半导体工业简介-简体中文..

半导体制造技术第1章半导体工业简介DELININSTITUTEOFTECHNOLOGY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(PhotocourtesyofAdvancedMicroDevices)微处理机芯片(PhotocourtesyofIntelCorporation)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BellLabs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PhotocourtesyofIntelCorporation,PentiumIII13IC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20001992198719811975196550mm100mm125mm150mm200mm300mm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PhotocourtesyofAdvancedMicroDevices-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1.92219881992199519971999200120022005CD(m)1.00.50.350.250.180.150.130.10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RedrawnfromSemiconductorIndustryAssociation,TheNationalTechnologyRoadmapforSemiconductors,1997.图1.1019971999200120032006201220091600140012001000800600400200年每一微处理器上之晶体管数目(百万)24年400480808086802868038680486PentiumPentiumPro100M10M1M100K10K197519801985199019952000500251.0.1.01UsedwithpermissionfromProceedingsoftheIEEE,January,1998,©1998IEEE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10864201997199920012003200620092012年RedrawnfromSemiconductorIndustryAssociation,NationalTechnologyRoadmap,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RedrawnfromC.Chang&S.Sze,McGraw-Hill,ULSITechnology,(NewYork:McGraw-Hill,1996),xxiii.图1.1519301940195019601970198019902000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UsedwithpermissionfromProceedingsofIEEE,January,1998©1998IEEE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*BachelorofScience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PhotographcourtesyofAdvancedMicroDevices34晶圆厂的技术人员PhotocourtesyofAdvancedMicroDevices