半導體製程技術半導體製程技術Introduction to Semiconductor ProcessIntroduction to Semiconductor Process

TechnologyTechnology

許正興許正興國立聯合大學電機工程學系國立聯合大學電機工程學系

Introduction to fabricated Integrated Circuits Semiconductor Material and Device Oxidation and Diffusion Lithographic technology Ion Implementation Etch Technology Thin Film Technology CMP Technology Process Integration CMOS Process

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

約翰‧巴定，威廉‧肖克萊 和 華特‧布萊登

第一個電晶體的發明者

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

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

10K

100K

1M

10M

1975 1980 1985 1990 1995

4040 8080

8086 80286

80386

80486Pentium

Pentium III

1K2000

ITRS Roadmap

IC 的尺度---積體電路晶片的積體化層級

超過 1,000,000,000SLSI特大型積體電路(Super Large Scale Integration)

10,000,000 ~ 1,000,000,000ULSI超大型積體電路(Ultra Large Scale Integration)

100,000 ~ 10,000,000VLSI極大型積體電路(Very Large Scale Integration)

5,000 ~ 100,000LSI大型積體電路(Large Scale Integration)

50 ~ 5,000MSI中型積體電路(Medium Scale Integration)

2 ~ 50SSI小型積體電路(Small Scale Integration)

晶片內的元件數目縮寫積體化層級

整體的半導體工業道路圖

300~400300300200~300200200晶圓尺寸 (mm)

0.010.020.030.050.10.3

40M25M13M7M4M2MASIC電晶體數目/cm2

電晶體的單位成本(千分之一美分)

0.020.050.10.20.51

90M50M25M13M7M4M微處理器電晶體數目/cm2

電晶體的單位成本(千分之一美分)

0.00020.00050.0010.0030.0070.017

64G16G4G1G256M64MDRAM位元數/晶片位元的單位成本(千分之一美分)

0.070.100.130.150.250.35最小圖形尺寸(m m)

200720042001199919971995

晶片尺寸與晶圓尺寸的相對性展示

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

300 mm

200 mm

150 mm

晶片或晶粒

1997年NEC 製造最小的電晶體

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:CMOS 反相器

第一層金屬, AlCu

P型壘晶層i

P型晶源

N型井區P型井區

PMD

p + p +n +n +

W

第一層金屬 Contact

P型井區 N型井區

多晶矽匣極和局部連線

N-通道元件區N-通道 VtN-通道LDDN-通道S/D

P-通道元件區P-通道 VtP-通道LDDP-通道S/D

淺溝絕緣槽(STI)

Vss

Vdd

NMOS PMOS

Vin

Vout

STI

(a)

(b)

(c)

