半导体制造技术-第一章.ppt

dreamtower,半导体制造技术,dreamtower,dreamtower,第一章半导体产业介绍,dreamtower,1.1半导体产业发展简介和经济现状1.2半导体发展趋势和各个电子时代1.3集成电路和5个电路集成时代1.4集成电路制造1.5半导体制造业的各种职业1.6小结,dreamtower,1.1半导体产业发展简介和经济现状,dreamtower,1.1.1半导体产业发展简介,1906年LeeDeForest发明了放大电子信号的三极真空管。它发展了早期有约翰弗莱明和托玛斯爱迪生在真空管方面的工作，成为现代收音机、电视机和整个电子学领域的主要电子器件，直到20世纪50年代。,dreamtower,一种相对新的材料，称为硅的单晶体，在20世纪出曾被用于将无线电通信信号从交流转换为直流。包含这种材料的“半导体”一词最初在德国采用。然而，真正要发展成为半导体技术势力需要全世界物理化学家和物理学家的参与研究。在半导体特性能被完全解释之前，为了理解电子行为的量子理论，这项研究斯必需的。这些基础工作延续了几十年直到第二次世界大战。第二次世界大战后，贝尔实验室的科学家们一致努力研究固态硅和锗半导体晶体。领导这项研究的科学家感到需要替换掉真空管，并且可以从固态半导体材料代替真空中受益。1947年12月16日诞生了固态晶体管，发明者是威廉肖克利，约翰巴丁和沃尔特布拉顿。晶体管的名字取自“跨导”和“变阻器”两词，提供了与真空管同样的电功能，但具有固态的显著优点：尺寸小、无真空、可靠、重量轻、最小的发热以及低功耗。这一发现发动了以固体材料和技术为基础的现代半导体产业。,dreamtower,dreamtower,半导体产业在20世纪50年代开始迅速增长为以硅为基础的商品化晶体管技术。早期的许多先驱者都开始于北加利福尼亚州，现在以硅谷著称的地区。1957年，在帕罗阿托市的仙童半导体公司制造出第一个商用平面晶体管。它有一层铝互连材料，这种材料北淀积在硅片的最顶层以连接晶体管的不同部分(见图)。从硅上热氧化生长的一层自然氧化层被用于隔离铝导线。这些层的使用在半导体领域是一重要发展，也是称其为平面技术的原因。,dreamtower,dreamtower,在半导体产业向前迈进的重要一步是将多个电子元件集成在一个硅衬底上。被称为集成电路或简称IC，它是由仙童半导体公司的罗伯特诺伊斯和德州仪器公司的杰克基比尔于1959年分别独自发明的。在一块集成电路的硅表面上可以制造许多不同的半导体器件，例如晶体管、二极管、电阻和电容，他们被连成一个有确定芯片功能的电路。,RobertNoyce(Fairchild),ClairKilby(TI),dreamtower,诺伊斯的平面集成电路结构（硅材料）,基尔比的集成电路结构（锗材料）,dreamtower,随着硅平面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃，创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产业集成电路产业。,dreamtower,1.1.2产业经济现状,市场研究机构IHSiSuppli日前发布更新版的2012年全球半导体市场成长率预测，表示今年该市场将成长3.3%，营收规模3,232亿美元；该机构去年11月的预测数字，是认为2012年全球半导体市场成长率为3.2%，营收规模3,182亿美元。IHSiSuppli指出，2012年半导体市场成长速度将趋缓，主要是因为全球景气前景不明，以及半导体库存情况变动缓慢。不过该机构也表示，如果美国与世界其它区域的景气在2013年复苏，整体情况将会有大幅度改善；预期在2013年至2015年间，整体半导体市场成长率可在6.6%7.9%之间，市场营收规模在2015年可达3,977亿美元左右。最新版的IHSiSuppli半导体市场2012年成长率预测数字，大致上与其它市场研究机构看法相符，大部分是较低的个位数字；例如Gartner预测2012年半导体市场成长率为2.2%，世界半导体贸易统计组织(WSTS)的预测数字则为2.6%。,dreamtower,1.2半导体发展趋势和各个电子时代,dreamtower,甚大规模集成电路设计和制造集成电路所需的快速技术变化，导致新设备和新工艺的不断引入。每隔18到24个月，半导体产业就引入新的制造技术。