半導(dǎo)體工業(yè)簡(jiǎn)介-簡(jiǎn)體中文

1、 DE LIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 授課老師：王宣勝2課程大綱課程大綱敘述目前半導(dǎo)體工業(yè)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模與工業(yè)基礎(chǔ)。說明IC結(jié)構(gòu)，并且列出5個(gè)積體年代。討論晶圓及制造晶圓的5個(gè)主要階段。敘述與討論晶圓制造的改進(jìn)技術(shù)之3項(xiàng)重要趨勢(shì)。說明臨界尺寸(CD)的定義，同時(shí)討論Moores定律與未來晶圓發(fā)展的關(guān)系。從發(fā)明晶體管開始到現(xiàn)今晶圓制造，討論電子工業(yè)的發(fā)展歷程。討論半導(dǎo)體工業(yè)中生涯發(fā)展的不同路線。 3微處理芯片微處理芯片微處理機(jī)芯片(Photo courtesy of Advanced Micro Devices) 微處理機(jī)芯片(Photo courtesy of Intel

2、 Corporation) 4真空管真空管5半導(dǎo)體工業(yè)半導(dǎo)體工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用產(chǎn)品應(yīng)用基本設(shè)施基本設(shè)施消費(fèi)者： 計(jì)算機(jī) 汽車 航空和宇宙航行空間 醫(yī)學(xué)的 其他工業(yè)顧客服務(wù) 原始的設(shè)備制程印刷電路板工業(yè)工業(yè)協(xié)會(huì)(SIA, SEMI, NIST, etc.)生產(chǎn)工具實(shí)用品材料 & 化學(xué)度量衡學(xué)工具分析研究所技術(shù)能力學(xué)院 & 大學(xué)芯片制造者芯片制造者圖 1.16第一個(gè)晶體管第一個(gè)晶體管 (由由Bell Labs研究制造研究制造) 圖 1.37第一平面式晶體管第一平面式晶體管圖 1.28集成電路集成電路 集成電路集成電路 (IC) 微芯片微芯片, 芯片芯片 發(fā)明者發(fā)明者 積體電路的好處積體電

3、路的好處 積體年代積體年代 從從 SSI 芯片到芯片到 ULSI 芯片芯片 1960 - 20009第一個(gè)集成電路第一個(gè)集成電路 (由由TI之之Jack所制造所制造) 10晶圓芯片的俯視圖晶圓芯片的俯視圖一個(gè)單一的集成電路，如晶粒、芯片和微芯片圖 1.311半導(dǎo)體集成電路半導(dǎo)體集成電路表 1.1集成電路半導(dǎo)體工業(yè)的時(shí)間周期每個(gè)芯片組成數(shù)沒有整合 (離散組成)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

4、到1980年晚期100,000 1,000,000超大尺寸整合 (ULSI)1990年至今1,000,00012ULSI 芯片芯片Photo courtesy of Intel Corporation, Pentium III13IC 制造制造 硅晶圓硅晶圓 晶圓晶圓 晶圓尺寸晶圓尺寸 組件與模層組件與模層 晶圓廠晶圓廠 IC制造的主要階段制造的主要階段 晶圓準(zhǔn)備晶圓準(zhǔn)備 晶圓制造晶圓制造 晶圓測(cè)試晶圓測(cè)試/分類分類 裝配與封裝裝配與封裝 最后測(cè)試最后測(cè)試 14芯片尺寸的發(fā)展芯片尺寸的發(fā)展200019921987198119751965 50 mm 100 mm 125 mm 150 mm 2

5、00 mm 300 mm圖 1.415硅芯片的組件和膜層硅芯片的組件和膜層 圖 1.516IC 制造的主要階段制造的主要階段1.晶圓準(zhǔn)備晶圓準(zhǔn)備包括結(jié)晶、長(zhǎng)晶、圓柱化、切片和研磨。 4.裝配和封裝裝配和封裝沿切刻線切割晶圓，以分隔每個(gè)晶粒。 晶粒黏著于封裝體內(nèi)，并進(jìn)行金屬打線。 2.晶圓制造晶圓制造包括清洗、加層、圖案化、蝕刻、摻雜。 3.測(cè)試分類測(cè)試分類包括探針、測(cè)試、分類晶圓上的每個(gè)晶粒。 5.最后測(cè)試最后測(cè)試確定IC通過電子和環(huán)境測(cè)試。 缺陷晶粒硅棒切片單晶硅切刻線單一晶粒裝配封裝17硅芯片的制備硅芯片的制備1.長(zhǎng)晶 單晶錠 端點(diǎn)移除和直徑研磨 主平面形成5.晶圓切片邊角磨光研磨晶圓蝕刻

