半导体制程技术导论
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
半導體製程技術導論 Chapter 1 導論
Hong Xiao, Ph. D. hxiao89@
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 1
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
/HongXiao/Boo k.htm
16
IC 設計: 第一顆IC
照片提供: 德州儀器
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 17
IC 設計: CMOS 反相器
NMOS
Vin
Vdd
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
/HongXiao/Boo k.htm 4
原子的大小
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
15
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
arge Scale Integration) 極大型積體電路(Very Large Scale Integration) 超大型積體電路(Ultra Large Scale Integration) 特大型積體電路(Super Large Scale Integration)
MSI
照片提供: Lucent Technologies Inc.
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 6
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
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 7
晶圓製程
材料 無塵室生產廠房 金屬化 晶圓 加熱 光罩
離子佈植與 光阻剝除
化學機械 研磨
介電質沉 積
測試
製程
蝕刻與光 阻剝除
封裝
微影製程
最後測試
設計
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 22
/HongXiao/Boo k.htm 2
Hong Xiao, Ph. D.
主題
• • • • 簡介 積體電路元件和設計 半導體製程 未來的走向
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
3
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
晶片尺寸與晶圓尺寸的相對性展示
晶片 或晶 粒
以0.35微米技術製造的 晶粒
以0.25微米技術
300 mm 200 mm
以0.18微米 技術
150 mm
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
1980
1985
1990
1995
2000
10
/HongXiao/Boo k.htm
IC 的尺度--積體電路晶片的積體化層級
積體化層級
小型積體電路(Small Scale Integration)
縮寫
SSI
晶片內的元件數目
2 ~ 50
中型積體電路(Medium Scale Integration)
(a)
PMOS Vout
Vss
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 第一層 金屬
W PMD n+ n+ P型井區 P型壘晶層i P型晶源 STI p+ N型井區 p+
13
1997年NEC 製造最小的電晶體
下匣極
源極 n+ 上匣極 介電質 汲極 n+
超淺接面
P型晶片
小於0.014 微米 匣極的寬度
Hong Xiao, Ph. D.
照片提供: NEC Corporation
14
/HongXiao/Boo k.htm
IC 幾何上的限制
11
整體的半導體工業道路圖
1995 最小圖形尺寸(m m) 0.35 1997 0.25 1999 0.15 1G 0.003 13M 0.2 7M 0.05 200~300 2001 0.13 4G 0.001 25M 0.1 13M 0.03 300 2004 0.10 16G 0.0005 50M 0.05 25M 0.02 300 2007 0.07 64G 0.0002 90M 0.02 40M 0.01 300~400
多晶矽匣極和局部連線
第一層金屬, AlCu
N型井 Contact 區
(c)
18
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
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
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
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 8
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
Hong Xiao, Ph. D.
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
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
5
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
12
DRAM 64M 256M 位元數/晶片 位元的單位成本(千分 0.017 0.007
之一美分)
微處理器 4M 電晶體數目/cm2 電晶體的單位成本(千 1
分之一美分)
7M 0.5 4M 0.1 200
ASIC 電晶體數目/cm2
電晶體的單位成本(千 分之一美分)
2M 0.3 200
晶圓尺寸 (mm)
LSI VLSI ULSI SLSI
50 ~ 5,000
5,000 ~ 100,000 100,000 ~ 10,000,000 10,000,000 ~ 1,000,000,000 超過 1,000,000,000
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
薄膠膜 鉻金屬圖案
相位移塗佈物
石英基板
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
20
光罩和倍縮光罩
圖片提供: SGS Thompson
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 21
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
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo 光罩 k.htm 11, 接觸窗
光罩 12, 第一層金屬
19
相位移光罩展示圖 (光罩/倍縮光罩)
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
9
摩爾定律(英特爾版本)
Transistors
Pentium III
10M
80486
1M 100K
80386 8086 4040 8080 80286
Pentium
10K
1K
1975
Hong Xiao, Ph. D.
