• 積體年代
– 從 SSI 晶片到 ULSI 晶片 – 1960 - 2000
8
第一個積體電路
(由TI之Jack所製造)
9
晶圓晶片的俯視圖
一個單一的積體 電路，如晶粒、 晶片和微晶片
圖 1.3
10
半導體積體電路
積體電路
沒有整合 (離散組成)
小尺寸整合 (SSI)
半導體工業的時間週期
1960年前
年
1970
1980
1990
2000
Redrawn from C. Chang & S. Sze, McGraw-Hill, ULSI Technology, (New York: McGraw-Hill, 1996), xxiii. 28 圖 1.15
電子發展的階段
1950年代: 1960年代: 1970年代: 1980年代: 1990年代: 電晶體技術 製造技術 競爭 自動化 大量生產
半导体制造技术简介
課程大綱
1. 敘述目前半導體工業的經濟規模與工業基 礎。 2. 說明IC結構，並且列出5個積體年代。 3. 討論晶圓及製造晶圓的5個主要階段。 4. 敘述與討論晶圓製造的改進技術之3項重要 趨勢。 5. 說 明 臨 界 尺 寸 ( CD) 的 定 義 ， 同 時 討 論 Moore’s定律與未來晶圓發展的關係。 6. 從發明電晶體開始到現今晶圓製造，討論 電子工業的發展歷程。 7. 討論半導體工業中生涯發展的不同路線。
1960年早期
每個晶片組成數
1
25
中尺寸整合 (MSI)
大尺寸整合 (LSI) 非常大尺寸整合 (VLSI) 超大尺寸整合 (ULSI)
1960年到1970年早期
1970年早期到1970年晚期 1970年晚期到1980年晚期 1990年至今
50 5,000
5,000 100,000 100,000 1,000,000 ＞1,000,000
1997 0.25
1999 0.18
2001 0.15
2002 0.13
2005 0.10
表 1.2
22
晶片上電晶體數目之增加趨勢
1600
每 一 微 處 理 器 上 之 電 晶 體 數 目 ( 百 萬
1400
1200
1000 800 600 400 200
)
1997 1999 2001 2.11
24
早期與現在半導體尺寸的對照
1990年的微晶片 (5 25百萬個電晶體)
1960年的電晶體
US硬幣 (10分)
圖 1.12
25
10
每年呈現下滑現象的 IC功率消耗
8
平 均 功 率 w (106W)
6
4
2
0 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012
圖 1.16
30
半導體工業的生涯發展路線
工廠領導者 維修領導者 維修管理者 設備工程師 設備技術人員 維修技術人員 製造技術人員 生產領導者 生產管理者 工程師領導者 製程工程師 整合工程師 良率&錯誤分析技術人員 製程技術人員 研究技術人員 MS BS BEST* AS+ AS
晶製程造技術人員 生產者
產品應用
消費者： 電腦 汽車 航空和宇宙航行空間 醫學的 其他工業 顧客服務 原始的設備製程 印刷電路板工業
晶片製造者
圖 1.1
5
第一個電晶體
(由Bell Labs研究製造)
圖 1.3
6
第一平面式電晶體
圖 1.2
7
積體電路
• 積體電路 (IC)
– 微晶片, 晶片 – 發明者 – 積體電路的好處
1976
1980
1984
1988
1992
1996
2000
年
圖 1.14
27
半導體晶片價錢每年降低
104
真空管
標準管 縮小管 BIT
半導體元件
元件尺寸 = 價錢 =
102
1
積體電路
MSI LSI VLSI
比 較 值
10-2 10-4 10-6
ULSI
10-8
10-10 1930
1940
1950
1960
沿切刻線切 割 晶 圓 ， 以 單一晶粒 分隔每個晶 粒。
切刻線
2. 晶圓製造
包括清洗、 加層、圖案 化、蝕刻、
摻雜。
晶粒黏著於 封裝體內， 並進行金屬 打線。 缺陷晶粒
裝配
封裝
3. 測試／分類
包括探針、 測試、分類 晶圓上的每 個晶粒。
5. 最後測試
確定IC通過 電子和環境 測試。
16
矽晶片的製備
13
晶片尺寸的發展
2000
1992 1987
1981
1975
1965
50 mm
100 mm
125 mm
150 mm
200 mm
300 mm
圖 1.4
14
矽晶片的元件和膜層
圖 1.5
15
IC 製造的主要階段
1. 晶圓準備
包括結晶、 長晶、圓柱 化、切片和 研磨。 單晶矽 矽棒切片
4. 裝配和封裝
2012
年
Redrawn from Semiconductor Industry Association, The National Technology Roadmap for Semiconductors, 1997.
圖 1.10
23
微處理器之發展與Moore’s定 律之關係
100M
500
Pentium Pentium Pro
多晶矽
晶種結晶
1.長晶
坩鍋 加熱
6. 邊角磨光
7. 研磨 2.單晶錠
8. 晶圓蝕刻 3.端點移除和 直徑研磨 9. 拋光
4.主平面形成
研磨台 研漿 研磨頭
5.晶圓切片
圖 1.7
10. 晶圓檢視
(注意：圖1.7的名詞於第4章解釋。)
17
晶圓廠
Photo courtesy of Advanced Micro Devices-Dresden, © S. Doering
29
晶片費用每年持續增加
$100,000,000,000
實際費用 預測費用
$10,000,000,000
成 本
$1,000,000,000
$100,000,000
$10,000,000
1970
1980
1990
2000
2010
2020
年
Used with permission from Proceedings of IEEE, January, 1998 © 1998 IEEE
年
Redrawn from Semiconductor Industry Association, National Technology Roadmap, 1997
圖 1.13
26
晶片可靠度的增進
700
長 期 每 百 萬 部 分 故 障 率 目 標 (PPM)
600
500
400
300
200 100 0 1972
18
微晶片封裝
圖 1.8
19
半導體趨勢
• 增加晶片特性
– – – – 臨界尺寸 (CD) 每一晶片上的組件數目 Moore’s 定律 功率消耗
• 增加晶片的可靠度 • 降低晶片價錢
20
臨界尺寸
圖 1.9
21
對於臨尺寸過去和未來技術點 的比較
1988 CD ( m) 1.0
1992 0.5
1995 0.35
2
微處理晶片
微處理機晶片 (Photo courtesy of Advanced Micro Devices)
微處理機晶片 (Photo courtesy of Intel Corporation)
3
真空管
4
半導體工業
基本設施
工業協會 (SIA, SEMI, NIST, etc.) 生產工具 實用品 材料 & 化學 度量衡學工具 分析研究所 技術能力 學院 & 大學
晶片移動
晶片出廠
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
製程 設備 蝕刻
檢查
製程 設備 薄膜
檢查
製程 設備
檢查 金屬化
30 31
工作時間＝開始工作之時間－工作結束之時間 晶圓產量＝啟始晶圓數量－出廠晶圓數量 操作員工作效率＝理想的工作時間／實際工作時間
10M
電 1M 晶 體
100K
8086 80286
80486
25
80386
10K
8080 4004
每 秒 百 1.0 萬 條 指 令
.1
1975
1980
1985
1990
1995
.01 2000
年
Used with permission from Proceedings of the IEEE, January, 1998, © 1998 IEEE
*Bachelor of Science在電 子的技術
HS+
HS 教育
圖 1.17
31
晶圓廠的產量測量
微處理 光罩
12
離子植入 廢棄 檢查
時間到
擴散 製程 設備
重作
3
9
6
製程設備