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22-5微电子技术.doc
電子學概說
[頁 PAGE 24]
§5 微電子技術
積體電路
微電子技術的核心為半導體製程。半導體製程結合了物理、化學、電子及電腦輔助設計等先進科技,用以製造生產各式的電子元件。
1958年基爾比構想並製造出第一個積體電路來。與其他兩位在半導體研究上亦有傑出貢獻的科學家,共同獲頒2000年諾貝爾物理獎。
積體電路(integrated circuit,IC):每個個別式(discrete)元件都用半導體技術製造完成,並將整個電路的元件,於單一個半導體的晶片(chip)上完全製造出來,以達到電路小型化及高產能的效益,此為積體電路。
積體電路所涉及的尺度非常微小,以微米(μm)為單位,所以又稱微電子技術(microelectronics technology)。利用此一技術,可將數百萬個電晶體,容納在一小片面積不到1cm×1cm的小晶片上。
積體電路的概分:小型積體電路(SSI):每個晶片含有100以內元件。中型積體電路(MSI):100~1000;大型積體電路(LSI):1000~10000;超大型積體電路(VLSI):1萬以上;極大型積體電路(ULSI):10萬以上。2000年的電腦CPU晶片上已含有4200萬個電晶體。
積體電路的製作流程:如圖所示
首先,製備出高純度的半導體晶柱,長度約1m,目前直徑最大到12吋。
將晶柱切片成為晶圓(wafer),厚度約0.7mm,並研磨拋光,以便後續的製程處理。
一般所稱的半導體廠大都指執行晶圓製程的工廠,其製程包含:
氧化、擴散、離子佈植:晶圓先置於1000至1200℃的高溫爐中氧化,在表面上生長出一層氧化物(SiO2)。然後在其表面上均勻地塗布一層感光乳劑。
微影照像:將刻劃有電路圖樣的光罩(mask,類似底片,但為玻璃或金屬材質)置於晶圓的上方,以深紫外線作為光源,利用精密的光學系統,透過光罩,將電路圖樣縮小印在晶圓上的指定區域。曝光的感光乳劑形成硬模,用以保護在其下方的氧化物。
蝕刻:使用酸或高熱氣體以除去未曝光的感光乳劑和其下方的氧化物,作為摻雜區域。在完成酸蝕過程後,再使用溶劑將感光乳劑保護層剝除,以露出其蓋護下的氧化層。這時晶圓表面所蝕刻出的導電和絕緣區域的圖樣,就是光罩所刻電路圖樣的縮小翻版。
薄膜沉積:利用上述光罩和酸蝕的方法,再行蒸鍍加上一層不同物質???薄膜圖樣。這層薄膜材質可以是矽或金屬等。另在預留的摻雜區域摻入雜質原子,使成為n型或p型半導體。
疊加:重複以上的步驟,按需要疊加層數,構成三維的電路結構。當前所製出的最複雜的積體電路甚至加到二十多層。
電極:在特留的空隙處,蒸鍍金屬(常用鋁),作為電極或連接導線之用。
待將製成的半導體元件檢測完成,即可將晶圓切割成晶片(chip)或晶粒(die),此為一完整的電路。一個晶圓可以同時製作出上百個完全相同的晶片。
再將這些晶片個別的連接導線(0.025mm的鋁線或金線)、封裝(封裝在塑膠殼內,作為保護之用)即完成一實用的積體電路。
在IC製作中使用的晶圓面積愈大,則一次製作所能產出的晶片數目就愈多,每個晶片分擔的成本就愈低。現時已進行商業化生產的最大晶圓直徑為12吋。同時在晶片上所蝕刻的線條尺寸愈微小,得到的晶片可以愈小並且愈省電。目前已發展出0.13微米的製程,並朝更小的尺寸(次微米、奈米)進行研發。
積體電路技術的進展
年代1988199119942000晶圓尺寸(直徑,英吋)66812晶粒尺寸(cm2)0.30.82.010元件密度(百萬個/cm2)10203060
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