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Page 1: Microchip Fabrication A Practical Guide to Semiconductor Processing 半導體製程 材料科學與工程研究所 張翼 教授

Microchip FabricationA Practical Guide to Semiconductor Processing

半導體製程材料科學與工程研究所張翼 教授

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Chapter 1 The Semiconductor Industry

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Figure 1.1 Eniac statistics. (Foundations of Computector Technology, J. G. Giarratano, Howard W. Sams & Co., Indianapolis, Ind., 1983) (First electronic computer,1947)

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Figure 1.2 Vacuum tube

Vacuum tube (better radiation hardening) → Transistor

NCTU is the first University to use transistor in student Lab.

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Figure 1.3 The first transistor.

Bell Labs John Bardeen, Walter Brattin,

William Shockley 1956 Nobel Prize (Physicist) Si-Ge, bandgap increase, low

terminal noise

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Figure 1.4 Solid-state discrete devices.

active device: transistors & diodes

passive element: capacitors & resistors

Discrete device account for 12% sale in 1998

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Figure 1.5 Kilby integrated circuit from his notebook (Courtesy of Texas Instruments.)

In 1959, TI developed first IC. (Jack Kilby)

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Figure 1.6 Horni “teardrop” transistor.

Planar Technology

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Figure 1.7 Growth of Dram Density (After Campbell, The Science of Engineering and Microelectronics fabrication, Oxford Press.)

First demo, Bell Labs First production, NEC

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Figure 1.8 IC integration table.

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Figure 1.9 Decreasing image feature size. (After Wolf and Tauber, “Silicon Processing for the VSLI Era.”)

2000, 0.18µm, TSMC 2012, 0.005µm

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Figure 1.10 Effect of processing larger die on larger wafers.

wafer size → 12 inch (1B USD to build)

ULSI chip size> 0.5 inch each side

# whole die in a wafer : 40 → Need to decrease contamination

use class 1 clean room

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Figure 1.11 Relative size of airborne particles and wafer dimensions.

class 1 1 Particle/ft3

Particle size < 0.1µm

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Figure 1.12 Cross section of typical planarized two-level metal VLI structure showing range of via depths after planarization. (Courtesy of Solid State Technology)

Use multilayer interconnect level to increase traffic

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Figure 1.13 Wafer fabrication (and electrical test).

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Figure 1.14 Price of chips per bit of memory.

Moore’s law (1965): Doubling of transistorsin the ICs every couple of years1971 22501982 120,0001993 3,100,0002000 42,000,000

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Figure 1.15 Semiconductor chip uses. (Courtesy In-Stat-1995 SEMI ISS seminary)

original driving force: military demand

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Figure 1.16 Semiconductor and vehicle parts growth (Courtesy Semiconductor Industry Association)

→ semiconductor→ motor vehicle parts

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Figure 1.17 Future DRAM capacity. (Source: Business Week, July, 1994)

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Figure 1.18 Growth of semiconductor industry-capital spending (Courtesy of Semiconductor Industry Association)

→ semiconductors

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Figure 1.18

Wafer Fabrication Vertical Integration IDM:Integrated Device Manufacturer-include IC design and man

ufacture Fab Fabless company Foundry

Captive: produce in house for their own use Merchant supplier: sell to the open market

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Figure 1.19 Stages of semiconductor manufacturing.

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Figure 1.20 Conversion of silicon dioxide to semiconductor grade silicon.

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Figure 1.21 Crystal growth and wafer preparation.

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Figure 1.22 Wafer fabrication (and electrical test)

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Figure 1.23 Packaging stage.

Packaging technology becomes important as CPU speed approaching 1 Gb/Sec

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Figure 1.24 P-N and N-P junctions.

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Figure 1.25 Basics of silicon planar processing.

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Figure 1.26 Double diffused bipolar transistor formed in epitaxial layer.

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Figure 1.27 DRAM growth design rule and number of process steps. (SEMI 1995 ISS Conference)