6、拋光晶圓檢視 研漿 研磨臺(tái)研磨頭 多晶硅 晶種結(jié)晶加熱 坩鍋(注意：圖1.7的名詞于第4章解釋。)圖 1.718晶圓廠晶圓廠Photo courtesy of Advanced Micro Devices-Dresden, S. Doering19微芯片封裝微芯片封裝圖 1.820半導(dǎo)體趨勢(shì)半導(dǎo)體趨勢(shì) 增加芯片特性增加芯片特性 臨界尺寸臨界尺寸 (CD) 每一芯片上的組件數(shù)目每一芯片上的組件數(shù)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 降低芯片價(jià)錢降低芯片價(jià)錢 21臨界尺寸臨界尺寸圖 1.92219881992199519971999200120022005

7、CD( m)1.00.50.350.250.180.150.130.10對(duì)于臨尺寸過去和未來技術(shù)點(diǎn)對(duì)于臨尺寸過去和未來技術(shù)點(diǎn)的比較的比較表 1.223芯片上晶體管數(shù)目之增加趨勢(shì)芯片上晶體管數(shù)目之增加趨勢(shì) Redrawn from Semiconductor Industry Association, The National Technology Roadmap for Semiconductors, 1997.圖 1.1019971999200120032006201220091600140012001000 800600400200年每一微處理器上之晶體管數(shù)目 (百萬)24年 4004 8

8、080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro100M10M1M100K10K19751980198519901995 2000500251.0.1.01Used with permission from Proceedings of the IEEE, January, 1998, 1998 IEEE微處理器之發(fā)展與微處理器之發(fā)展與Moores定律定律之關(guān)系之關(guān)系 圖 1.11晶體管每秒百萬條指令25早期與現(xiàn)在半導(dǎo)體尺寸的對(duì)照早期與現(xiàn)在半導(dǎo)體尺寸的對(duì)照 圖 1.121990年的微芯片(5 25百萬個(gè)晶體管)1960年的晶體管US硬幣 (10分)2

9、6每年呈現(xiàn)下滑現(xiàn)象的每年呈現(xiàn)下滑現(xiàn)象的IC功率消耗功率消耗 10864201997199920012003200620092012年Redrawn from Semiconductor Industry Association, National Technology Roadmap, 1997圖 1.13平均功率w (106W)27芯片可靠度的增進(jìn)芯片可靠度的增進(jìn)19721976198019841988199219962000年7006005004003002001000圖 1.14長(zhǎng)期每百萬部分故障率目標(biāo) (PPM)28半導(dǎo)體芯片價(jià)錢每年降低半導(dǎo)體芯片價(jià)錢每年降低 Redrawn from

10、 C. Chang & S. Sze, McGraw-Hill, ULSI Technology, (New York: McGraw-Hill, 1996), xxiii.圖 1.1519301940 1950 1960 1970 1980 1990 2000年104102110-210-410-610-810-10組件尺寸= 價(jià)錢 =BITMSILSIVLSIULSI標(biāo)準(zhǔn)管真空管 半導(dǎo)體組件集成電路縮小管比較值29電子發(fā)展的階段電子發(fā)展的階段 1950年代年代: : 晶體管技術(shù)晶體管技術(shù) 1960年代年代: : 制造技術(shù)制造技術(shù) 1970年代年代: : 競(jìng)爭(zhēng)競(jìng)爭(zhēng) 1980年代年代:

11、 : 自動(dòng)化自動(dòng)化 1990年代年代: : 大量生產(chǎn)大量生產(chǎn) 30芯片費(fèi)用每年持續(xù)增加芯片費(fèi)用每年持續(xù)增加 $100,000,000,000$10,000,000,000$1,000,000,000$100,000,000$10,000,000197019801990200020102020年實(shí)際費(fèi)用預(yù)測(cè)費(fèi)用Used with permission from Proceedings of IEEE, January, 1998 1998 IEEE圖 1.16成本31半導(dǎo)體工業(yè)的生涯發(fā)展路線半導(dǎo)體工業(yè)的生涯發(fā)展路線 圖 1.17工廠領(lǐng)導(dǎo)者生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)者生產(chǎn)管理者維修領(lǐng)導(dǎo)者維修管理者設(shè)備工程師設(shè)備技術(shù)

12、人員維修技術(shù)人員制造技術(shù)人員制程技術(shù)人員研究技術(shù)人員工程師領(lǐng)導(dǎo)者制程工程師整合工程師良率&錯(cuò)誤分析技術(shù)人員晶制程造技術(shù)人員生產(chǎn)者*Bachelor of Science在電子的技術(shù)教育MSBSBEST*AS+ASHS+HS32晶圓廠的產(chǎn)量測(cè)量晶圓廠的產(chǎn)量測(cè)量金屬化蝕刻薄膜擴(kuò)散光罩離子植入微處理制程設(shè)備檢查重作檢查廢棄制程設(shè)備檢查制程設(shè)備 檢查制程設(shè)備檢查制程設(shè)備檢查制程設(shè)備啟始芯片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 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 芯片出廠時(shí)間開始時(shí)間到12369每個(gè)操作員周期時(shí)