半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解

半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第1页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm第一個電晶體,貝爾實驗室,19472023/4/252照片來源:AT&T半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第2页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm第一個電晶體發明者2023/4/253約翰‧巴定，威廉‧肖克萊

和華特‧布萊登照片來源:LucentTechnologiesInc.半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第3页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm1958年第一個積體電路晶片2023/4/254照片來源:德州儀器半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第4页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm1961年矽晶圓製出第一個積體電路2023/4/255照片來源:FairchildSemiconductorInternational半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第5页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm摩爾定律2023/4/2561964年哥登‧摩爾(英特爾企业共同創始人之一)價格不變之下，電腦晶片上元件數目，幾乎每12個月就增加一倍1980年代減緩至每18個月到当前仍屬正確，預期能够維持到半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第6页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm摩爾定律(英特爾版本)2023/4/257Transistors10K100K1M10M19751980198519901995404080808086802868038680486PentiumPentiumIII1K半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第7页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmIC尺度---

積體電路晶片積體化層級2023/4/258積體化層級縮寫晶片內元件數目小型積體電路(SmallScaleIntegration)SSI2~50中型積體電路(MediumScaleIntegration)MSI50~5,000大型積體電路(LargeScaleIntegration)LSI5,000~100,000極大型積體電路(VeryLargeScaleIntegration)VLSI100,000~10,000,000超大型積體電路(UltraLargeScaleIntegration)ULSI10,000,000~1,000,000,000特大型積體電路(SuperLargeScaleIntegration)SLSI超過1,000,000,000半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第8页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm整體半導體工業道路圖2023/4/259199519971999最小圖形尺寸(mm)0.330.100.07DRAM位元數/晶片位元單位成本(千分之一美分)64M256M1G4G16G64G0.0170.0070.0030.0010.00050.0002微處理器電晶體數目/cm2電晶體單位成本(千分之一美分)4M7M13M25M50M90M0.050.02ASIC電晶體數目/cm2電晶體單位成本(千分之一美分)2M4M7M13M25M40M50.030.020.01晶圓尺寸(mm)200200200~300300300300~400半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第9页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm晶片尺寸與晶圓尺寸相對性展示2023/4/2510以0.35微米技術製造晶粒以0.25微米技術以0.18微米技術300mm200mm

150mm晶片或晶粒半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第10页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm1997年NEC製造最小電晶體2023/4/2511超淺接面下匣極上匣極源極汲極介電質n+n+P型晶片小於0.014微米

匣極寬度照片來源:NECCorporation半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第11页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm晶圓製程2023/4/2512材料設計光罩無塵室生產廠房測試封裝最後測試加熱製程微影製程離子佈植與光阻剝除金屬化化學機械研磨介電質沉積晶圓蝕刻與光阻剝除半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第12页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm無塵室低粒子數人造環境最初無塵室是為了醫院手術房而建粒子是良率殺手

積體電路製造必須在無塵室中進行2023/4/2513半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第13页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm無塵室最初無塵室是為了醫院手術房而建1950年之後半導體工業採用本項技術越小圖形尺寸就需要純淨度更高無塵室粒子數越少，造價越高2023/4/2514半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第14页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm無塵室等級等級10：每立方英尺內其直徑大於0.5微米微粒數目必須小於10顆等級1：每立方英尺內其直徑大於0.5微米微粒數目必須小於1顆0.18mm元件需要高於等級1以上無塵室2023/4/2515半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第15页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm無塵室等級2023/4/25160.1110100100010000100000Class100,000Class10,000Class1,000Class100Class10Class1粒子總數/立方英尺0.11.010以微米為單位粒子尺寸ClassM-1半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第16页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm依聯邦標準209E定義所制订之空氣含微粒子潔凈等級表2023/4/2517

等級粒子/立方英尺0.1mm0.2mm0.3mm0.5mm5mmM-650.28

1357.531

10350753010

100

750300100

1000

1000710000

1000070半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第17页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm半導體晶圓代工廠需求◆到1980年代為止，在半導體元件製造中，設計、元件開發、製程開發與生產是不可分。但最近製程及製造各自衍生出獨立商機。就是半導體晶圓處理工程，出現只靠接訂單生產晶圓代工廠。◆半導體製造設備廠商功效逐漸擴大，以往元件製造廠製程或製造工作，也在設備製造廠功效轉變過程中逐漸埋沒。總之無論怎样，製程工作，可說是背後支撐著半導體元件進展。◆開發新型低耗電力MPU美國企業負責人，毫不在意自己企业稱為Virtualfactory，不進行晶片製造，全委外。這代表製程幕後論愈發穩固，並浮現出晶圓代工廠在半導體製程主要性及可做為獨立事業意義。2023/4/2518半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第18页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm半導體製程構成領域

◆「基础製程」:包含微影(lithography)、乾式蝕刻、薄膜沉積CVD或PVD等。

◆自從1948年電晶體發明，開啟了1950年代電晶體時代，電晶體發明者對照於半導體工作，就像是物理學家工作。加上製造、加工技術方面化學家，對於IC開發，成為一種需要許多專業領域綜合技術。

◆當初只要一名技術人員，可了解全部製程並加以實行。不过隨著專業分化，出現所謂擴散工程師、蝕刻工程師。如今每一位技術人員，甚至無法了解自己定位在全體製程哪一部份，僅在技術上及專業上不斷分化。2023/4/2519半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第19页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm2023/4/2520 相 關 學主 問要 領製 域程技術應用化學高分子化學物理化學應用物理︵光、真空、離子、電磁、其他︶機械工學金屬、冶金學材料工學電子工學電機工學電腦軟體矽結晶○○○○○○○○磊晶成長○○○○○○○CVD○○○○○PVD○○○○○○乾式蝕刻○○○○○離子植入○○○○○○微影(曝光)○○○○光阻○○○○○○○擴散，氧化○○○○○○○CMP○○○○○○○電鍍○○○○○全部相關全部相關半导体元件与积体电路及无尘室生产车间详解第20页www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm半導體製程及製造設備

◆製程開發，雖由元件製造廠與設備製造廠雙方推進，但從需求掌握及商機觀點，應以元件製造廠製程開發為主體。◆