芯片制造-半导体工艺教程(2)

芯片制造-半导体工艺教程

内部连线水平的提高

元件密度的增加带来了连线问题。在住宅区的比喻中, 用来增加密度的策略之一是减小街道的宽度，但是到一定的程度时街道对于汽车的通行来说就会太窄。同样的事情也会发生在IC设计中，元件密度的增加和紧密封装减小了连线所需的空间。解决方案是在元件形成的表面上使用多层绝缘层和导电层相互叠加的多层连线。

SIA的发展方向

主要的IC参数是相互关连的。摩尔定律预言了未来元件的密度，由此引发了集成度水平（元件密度）、芯片尺寸、缺陷密度（和尺寸）和所要求的内部连线数量水平的计算。半导体工业协会以一系列―路线图‖的形式对这些及其它关键器件和产品参数的未来作了展望。

孔连接 M1=第一层金属 M2=第二层金属

图 1.12 经过平面化工艺具有两金属的VLSI典型结构的横切面, 它显示了经过平面化工艺后孔深的范围. (经Solid State Technology允许)

芯片成本

也许工艺和产品提高所带来的最大影响就是芯片的成本。图1.14展示了80年代时存储器芯片的成本逐年下降的情况。对于任何成熟的产品这个曲线都有代表性。价格开始时高，但随着技术的成熟和制造效率的提高价格会下降并最终达到稳定。虽然芯片的性能提高了，但价格却在持续地下降。在开始的30年中，半导体工业受到过2到5次经济冲击，这与铁路工业受到的冲击在同一时期。4影响芯片成本的因素将会在第15章讨论。

成本降低和性能提高这两个因素推动了固态电子在产品中的使用。到90年代时, 一个汽车所有的计算能力已经超过了第一架月球太空探测器，个人计算机更是令人鼓舞。今天，中等价位的台式机便有IBM在1970年制造的大型机的计算能力。图1.15说明了芯片的主要工业用途。 到2008年时, 全世界工业生产的晶体管将达到每个人十亿。5

半导体工业的发展

在整体上, 半导体工业一直在全世界范围连续增长。从它50年代诞生时起，它在全世界每年的销售额正在接近2000亿美元，其相应的供应商产业超过了300亿美元。6有趣的是, 虽然半导体工业显示出了成熟的迹象，但其增长速度还是

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高于其它成熟工业，这说明了它仍有很大的发展潜力。（图1.16）

图1.17为DRAM性能提高的一个例子，说明了多少卷的大百科全书可以被存储在更大容积的DRAM芯片中。

半导体工业的连续发展与进步使之在90年代中期时占据了世界主导地位，并超过汽车工业成为美国附加值最高的工业（图1.18）。

半导体工业的构成

电子工业可分为两个主要部分：半导体和系统（或产品）。半导体包括材料供应商、电路设计、芯片制造和半导体工业设备及化学品供应商。系统部分包括设计和生产众多基于半导体器件的、涉及到从消费类电子产品到太空飞船的产品。电子工业还涵盖了印刷电路板制造商。

半导体产业由两个主要部分组成。一部分是制造半导体固态器件和电路的企业，生产过程称为晶圆制造（wafer fabrication）。在这个行业中有三种类型的芯片供应商，一种是集设计、制造、封装和市场销售为一体的公司；另一种是做设计和晶圆市场的公司，它们从晶圆代工厂购买芯片；还有一种是晶圆代工厂, 它们可以为顾客生产多种类型的芯片。

以产品为终端市场的生产商和为内部使用的生产商都生产芯片。以产品为终端市场的生产商制造并在市场上销售芯片，以产品为内部使用的生产商它们的终端产品为计算器、通讯产品等等，生产的芯片用于它们自己的终端产品，其中一些企业也向市场销售芯片。还有一些生产专业的芯片内部使用，在 市场上购买其它的芯片。在80年代, 在以产品为内部使用的生产商中进行的芯片制造的比例有上升的趋势