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

CMOS反相器的佈局圖和光罩

光罩和倍縮光罩

圖片提供: SGS Thompson

晶圓製程

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

生產廠房的成本

生產廠房的成本非常高，八吋晶圓的生產廠房成本>$1B

無塵室設備, 每一項工具經常 > $1M材料, 高純度, 超高程度設施人員, 訓練和薪酬

晶圓良率

晶圓上的晶粒總數完好的晶粒數目

DY

使用的晶圓數目完好的晶圓數目

WY

晶片的總數完好的晶片數目

CY

晶粒良率

封裝良率

整體的良率

YT = YWYDYC

缺陷與良率

nDAY

)1(1

良率和晶粒尺寸

Y = 28/32 = 87.5% Y = 2/6 = 33.3%

殺手缺陷

晶圓產品的解說

測試晶粒

晶粒

晶圓產品的解說

切割道

晶粒

測試結構

無塵室

低粒子數的人造環境

最初的無塵室是為了醫院手術房而建的

粒子是良率的殺手

積體電路製造必須在無塵室中進行

無塵室

最初的無塵室是為了醫院手術房而建的

1950年之後半導體工業採用本項技術

越小的圖形尺寸就需要純淨度更高的無塵室

粒子數越少，造價越高

無塵室等級

等級 10：每立方英尺內其直徑大於0.5微米的微粒數目必須小於10顆

等級 1 ：每立方英尺內其直徑大於0.5微米的微粒數目必須小於1顆

0.18 mm 元件需要高於等級1以上的無塵室

無塵室等級

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

Class 100,000Class 10,000Class 1,000

Class 100

Class 10Class 1

粒子

總數

/立

方英

尺

0.1 1.0 10以微米為單位的粒子尺寸

Class M-1

依聯邦標準209E定義所制定之空氣含微粒子的潔凈等級表

等級粒子 / 立方英尺

0.1 m 0.2 m 0.3 m 0.5 m 5 m

M-1 9.8 2.12 0.865 0.28

1 35 7.5 3 1

10 350 75 30 10

100 750 300 100

1000 1000 7

10000 10000 70

光罩上粒子污染效應

光罩上的粒子

正光阻上的殘留物

負光阻上的洞孔

薄膜 薄膜

基片 基片

粒子污染的效應

局部佈植的接面

微粒

離子束

光阻

屏蔽氧化層

光阻中的摻雜物

無塵室結構

製程區

設備區 1000級 設備區 1000級

孔狀框型高架地板回風

HEPA過濾網

風扇

幫浦、電力供應系統

製程工具 製程工具

補充空氣 補充空氣

1 級

最少化微粒環境

等級1000的無塵室, 較低的成本董事長會議室的安排方式,製程和設備之間無牆面阻隔在晶圓和製程工具的周圍環境較等級1佳製程工具間晶圓轉移自動化

最少化微粒環境的無塵室

設備區1000級 設備區

1000級

孔狀框型高架地板回風

HEPA過濾網

風扇

幫浦、電力供應系統

製程工具

補充空氣 補充空氣

製程工具

HEPA過濾網

< 1 級

更衣區

無塵衣掛架

長椅

手套、髮套和鞋套架棄物箱

刷洗 / 清潔位置

儲物區

手套架

手套架

入口

往無塵室

積體電路製程流程圖

微影技術

薄膜成長、沉積，且(或)化學機械研磨

蝕刻

光阻剝除 光阻剝除

離子佈植

快速高溫回火或擴散

半導體生產工廠的平面圖

製程區間

更衣區

走道

設備區

拉門

服務區

半導體生產工廠基本平面圖

更衣區緊急出口

服務區

製程和度量工具

濕式製程

乾燥乾燥蝕刻、光阻塗佈或清洗 沖洗

中心帶區

平帶區

距離

溫度

加熱線圈

石英管氣流

晶圓

水平爐管

垂直爐管製程反應室

晶圓

塔狀承座

加熱器

軌道步進機整合示意圖

加熱平台

底層塗佈反應室

冷卻平台

冷卻平台自旋塗佈站

顯影站

步進機

晶圓移動方向

晶圓

具備蝕刻和光阻剝除反應室的群集工具

轉換室

光阻剝除反應室

裝載站

蝕刻反應室

光阻剝除反應室

蝕刻反應室

卸載站

機械手臂

具備介電質化學氣相沉積(CVD)及回蝕刻反應室的群集工具

轉換室

裝載站

PECVD反應室

O3-TOES反應室

卸載站

機械手臂

Ar 離子濺射室

具有氣相沉積(PVD)反應室的群集工具

轉換室

裝載站

Ti/TiN反應室

AlCu反應室

卸載站

機械手臂

AlCu反應室

Ti/TiN反應室

乾進、乾出多研磨頭的化學機械研磨(CMP)系統

晶圓裝載及等待位置

CMP後段清潔位置

清洗位置

乾燥及晶圓卸載位置

多研磨頭研磨機

研磨襯墊

清潔機台

研磨頭

製程區和設備區

製程區

設備

區

設備

區

製程工具

電腦

桌與

度量

工具

桌服務區

拉門

晶圓裝載門

測試結果

失效晶粒

晶片接合結構

矽晶片晶片背面金屬化

焊接材料基片金屬化

基片(金屬或陶瓷)

微電子元件和電路

融熔及

凝固

帶有接合墊片的積體電路晶片

接合墊片

IC晶片封裝

引線端

晶片

接合墊片

具有金屬凸塊的積體電路晶片

凸塊

覆晶封裝

晶片

凸塊

插座 引線端

凸塊接觸

晶片

凸塊

插座 引線端

加熱和凸塊融熔

晶片

凸塊

插座 引線端

覆晶封裝技術

晶片

插座 引線端

塑膠封裝的封膠空腔截面圖

接合線 IC晶片

腳架

Pins晶片接合金屬化

頂部凹槽

底部凹槽

封膠空腔

陶瓷封裝

陶瓷覆蓋層

接合線 IC晶片

引線架, 第 1 層

引線端

覆蓋層

密封金屬化

晶片接合金屬化

第 2 層第 2 層