積體電路生產流程

Hong Xiao, Ph. D. hxiao89@hotmail.com 半導體製程技術導論 Chapter 1 導論 Hong Xiao, Ph. D. hxiao89@hotmail.com

目標 讀完本章之後，你應該能夠： 熟悉半導體相關術語的使用 描述基本的積體電路製造流程 簡明的解釋每一個製程步驟 半導體製程與你的工作或產品有相關性的連結

主題 簡介 積體電路元件和設計 半導體製程 未來的走向

簡介 第一個電晶體, AT&T貝爾實驗室 , 1947 第一個單晶鍺, 1952 第一個單晶矽, 1954 第一個積體電路元件, 德州儀器, 1958 第一個矽積體電路晶片, 費爾查德照相機公司, 1961

第一個電晶體, 貝爾實驗室, 1947 照片提供: AT&T 檔案財產，授權同意本書翻印使用

照片提供: Lucent Technologies Inc. 第一個電晶體的發明者 約翰‧巴定，威廉‧肖克萊 和 華特‧布萊登 照片提供: Lucent Technologies Inc.

1958年德州儀器的傑克、克畢製造出的第一個積體電路晶片(棒) 照片提供: 德州儀器

1961年費爾查德攝影機公司在矽晶圓上製出的第一個積體電路 照片提供: Fairchild Semiconductor International

摩爾定律 1964年哥登‧摩爾(英特爾公司的共同創始人之一) 價格不變之下，電腦晶片上的元件數目，幾乎每12個月就增加一倍 1980年代減緩至每18個月 到目前仍屬正確，預期可以維持到2010年

摩爾定律(英特爾版本) Transistors 10M 1M 100K 10K 1K 1975 1980 1985 1990 1995 Pentium III 10M 80486 Pentium 1M 80386 100K 8086 80286 10K 4040 8080 1K 1975 1980 1985 1990 1995 2000

IC 的尺度--- 積體電路晶片的積體化層級 縮寫 晶片內的元件數目 小型積體電路(Small Scale Integration) SSI 2 ~ 50 中型積體電路(Medium Scale Integration) MSI 50 ~ 5,000 大型積體電路(Large Scale Integration) LSI 5,000 ~ 100,000 極大型積體電路(Very Large Scale Integration) VLSI 100,000 ~ 10,000,000 超大型積體電路(Ultra Large Scale Integration) ULSI 10,000,000 ~ 1,000,000,000 特大型積體電路(Super Large Scale Integration) SLSI 超過 1,000,000,000

整體的半導體工業道路圖 1995 1997 1999 2001 2004 2007 最小圖形尺寸(m m) 0.35 0.25 0.15 0.13 0.10 0.07 DRAM 位元數/晶片 位元的單位成本(千分之一美分) 64M 256M 1G 4G 16G 64G 0.017 0.007 0.003 0.001 0.0005 0.0002 微處理器 電晶體數目/cm2 電晶體的單位成本(千分之一美分) 4M 7M 13M 25M 50M 90M 1 0.5 0.2 0.1 0.05 0.02 ASIC 2M 40M 0.3 0.03 0.01 晶圓尺寸 (mm) 200 200~300 300 300~400

晶片尺寸與晶圓尺寸的相對性展示 300 mm 200 mm 晶片或晶粒 以0.35微米技術製造的晶粒 以0.25微米技術 以0.18微米技術

1997年NEC 製造最小的電晶體 小於0.014 微米 匣極的寬度 照片提供: NEC Corporation 超淺接面 上匣極 下匣極 介電質 源極 汲極 n + n + 超淺接面 P型晶片 小於0.014 微米 匣極的寬度 照片提供: NEC Corporation

IC 幾何上的限制 原子的大小

IC 元件的限制 原子大小： 數個埃( Å) 形成一個元件需要一些原子 一般最後的限制在100 Å 或 0.01 微米 大概30 個矽原子

IC 設計: 第一顆IC 照片提供: 德州儀器

IC 設計: CMOS 反相器 (a) (b) (c) 淺溝絕緣槽(STI) N-通道元件區 N-通道 Vt N-通道LDD N-通道S/D Vin (a) Vdd NMOS PMOS Vss Vout 淺溝絕緣槽(STI) N-通道元件區 N-通道 Vt N-通道LDD N-通道S/D P-通道元件區 P-通道 Vt P-通道LDD P-通道S/D (b) P型井區 N型井區 第一層 金屬 多晶矽匣極和局部連線 Contact 第一層金屬, AlCu W PMD n + n + STI p + p + (c) P型井區 N型井區 P型壘晶層i P型晶源

CMOS反相器的佈局圖和光罩 CMOS 反相器佈局圖 光罩 1, N型井區 光罩 2, P型井區 光罩 3, 淺溝絕緣槽 光罩 4, 7, 9, N-Vt, LDD, S/D 光罩 5, 8, 10, P-Vt, LDD, S/D 光罩 6, 匣極/局佈連線 光罩 11, 接觸窗 光罩 12, 第一層金屬

相位移光罩展示圖 (光罩/倍縮光罩) 薄膠膜 鉻金屬圖案 相位移塗佈物 石英基板

光罩和倍縮光罩 圖片提供: SGS Thompson

晶圓製程 材料 無塵室生產廠房 測試 封裝 最後測試 化學機械研磨 介電質沉積 金屬化 晶圓 加熱 製程 蝕刻與光阻剝除 光罩 微影製程 離子佈植與光阻剝除 蝕刻與光阻剝除 光罩 微影製程 設計