#1 第一章 半导体工业—3

生产阶段 by r53858

固态器件的制造有四个不同的阶段。（图1.19） 它们是材料准备、晶体生长和晶圆准备、晶圆制造、封装。

在第一个阶段，材料准备（见第二章）是半导体材料的开采并根据半导体标准进行提纯。硅是以沙子为原料通过转化成为具有多晶硅结构的纯硅（图1.21）。 在第二个阶段，材料首先形成带有特殊的电子和结构参数的晶体，再进行晶体生长，之后，在晶体生长和晶圆准备（见第三章）工艺中，晶体被切割成称为晶圆的薄片，并进行表面处理（图1.21）。另外半导体工业也用锗和不同半导体材料的混合物来制作器件与电路。

材料准备 晶体生长与晶圆准备 晶圆制造 封装

第三个阶段是晶圆制造，也就是在其表面上形成器件或集成电路。在每个晶圆上通常可形成200到300个同样的器件，也可多至几千个。在晶圆上由分立器件或

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集成电路占据的区域叫做芯片。晶圆制造也可称为制造、FAB、芯片制造或是微芯片制造。晶圆的制造可有几千个步骤，它们可分为两个主要部分：前线工艺是晶体管和其它器件在晶圆表面上的形成；后线工艺是以金属线把器件连在一起并加一层最终保护层。

遵循晶圆制造过程，晶圆上的芯片已经完成，但是仍旧保持晶圆形式并 且未经测试。下一步每个芯片都需要进行电测（称为晶圆电测）来检测是否符合客户的要求。晶圆电测是晶圆制造的最后一步或是封装（packaging）的第一步。

二氧化硅(沙子) 含硅气体 硅反应炉 多晶硅

1.20 二氧化硅到半导体应用级硅的转化

多晶硅 硅晶体生长 硅晶圆

封装通过一系列的过程把晶圆上的芯片分割开然后将它们封装起来。封装起到保护芯片免于污染和外来伤害的作用，并提供坚固耐用的电气引脚以和电路板或电子产品相连。封装是在半导体生产厂的另一个部门来完成的。

绝大数的芯片是被单个地封装起来的，但是混合电路、多芯片模块（MCMs）或直接安装在电路板上（COB）的形式正在日趋增加。混合电路是在陶瓷基片上将半导体器件（分立和IC）和厚或薄膜电阻及导线还有其它电子元件组合起来的形式，这些技术将在第18章中作出解释。

开发的十年(1951-1960)

虽然固态电子的极大优点早已为人所知，但小型化带来的优越性直到20年后才被认识到。在二十世纪五十年代，工程师开始着手工作并制定了许多今天仍在使用的基本工艺和材料。

使半导体器件工作的结构是 ―PN结‖（图1.24），它由富含电子的区域（负极或N型）和相邻的富含空穴的区域（失去电子有正电性或P型）一起构成的（见第11章）。

晶体管要有两个结才能工作（见第16章）。早期商业化的晶体管是双极型的，并且到二十世纪七十年代一直占据统治地位。双极是指晶体管具有工作在正电流和负电流情况下的结构。其它制作固态晶体管的主要方法是场效应管（FET），William Shockley在1951公布了FET的工作原理。这种晶体管只用一种类型电流来工作所以又叫做单极器件。后来大量上市的FET是具有以一种称为金属氧化物（MOS）结构的晶体管。

William Shockley和贝尔实验室对半导体技术的传播有不可磨灭的功绩。Shockley在1955年离开了贝尔实验室并在加利福尼亚的Palo Alto创建了Shockley实验

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室。虽然他的实验室未能幸存下来，但是它在西海岸建立了半导体制造业并为后来著名的硅谷的奠定了基础。贝尔实验室对它的半导体技术授以许可证并转给制造公司, 这促 …… 此处隐藏：3444字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……