成大光電系林俊宏教授

成大奈米科技研究中心 鍾崇仁博士

2-8-2017

種子教師研習營

前瞻奈米製程－樂高奈米建築師

奈米科技創新教育資源之研發與推廣中心

生活化

、實

體化、e化

之創

新教

具艱

深、

複雜

之半導體

製程技術

3D-IC 矽穿孔離子蝕刻製程• 離子蝕刻機制• 蝕刻率• 深寬比• 蝕刻選擇比

杜拜哈里發塔• Top-down vs bottom-up• 深寬比概念• Bosch製程樂高演繹• 動手做3D-IC樂高

奈米半導體製程• 奈米微影• 奈米蝕刻• 介電材料• 電路連結

建造大樓• 地基• 鋼筋水泥• 管道• 動手做半導體製程樂高

前瞻奈米製程－樂高奈米建築師

半導體製程可以做什麼？

微機電系統(MEMS) 積體電路(IC)晶片 生物晶片

平面顯示器 積體光學 發光二極體(LED)

電晶體-電的開關

http://www.cs.bu.edu/~best/courses/modules/Transistors2Gates/

金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)

蕭宏,半導體製程技術導論(第三版), 第三章

半導體製程流程示意圖

https://en.wikipedia.org/wiki/CMOS

• 微影(lithography)• 薄膜沈積(grow thinfilm)• 蝕刻(etch)• 離子佈值(diffuse/implant)

減法與加法

• 薄膜沉積：藉由化學或物理的方法(CVD /pvd)，將所需材料層，沉積於矽晶圓上

蝕刻 ( E T C H I N G )：用化學或物理的方法，去除不需要的部分，保留設計

圖 片出處 ：1 . H T T P : / / W W W . I N T E C H O P E N . C O M / B O O K S / A D V A N C E S - I N - G R A P H E N E - S C I E N C E / L A S E R - B A S E D - F A B R I C A T I O N - O F - G R A P H E N E2 . H T T P : / / W W W . S L I D E S H A R E . N E T / A V I F O R U 1 2 / L I T H O G R A P H Y - F A B R I C A T I O N - P P T

微影製程( P H O TO L I T H O G R A P H Y )：利用光學技術，將所需設計轉印於薄膜上

為什麼要『小』？

• 為何元件要越做越小？

–減少每個電晶體開關所需電流

• 省電、減少發熱。

–降低IC晶片的製作成本

2P VI I R= =

8

Moore’s Law Intel co-founder Gordon Moore notices in 1964

Number of transistors doubled every 12 months Slowed down in the 1980s to every 18 months

Amazingly still correct likely to keep until 2010

With Moore’s Law, IC products can reach low costs, improve performance, and increase the functions.

Gordon MooreIntel Co-Founder and Chairmain Emeritus

半導體製程節點

350 nm – 1995年250 nm – 1997年180 nm – 1999年130 nm – 2001年90 nm – 2004年65 nm – 2006年45 nm – 2008年32 nm – 2010年22 nm – 2012年14 nm – 2014年10 nm – 2017年7 nm – 約2018年5 nm – 約2020年

28nm 製程節點晶片

20nm

14nm

10nm

https://en.wikipedia.org/wiki/Die_shrink

魔術數字？

半導體製程最先進量產技術

掃瞄電子顯微鏡(SEM)

穿透式電子顯微鏡(TEM)

光學顯微鏡

製造能力 觀測極限

蘋果公司近幾代系統單晶片的效能和規格

Apple SoC CPU效能 GPU效能 晶粒大小 電晶體 製程

A5 (iPhone 4s) ~13x ~20x 122mm2 <10億 45nm 三星

A6 (iPhone 5) ~26x ~34x 97mm2 <10億 32nm 三星

A7 (iPhone 5s) 40x 56x 102mm2 >10億 28nm 三星

A8 (iPhone 6) 50x 86x 89mm2 ~20億 20nm 台積電

A9 (iPhone 6s) 96mm2

104.5mm2 >20億 14nm 三星16nm 台積電

A10 (iPhone 7) 125mm2 ~33億 16nm 台積電

http://www.anandtech.com/show/8514/analyzing-apples-a8-soc-gx6650-more

https://en.wikipedia.org/wiki/Apple_mobile_application_processors

2012至2016年全球3D IC市場的年複合成長率為19.7%

超越摩爾定律“More-than-Moore” (MtM)

