增加 $100,000,000,000$10,000,000,000$1,000,000,000$100,000,000$10,000,000197019801990200020102020 年实际费用 预测费用Used with permission from Proceedings of IEEE, January, 1998 © 1998 IEEE图 1.16成本31半导体工业的生涯发展路线 图 1.17工厂领导者生产领导者生产管理者维修领导者维修管理者设备工程师设备技术人员维修技术人员制造技术人员制程技术人员研究技术人员工程师领导者制程工程师整合工程师良率&错误分析技术人员晶制程造技术人员生产者*Bachelor of Science在电 子的技术教育MSBSBEST*AS+ASHS+HS32晶圆厂的产量测量金属化蚀刻薄膜扩散光罩离子植入微处理制程设备检查重作检查废弃制程 设备检查制程 设备 检查制程 设备检查制程 设备检查制程 设备启始芯片1 2 3 45 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 1819 20 21 22 23 24 2526 27 28 29 30 31 12 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 1516 17 18 19 20 21 2223 24 25 26 27 28 2930 31 芯片出厂时间开始时间到12369每个操作员 周期时间 工作时间＝开始工作之时间－工作结束之时间 晶圆产量＝启始晶圆数量－出厂晶圆数量 操作员工作效率＝理想的工作时间／实际工作时间芯片移动图 1.1833晶圆厂的设备技术人员 Photograph courtesy of Advanced Micro Devices34晶圆厂的技术人员 Photo courtesy of Advanced Micro Devices。