半導體制造發(fā)展歷史與幾大難點(diǎn)-半導體制造難在哪里

半導體制造發(fā)展歷史

半導體制造難在哪里？是本文的重點(diǎn)，希望對大家有所幫助。

（1）20世紀50年代——晶體管技術(shù)

自從1947年貝爾實(shí)驗室的第一個(gè)晶體管發(fā)明以來(lái)，20世紀50年代是各種半導體晶體管技術(shù)發(fā)展豐收的時(shí)期。

第一個(gè)晶體管用鍺半導體材料。

第一個(gè)制造硅晶體管的是德州儀器公司。

（2）20世紀60年代——改進(jìn)工藝

此階段，半導體制造商重點(diǎn)在工藝技術(shù)的改進(jìn)，致力于提高集成電路性能以及降低成本。由于半導體制造的工藝性涉及多個(gè)行業(yè)，專(zhuān)門(mén)從事供應的行業(yè)發(fā)展起來(lái)以提供硅片制造需要的化學(xué)材料和設備。

眾多高技術(shù)公司于20世紀60年代成立：

1968年，成立英特爾公司。

1969年，成立AMD。

（3）20世紀70年代——提升集成度

在20世紀70年代初期，微處理器是德州儀器公司和英特爾公司發(fā)明的，隨著(zhù)被市場(chǎng)應用廣泛接受，產(chǎn)生了對更多芯片集成在一起的需求。大規模級的集成電路僅存在了幾年，就被超大規模集成電路迅速取代，超大規模集成電路是20世紀70年代末的集成標準。

（4）20世紀80年代——實(shí)現自動(dòng)化

20世紀80年代，個(gè)人計算機產(chǎn)業(yè)的成長(cháng)點(diǎn)燃了硬件和軟件的需求，同時(shí)面對日本集成電路制造商的競爭壓力，日本擴展他們的制造能力使得成品率和質(zhì)量達到了意想不到的水平。隨著(zhù)這些發(fā)展，美國半導體公司由于競爭力弱大為震驚，甚至恐慌。到20世紀80年代中期，日本幾乎完全占領(lǐng)了快速增長(cháng)和技術(shù)需求的DRAM (動(dòng)態(tài)隨機存儲器)市場(chǎng)份額。

1987年在美國國防部指導下，半導體產(chǎn)業(yè)界成立了SEMATECH。一是開(kāi)發(fā)關(guān)于制造設備的規范和變革全行業(yè)的政策，二是應對來(lái)自日本競爭威脅。

美國的公司強調改善半導體設備、制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如實(shí)現半導體制造設備、晶圓加工流程的自動(dòng)化，目的是大幅度減少工藝中的操作者，因為人是凈化間中的主要沾污源。

由于芯片快速向超大規模集成電路發(fā)展，芯片設計方法變化、特征尺寸減小。這些變化向工藝制造提出挑戰，需要綜合工藝的開(kāi)發(fā)，實(shí)現批量生產(chǎn)。

（5）20世紀90年代——高效率批量生產(chǎn)

在20世紀90年代，半導體產(chǎn)業(yè)競爭已經(jīng)變得更加激烈。要想在世界芯片市場(chǎng)生存，制造商在約定的時(shí)間內，生產(chǎn)出復雜的高質(zhì)量芯片是至關(guān)重要的。

半導體設備是高度自動(dòng)化的，先進(jìn)的材料傳送系統在工作站之間移動(dòng)硅片無(wú)須入工干涉。軟件系統控制了幾乎所有設備功能，包括故障查詢(xún)診斷。技師和工程師干預下載生產(chǎn)菜單到設備軟件數據庫，并翻譯軟件診斷命令，以采取正確的設備維護行動(dòng)。

半導體制造五大難點(diǎn)—集成眾多子系統的大系統

伴隨著(zhù)芯片的集成度越來(lái)越高、半導體制造的先進(jìn)程度也逐漸提升。半導體產(chǎn)業(yè)包含越來(lái)越多的機械、化工、軟件、材料等其它領(lǐng)域，是集成了很多子系統的大系統。

同時(shí)，涉及如此眾多產(chǎn)業(yè)的半導體產(chǎn)業(yè)，也推動(dòng)經(jīng)濟發(fā)展。因為，半導體產(chǎn)品的性能逐漸提升，而成本降低、價(jià)格下降。從而滿(mǎn)足了市場(chǎng)對于高性能、低成本需求。

