半导体制造技术半导体制造技术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Moores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微处理芯片微处理芯片微处理机芯片(PhotocourtesyofAdvancedMicroDevices)微处理机芯片(PhotocourtesyofIntelCorporation)4真空管真空管5半导体工业半导体工业产品应用产品应用基本设施基本设施消费者： 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&大学芯片制造者芯片制造者图1.16第一个晶体管第一个晶体管 (由由Bell Labs研究制造研究制造) 图1.37第一平面式晶体管第一平面式晶体管图1.28集成电路集成电路集成电路集成电路 (IC)微芯片微芯片, 芯片芯片发明者发明者积体电路的好处积体电路的好处积体年代积体年代从从 SSI 芯片到芯片到 ULSI 芯片芯片1960 - 20009第一个集成电路第一个集成电路 (由由TI之之Jack所制造所制造) 10晶圆芯片的俯视图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25中尺寸整合(MSI)1960年到1970年早期505,000大尺寸整合(LSI)1970年早期到1970年晚期5,000100,000非常大尺寸整合(VLSI)1970年晚期到1980年晚期100,0001,000,000超大尺寸整合(ULSI)1990年至今1,000,00012ULSI 芯片芯片PhotocourtesyofIntelCorporation,PentiumIII13IC 制造制造硅晶圆硅晶圆晶圆晶圆晶圆尺寸晶圆尺寸组件与模层组件与模层晶圆厂晶圆厂IC制造的主要阶段制造的主要阶段晶圆准备晶圆准备晶圆制造晶圆制造晶圆测试晶圆测试/分类分类装配与封装装配与封装最后测试最后测试 14芯片尺寸的发展芯片尺寸的发展20001992198719811975196550mm100mm125mm150mm200mm300mm图1.415硅芯片的组件和膜层硅芯片的组件和膜层 图1.516IC 制造的主要阶段制造的主要阶段1.晶圆准备晶圆准备包括结晶、长晶、圆柱化、切片和研磨。4.装配和封装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.晶圆制造晶圆制造包括清洗、加层、图案化、蚀刻、掺杂。3.测试分类测试分类包括探针、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晶圆厂晶圆厂PhotocourtesyofAdvancedMicroDevices-Dresden,S.Doering19微芯片封装微芯片封装图1.820半导体趋势半导体趋势增加芯片特性增加芯片特性临界尺寸临界尺寸 (CD)每一芯片上的组件数目每一芯片上的组件数目Moores 定律定律功率消耗功率消耗增加芯片的可靠度增加芯片的可靠度降低芯片价钱降低芯片价钱 21临界尺寸临界尺寸图1.922对于临尺寸过去和未来技术点对于临尺寸过去和未来技术点的比较的比较表1.223芯片上晶体管数目之增加趋势芯片上晶体管数目之增加趋势 RedrawnfromSemiconductorIndustryAssociation, 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400480808086802868038680486PentiumPentiumPro100M10M1M100K10K197519801985199019952000500251.0.1.01UsedwithpermissionfromProceedings of the IEEE,January,1998,1998IEEE微处理器之发展与微处理器之发展与Moores定律定律之关系之关系 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早期与现在半导体尺寸的对照 图1.121990年的微芯片(525百万个晶体管)1960年的晶体管US硬币(10分)26每年呈现下滑现象的每年呈现下滑现象的IC功率消耗功率消耗 10864201997199920012003200620092012年RedrawnfromSemiconductorIndustryAssociation, National Technology Roadmap, 1997图1.13平均功率w(106W)27芯片可靠度的增进芯片可靠度的增进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半导体芯片价钱每年降低 RedrawnfromC.Chang&S.Sze,McGraw-Hill,ULSI Technology,(NewYork:McGraw-Hill,1996),xxiii.图1.15193019401950196019701980 1990 2000年104102110-210-410-610-810-10组件尺寸=价钱 =BITMSILSIVLSIULSI标准管真空管 半导体组件集成电路缩小管比较值29电子发展的阶段电子发展的阶段1950年代年代: 晶体管技术晶体管技术1960年代年代: 制造技术制造技术1970年代年代: 竞争竞争1980年代年代: 自动化自动化1990年代年代: 大量生产大量生产 30芯片费用每年持续增加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UsedwithpermissionfromProceedings of IEEE,January,19981998IEEE图1.16成本31半导体工业的生涯发展路线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1234567891011121314151617181920212223242526272829303112345678910111213141516171819202122232425262728293031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晶圆厂的设备技术人员 PhotographcourtesyofAdvancedMicroDevices34晶圆厂的技术人员晶圆厂的技术人员 PhotocourtesyofAdvancedMicroDevices