半導體工業(yè)發(fā)展簡介

1、半導體工業(yè)發(fā)展簡介技術創(chuàng)新，變革未來中國芯技術系列課程大綱敘述目前半導體工業(yè)的經(jīng)濟規(guī)模與工業(yè)基礎。說明IC結構，并且列出5個積體年代。討論晶圓及制造晶圓的5個主要階段。敘述與討論晶圓制造的改進技術之3項重要趨勢。說明臨界尺寸(CD)的定義，同時討論Moores定律與未來晶圓發(fā)展的關系。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。討論半導體工業(yè)中生涯發(fā)展的不同路線。 微處理芯片微處理機芯片(Photo courtesy of Advanced Micro Devices) 微處理機芯片(Photo courtesy of Intel Corporation) 真空管半導體工業(yè)產(chǎn)品應用

2、基本設施消費者： 計算機 汽車 航空和宇宙航行空間 醫(yī)學的 其他工業(yè)顧客服務 原始的設備制程印刷電路板工業(yè)工業(yè)協(xié)會(SIA, SEMI, NIST, etc.)生產(chǎn)工具實用品材料 & 化學度量衡學工具分析研究所技術能力學院 & 大學芯片制造者圖 1.1第一個晶體管 (由Bell Labs研究制造) 圖 1.3第一平面式晶體管圖 1.2集成電路集成電路 (IC)微芯片, 芯片發(fā)明者積體電路的好處積體年代從 SSI 芯片到 ULSI 芯片1960 - 2000第一個集成電路 (由TI之Jack所制造) 晶圓芯片的俯視圖一個單一的集成電路，如晶粒、芯片和微芯片圖 1.3半導體集成電路表 1.1集成電

3、路半導體工業(yè)的時間周期每個芯片組成數(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年晚期到1980年晚期100,000 1,000,000超大尺寸整合 (ULSI)1990年至今1,000,000ULSI 芯片Photo courtesy of Intel Corporation, Pentium IIIIC 制造硅晶圓晶圓晶圓尺寸組件與模層晶圓廠IC制造的主要階段晶圓準備晶圓制造晶圓測

4、試/分類裝配與封裝最后測試 芯片尺寸的發(fā)展200019921987198119751965 50 mm 100 mm 125 mm 150 mm 200 mm 300 mm圖 1.4硅芯片的組件和膜層 圖 1.5IC 制造的主要階段1.晶圓準備包括結晶、長晶、圓柱化、切片和研磨。 4.裝配和封裝沿切刻線切割晶圓，以分隔每個晶粒。晶粒黏著于封裝體內，并進行金屬打線。 2.晶圓制造包括清洗、加層、圖案化、蝕刻、摻雜。 3.測試分類包括探針、測試、分類晶圓上的每個晶粒。 5.最后測試確定IC通過電子和環(huán)境測試。 缺陷晶粒硅棒切片單晶硅切刻線單一晶粒裝配封裝硅芯片的制備1.長晶單晶錠端點移除和直徑研磨

5、主平面形成5.晶圓切片邊角磨光研磨晶圓蝕刻拋光晶圓檢視 研漿 研磨臺研磨頭 多晶硅 晶種結晶加熱 坩鍋(注意：圖1.7的名詞于第4章解釋。)圖 1.7晶圓廠Photo courtesy of Advanced Micro Devices-Dresden, S. Doering微芯片封裝圖 1.8半導體趨勢增加芯片特性臨界尺寸 (CD)每一芯片上的組件數(shù)目Moores 定律功率消耗增加芯片的可靠度降低芯片價錢 臨界尺寸圖 1.9對于臨尺寸過去和未來技術點的比較表 1.2芯片上晶體管數(shù)目之增加趨勢 Redrawn from Semiconductor Industry Association, T

6、he 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)年 4004 8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro100M10M1M100K10K19751980198519901995 2000500251.0.1.01Used with permission from Proceedings of the IEEE, Jan

7、uary, 1998, 1998 IEEE微處理器之發(fā)展與Moores定律之關系 圖 1.11晶體管每秒百萬條指令早期與現(xiàn)在半導體尺寸的對照 圖 1.121990年的微芯片(5 25百萬個晶體管)1960年的晶體管US硬幣 (10分)每年呈現(xiàn)下滑現(xiàn)象的IC功率消耗 10864201997199920012003200620092012年Redrawn from Semiconductor Industry Association, National Technology Roadmap, 1997圖 1.13平均功率w (106W)芯片可靠度的增進19721976198019841988199

8、219962000年7006005004003002001000圖 1.14長期每百萬部分故障率目標 (PPM)半導體芯片價錢每年降低 Redrawn from 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= 價錢=BITMSILSIVLSIULSI標準管真空管 半導體組件集成電路縮小管比較值電子發(fā)展的階段1950年

9、代: 晶體管技術1960年代: 制造技術1970年代: 競爭1980年代: 自動化1990年代: 大量生產(chǎn) 芯片費用每年持續(xù)增加 $100,000,000,000$10,000,000,000$1,000,000,000$100,000,000$10,000,000197019801990200020102020年實際費用預測費用Used with permission from Proceedings of IEEE, January, 1998 1998 IEEE圖 1.16成本半導體工業(yè)的生涯發(fā)展路線 圖 1.17工廠領導者生產(chǎn)領導者生產(chǎn)管理者維修領導者維修管理者設備工程師設備技術人員維

10、修技術人員制造技術人員制程技術人員研究技術人員工程師領導者制程工程師整合工程師良率&錯誤分析技術人員晶制程造技術人員生產(chǎn)者*Bachelor of Science在電子的技術教育MSBSBEST*AS+ASHS+HS晶圓廠的產(chǎn)量測量金屬化蝕刻薄膜擴散光罩離子植入微處理制程設備檢查重作檢查廢棄制程設備檢查制程設備 檢查制程設備檢查制程設備檢查制程設備啟始芯片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 芯片出廠時間開始時間到12369每個操作員周期時間 工作時間開始工作之時間工作結束之時間晶圓