Hong Xiao, Ph. D. hxiao89@
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 1
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
/HongXiao/Boo k.htm
16
IC 設計: 第一顆IC
照片提供: 德州儀器
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 17
IC 設計: CMOS 反相器
NMOS
Vin
Vdd
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
/HongXiao/Boo k.htm 4
原子的大小
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
15
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
arge Scale Integration) 極大型積體電路(Very Large Scale Integration) 超大型積體電路(Ultra Large Scale Integration) 特大型積體電路(Super Large Scale Integration)
MSI
照片提供: Lucent Technologies Inc.
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 6
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
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 7
晶圓製程
材料 無塵室生產廠房 金屬化 晶圓 加熱 光罩
離子佈植與 光阻剝除
化學機械 研磨
介電質沉 積
測試
製程
蝕刻與光 阻剝除
封裝
微影製程
最後測試
設計
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 22
/HongXiao/Boo k.htm 2
Hong Xiao, Ph. D.
主題
• • • • 簡介 積體電路元件和設計 半導體製程 未來的走向
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
3
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
晶片尺寸與晶圓尺寸的相對性展示
晶片 或晶 粒
以0.35微米技術製造的 晶粒
以0.25微米技術
300 mm 200 mm
以0.18微米 技術
150 mm
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
1980
1985
1990
1995
2000
10
/HongXiao/Boo k.htm
IC 的尺度--積體電路晶片的積體化層級
積體化層級
小型積體電路(Small Scale Integration)
縮寫
SSI
晶片內的元件數目
2 ~ 50
中型積體電路(Medium Scale Integration)
(a)
PMOS Vout
Vss
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 第一層 金屬
W PMD n+ n+ P型井區 P型壘晶層i P型晶源 STI p+ N型井區 p+
13
1997年NEC 製造最小的電晶體
下匣極
源極 n+ 上匣極 介電質 汲極 n+
超淺接面
P型晶片
小於0.014 微米 匣極的寬度
Hong Xiao, Ph. D.
照片提供: NEC Corporation
14
/HongXiao/Boo k.htm
IC 幾何上的限制
11
整體的半導體工業道路圖
1995 最小圖形尺寸(m m) 0.35 1997 0.25 1999 0.15 1G 0.003 13M 0.2 7M 0.05 200~300 2001 0.13 4G 0.001 25M 0.1 13M 0.03 300 2004 0.10 16G 0.0005 50M 0.05 25M 0.02 300 2007 0.07 64G 0.0002 90M 0.02 40M 0.01 300~400
多晶矽匣極和局部連線
第一層金屬, AlCu
N型井 Contact 區
(c)
18
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
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
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
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 8
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
Hong Xiao, Ph. D.
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
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
5
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
12
DRAM 64M 256M 位元數/晶片 位元的單位成本(千分 0.017 0.007
之一美分)
微處理器 4M 電晶體數目/cm2 電晶體的單位成本(千 1
分之一美分)
7M 0.5 4M 0.1 200
ASIC 電晶體數目/cm2
電晶體的單位成本(千 分之一美分)
2M 0.3 200
晶圓尺寸 (mm)
LSI VLSI ULSI SLSI
50 ~ 5,000
5,000 ~ 100,000 100,000 ~ 10,000,000 10,000,000 ~ 1,000,000,000 超過 1,000,000,000
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
薄膠膜 鉻金屬圖案
相位移塗佈物
石英基板
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
20
光罩和倍縮光罩
圖片提供: SGS Thompson
Hong Xiao, Ph. D. /HongXiao/Boo k.htm 21
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
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo 光罩 k.htm 11, 接觸窗
光罩 12, 第一層金屬
19
相位移光罩展示圖 (光罩/倍縮光罩)
Hong Xiao, Ph. D.
/HongXiao/Boo k.htm
9
摩爾定律(英特爾版本)
Transistors
Pentium III
10M
80486
1M 100K
80386 8086 4040 8080 80286
Pentium
10K
1K
1975
Hong Xiao, Ph. D.