如此高度行業(yè)集成的產(chǎn)業(yè)，具有五大難點(diǎn)，分兩類(lèi)。

一類(lèi)是：高精細度、高集成度。

二類(lèi)是：?jiǎn)吸c(diǎn)工藝技術(shù)、集成單點(diǎn)技術(shù)、批量生產(chǎn)技術(shù)。

第一，集成度越來(lái)越高

在一顆芯片上集成的晶體管的數量，越來(lái)越多，從20世紀60年代至今，從1個(gè)晶體管增加到100億以上。電路集成度越高，挑戰半導體制造工藝的能力，在可接受的成本條件下改善工藝技術(shù)，以生產(chǎn)高級程度的大規模集成電路芯片。為達到此目標，半導體產(chǎn)業(yè)已變成高度標準化的，大多數制造商使用相似的制造工藝和設備。開(kāi)發(fā)市場(chǎng)成功的關(guān)鍵是公司在合適的時(shí)間推出合適的產(chǎn)品的能力。

第二，對精度要求越來(lái)越高

精度高體現在關(guān)鍵尺寸（CD），芯片上的物理尺寸特征被成為特征尺寸，業(yè)內描述特征尺寸的術(shù)語(yǔ)是電路幾何尺寸。通俗理解是，關(guān)鍵尺寸越小，工藝加工難度越大。

關(guān)鍵尺寸從1988年的1um，減小到2020年的5nm，減少了99.5%。從此角度看，集成電路制造的難度在逐漸提升，難度提升的加速度也在變大。

從晶體管結構圖看，關(guān)鍵尺寸是晶體管的柵長(cháng)（下圖中的線(xiàn)寬）。

第三，單點(diǎn)技術(shù)突破難

構成半導體制造工序的最小單位的工藝技術(shù)就是單點(diǎn)技術(shù)，或者組件技術(shù)。集成電路制造就是在硅片上執行一系列復雜的化學(xué)或者物理操作。

復雜電路的制造工序超過(guò)500道工序，500道工序相當于500個(gè)單點(diǎn)技術(shù)，并且，這些工序都是在精密儀器下進(jìn)行，人類(lèi)的肉眼是看不清楚的，給制造帶來(lái)很大的困難。以最典型的CMOS工藝為例，涉及到以下步驟。

我們將上圖眾多步驟劃分為6個(gè)獨立的生產(chǎn)區——擴散(包括氧化、膜淀積和摻雜工藝)、光刻、刻蝕、薄膜、離子注入和拋光。

第四，需要將多個(gè)技術(shù)集成

結合單點(diǎn)技術(shù)，將電路植入硅片，構建此工藝流程的技術(shù)就是集成技術(shù)。例如在生產(chǎn)DRAM需要500道以上工序，該流程先在研發(fā)中心制定，且制定的流程是可以實(shí)際生產(chǎn)的。

在制定工藝流程階段，單點(diǎn)技術(shù)的組合方式是無(wú)限的，即使是制造同樣集成度、同樣精密度的DRAM，不同半導體廠(chǎng)家采取的方式也各不相同。此外，不同的技術(shù)集成人員的工藝流程結構也不同。

集成技術(shù)的難點(diǎn)在于，如何在短時(shí)間內完成從無(wú)限的組件技術(shù)組合中，制定低成本、滿(mǎn)足規格且完全運行的工藝流程。

集成技術(shù)我們用通過(guò)乒乓球、足球來(lái)理解。半導體制造的單點(diǎn)技術(shù)我們中國人可以突破，就跟單人體育的乒乓球一樣，中國人可以全球拿冠軍。但是，把這些單點(diǎn)技術(shù)組合到一起，就跟11人的足球隊伍一樣，組合到一起就不能拿冠軍。這就是集成技術(shù)的難點(diǎn)。

第五，批量生產(chǎn)技術(shù)

將研發(fā)中心通過(guò)集成技術(shù)構建的工藝流程移交給批量生產(chǎn)工廠(chǎng)，在硅片上植入符合目標質(zhì)量要求的半導體并進(jìn)行大量生產(chǎn)的技術(shù)就是批量生產(chǎn)技術(shù)。

真正嚴格意義上的精確復制基本是不可能的。即使開(kāi)發(fā)中心和批量生產(chǎn)工廠(chǎng)的設備相同，在同樣的工藝條件下也未必能夠得到同樣的結果。一般情況下難以得到相同的結果。

這是因為即使是同樣的設備，兩臺機器之間也會(huì )存在微小的性能差異。這種差異稱(chēng)作機差。機差可以說(shuō)是半導體制造設備廠(chǎng)家在生產(chǎn)同一型號的設備時(shí)，因不可控因素的存在而可能產(chǎn)生的設備差異。隨著(zhù)半導體精密化程度的不斷提高，機差問(wèn)題也日益顯著(zhù)。

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