伴随微芯片技术的发展有三个主要趋势：提高芯片性能提高芯片可靠性降低芯片成本,1.2.1半导体发展趋势,dreamtower,1.2.1.1趋势1：提高芯片性能,dreamtower,从20世纪60年代早期小规模集成电路时代以来，半导体微芯片的性能已得到了巨大的提高。判断芯片性能的一种通用方法是速度。器件做得越小，在芯片上放置得越密，芯片得速度就会提高，这是因为通过电路得电信号传输距离更短了。提供速度得另一种方法是：使用材料，通过芯片表面得电路和器件来提高电信号得传输。,dreamtower,关键尺寸芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸。描述特征尺寸的另一个术语是电路几何尺寸。特别值得注意的是硅片上的最小特征尺寸，也称为关键尺寸或CD。自半导体制造业开始以来，器件的CD一直在缩小，从20世纪50年代初期以大约125um的CD开始，目前主流是0.18um或者更小，可以TSMC可以量产的最小CD已达到28nm。半导体产业使用“技术节点”这一术语描述在硅片制造中使用的可应用CD。从1um以下的CD实际的和预计的产业技术节点如下表所示。,dreamtower,减小一块芯片的特征尺寸使得可以在硅片上制作更多的元件。对于微处理器，芯片表面的晶体管数可以说明通过减小CD来增加芯片的集成度。由于芯片上的晶体管数连年急剧增加，芯片性能也已提高（见图）。,每块芯片上的元件数,dreamtower,摩尔定律1964年，戈登摩尔，半导体产业先驱和英特尔公司的创始人，预言在一块芯片上的晶体管数大约每隔一年翻一番。关于微处理器上的晶体管数，如图所示，摩尔定律惊人地准确。,dreamtower,功耗芯片性能的另一重要是在器件工作过程中的功耗。真空管耗费很大功耗，而半导体器件确实耗用很小的功耗。随着器件的微型化，功耗相应减小。尽管每块芯片上晶体管数迅速增加，芯片的功耗却低得多得速率增加（见图）。这已成为便携式电子产品市场增长得一个关键性能参数。,dreamtower,IntelsCPUYearofintroductionTransistors400419712,250800819722,500808019745,0008086197829,0002861982120,000386processor1985275,000486DXprocessor19891,180,000Pentiumprocessor19933,100,000PentiumIIprocessor19977,500,000PentiumIIIprocessor199924,000,000Pentium4processor200042,000,000,Intel公司CPU芯片集成度的发展,dreamtower,IC在各个发展阶段的主要特征数据,dreamtower,1.2.1.2趋势2：提高芯片可靠性,dreamtower,芯片可靠性致力于趋于芯片寿命的功能的能力。技术上得进步已经提高了芯片产品得可靠性（见图）。例如，通过严格得诸如无颗粒空气净化间得使用以及控制化学试剂纯度，来控制沾污。为提高器件可靠性，不间断地分析制造工艺。通过硅片监控和微芯片测试以验证可接受的性能。这样可变成在工作过程中低失效的产品。,dreamtower,1.2.1.3趋势3：降低芯片成本,dreamtower,半导体微芯片的价格一直持续下降（见图）。到1996年之前的近50年中，半导体微芯片的价格以一亿倍的情况下降。例如，1958年一个质量低劣的硅晶体管价值大约10美元。在今天，10美元可以买到具有超过两千万晶体管的一块存储器芯片、一个等量的其他元件以及必要的互连以便做成一个有用的芯片。,价格降低的两个原因：CD不断缩小，一片硅片课生产更多的芯片。市场需求增大，形成规模经济。,dreamtower,1.2.2各个电子时代,dreamtower,50年代：晶体管技术60年代：工艺技术70年代：竞争80年代：自动化90年代：批量生产,dreamtower,世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三次变革:第一次变革：加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。70年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。IC设计只作为附属部门而存在。第二次变革：Foundry公司与IC设计公司的崛起。无生产线的IC设计公司（Fabless）与标准工艺加工线（Foundry）相结合的新模式。第三次变革：“四业分离”的IC产业。