為什麼要『大』？晶圓尺寸的演進

為什麼要『大』？玻璃世代尺寸的演進

http://www.innolux.com/Pages%2ftw%2fTechnology%2fPanel_Size_Evolution_tw.html

12 metal layers / through-silicon via (TSV)

半導體製程能力之現況

16

Via 1

Via 2

Via 3

Via 4

Via 5

Institute of Microelectronics新加坡微電子研究院

100 um

12um

Prior artGlobalFoundries 2.5 / 3D at 20nm

6 um

60 um

UMC / STATS5 um

50 um

IMEC,校際微電子中心,比利時

100 m828 m

AR = 8.28

Lithography平版印刷, 微影

• from Greek λίθος, lithos, "stone" and γράφειν, graphein, "to write"

光學微影 • 光學• 幾何光學• 物理光學• 傅氏光學• 光學薄膜• 光電子學

• 數值模擬• 機密機械• 流體力學• 光阻(感光底片)化學• 材料科學• 自動控制

光學系統的解析度

1RNA

k λ=

Numerical Aperture 數值孔徑Name Wavelength (nm)

Feature size (nm)

Mercury Lamp

G-line 436 500

Mercury Lamp

I-line 365 350 to 250

Excimer Laser

KrF(DUV)

248 250 to 130

Excimer Laser

ArF(DUV)

193 180 to 7

Extreme UV

EUV 13.5 Below 7

光的繞射與光學系統解析度

1RNA

k λ=

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/anatomy/numaperture.html

光學系統解析度與光源波長的關係

https://en.wikipedia.org/wiki/Blu-ray

“水”可提昇光學系統解析度？

原來”水”可抑制光的全反射！

F.L. Pedrotti, Introduction to Optics, 3rd Ed., 2007http://www.nature.com/scientificamerican/journal/v293/n1/box/scientificamerican0705-64_BX1.html/

2211 sinsin θθ nn =Snell’s law:

)(sin

)90sin(sin

1

21

1

2

nn

nn

c

c

−=

=

θ

θ

Total internal refraction

微影製程流程示意圖

8) Develop inspect5) Post-exposure bake

6) Develop 7) Hard bake

UV Light

Mask

λ

λ

4) Alignmentand Exposure

Resist

2) Spin coat 3) Soft bake1) Vapor prime

HMDS

Figure 13.9

Michael Quirk, Julian Serda, Semiconductor Manufacturing Technology, 2001.

光源

光罩(Mask)

晶圓(wafer)

接觸式曝光機

Illuminator

Alignment scope (split

vision)

Mask

Wafer

Vacuum chuck

Mask stage (X, Y , Z , θ)

Wafer stage (X, Y, Z, θ)

Mercury arc lamp

Figure 14.32

Michael Quirk, Julian Serda, Semiconductor Manufacturing Technology, 2001.

• 微影製程必須在無塵室裡進行，首先你必須穿的像這樣

• 然後在這樣的環境下進行製程

光與影的生產術 – 奈米微影製程

圖 片 出 處 ： H T T P S : / / S I T E S . G O O G L E . C O M / S I T E / S M R J O S E R A M O N / D E - A - A R E N A - A L - S I L I C I O

• 為了讓微影的概念更生活化，在這裡使用日光顯影實驗做說明

光阻塗佈Coating

UV曝光Exposure

顯影Develop

清水沖洗

成像Pattern

化學反應Reaction

材料•檸檬酸鐵銨 (常溫常壓下穩定之化合物)•鐵氰化鉀 (常溫常壓下穩定之化合物)•純水•燒杯•攪拌玻棒•pp廣口瓶•美術紙•水彩筆•印表機用透明膠片

•實驗步驟1. 將檸檬酸鐵銨與純水，依重量比1:4配製成溶液2. 將鐵氰化鉀與純水，依重量比1:10配製成溶液3. 將兩溶液等比例混合於PP瓶中，即為感光液(概念：光阻)4. 取透明膠片製作曝光用光罩5. 取美術紙塗佈感光液後，進行日光曝曬，最後以清水泡洗得到預期圖案(概念：微影

製程：塗佈Coating →曝光Exposure →顯影Development)

正光阻：顯影後圖形與光罩相同

負光阻：顯影後圖形與光罩互補(本計畫示範)

從『沙』到『晶片』如何製作IC晶片？

https://www.youtube.com/watch?v=wOuYLq6vfLE

Thank you for your attention!

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成功大學奈米創新科技 種子教師研習營 - 2017 - 半導體微影實作

成功大學奈米創新科技 種子教師研習營 - 2017 - 半導體微影實作