“分”才能精，“整合”才成优势。设计业、制造业、封装业、测试业。,dreamtower,IC产业垂直分工演化过程,dreamtower,1.3集成电路和5个电路集成时代,dreamtower,我们可以大致以集成在一块芯片上的元件数目来划分集成时代（见表）。,dreamtower,1.4集成电路制造,dreamtower,半导体器件的制作仅发生在接近硅片表面的几微米。在工艺加工过程中，硅片厚度提供硅片足够的强度。一旦器件在硅片上制作完毕，硅片上的金属线路层将作为器件和芯片外边的各种电信号之间的连接（见图）。现代集成电路的互连概念和材料非常类似于1957年仙童半导体公司第一商品化的原始平面晶体管。主要差别是今天的芯片更加复杂。,dreamtower,早期由操作者手工处理硅片，但是随着集成度的提高，允许的沾污水平显著降低。可能损坏硅片或引起芯片不工作的沾污来自许多方面：人体、材料、水和空气等等。现在的硅片制造厂采用专门设施净化制造环境并用专用设备生产沾污最小的芯片。包括生产空间的净化、超纯化学材料和容器，以及自动化等等。在硅片制造厂，一个硅片需要经过两到三个月工艺流程，完成450道或更多的工艺步骤，然后进行切割、封装和测试等步骤才形成最终的产品。,dreamtower,微芯片制造涉及5个大的制造阶段（见图）：硅片制备硅片制造硅片测试/拣选装配与封装终测,dreamtower,硅片制备在第一阶段，将硅从沙土中提炼并纯化。经过特殊工艺产生适当直径的硅锭（见图）。然后将硅锭切割成用于制造微芯片的薄硅片。按照专用的参数规范制备硅片，例如定位边要求和沾污水平。,dreamtower,硅片制造自硅片开始的微芯片制作是第二阶段，被称为硅片制造。裸露的硅片到达硅片制造厂，然后经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤。加工完的硅片具有永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。硅片制造的其他名称是微芯片制造和芯片制造。硅片制造涉及许多复杂工艺步骤的交互，可使用自动化设备在一个甚大规模集成电路硅片上生产几亿个器件。伴随着制造高性能集成电路的复杂性，半导体产业总是处于设备设计和制造技术的前沿。这种创新激励了硅片制造的不断完善。,dreamtower,芯片剖面图,dreamtower,dreamtower,硅片的测试/拣选硅片制造完成后，硅片被送到测试/拣选区，在那里进行单个芯片的探测和电学测试。然后拣选出可接受和不可接受的芯片，并为有缺陷的芯片做标记。不会把硅片测试失效的芯片送给客户，而通过硅片测试的芯片将继续进行以后的工艺。,dreamtower,dreamtower,装配与封装硅片测试/拣选后，硅片进入装配和封装步骤，以便把单个芯片包装在一个保护管壳内。硅片的背面进行研磨以减小衬底的厚度。一片厚的塑料膜被贴在每个硅片的背面，然后，在正面沿着划片线用带金刚石的锯刃将每个硅片上的芯片分开。粘的塑料膜保护硅芯片不脱落。在装配厂，好的芯片被压焊或抽真空形成装配包。稍后，将芯片密封在塑料或陶瓷壳内。最终的实际封装形式随芯片类型及其应用场合而定（见下图）。,dreamtower,终测为确保芯片的功能，要对每一个被封装的集成电路进行测试，以满足制造商的电学和环境的特性参数要求。终测后，芯片被发送给客户以便装配到专用场合：例如，将存储器元件安装在个人电脑的电路板上。,dreamtower,fabless,foundry,mask,test,Packaging,dreamtower,芯片生产视频(TSMC),dreamtower,1.5半导体制造业的各种职业,dreamtower,集成电路IC企业大致上可分为以下几类集成器件制造商(IDM-IntegratedDeviceManufactoryCo.)：传统概念上是从芯片设计，制造，到封装全部由自已完成；Foundry厂：标准工艺加工厂或称专业代工厂商，如SMIC和TSMC；Fabless：IC设计公司，只设计不生产。如AMD；Chipless：既不生产也不设计芯片，而是设计IP内核，授权给半导体公司使用。如ARM（AdvancedRISCMachines）；Fablite：轻晶片厂有少量晶圆制造厂的IC公司，部分芯片制造外包。,dreamtower,半导体制造业中的职业途径分成三个主要方面：技师、工程师和管理人员。专门职业途径的选择通常取决于个人的技术知识、教育背景和本人的目标。不同职业途径的例子如图所示。,dreamtower,硅片