半導(dǎo)體制造發(fā)展歷史與幾大難點-半導(dǎo)體制造難在哪里

半導(dǎo)體制造發(fā)展歷史

半導(dǎo)體制造難在哪里？是本文的重點，希望對大家有所幫助。

（1）20世紀(jì)50年代——晶體管技術(shù)

自從1947年貝爾實驗室的第一個晶體管發(fā)明以來，20世紀(jì)50年代是各種半導(dǎo)體晶體管技術(shù)發(fā)展豐收的時期。

第一個晶體管用鍺半導(dǎo)體材料。

第一個制造硅晶體管的是德州儀器公司。

（2）20世紀(jì)60年代——改進工藝

此階段，半導(dǎo)體制造商重點在工藝技術(shù)的改進，致力于提高集成電路性能以及降低成本。由于半導(dǎo)體制造的工藝性涉及多個行業(yè)，專門從事供應(yīng)的行業(yè)發(fā)展起來以提供硅片制造需要的化學(xué)材料和設(shè)備。

眾多高技術(shù)公司于20世紀(jì)60年代成立：

1968年，成立英特爾公司。

1969年，成立AMD。

（3）20世紀(jì)70年代——提升集成度

在20世紀(jì)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，隨著被市場應(yīng)用廣泛接受，產(chǎn)生了對更多芯片集成在一起的需求。大規(guī)模級的集成電路僅存在了幾年，就被超大規(guī)模集成電路迅速取代，超大規(guī)模集成電路是20世紀(jì)70年代末的集成標(biāo)準(zhǔn)。

（4）20世紀(jì)80年代——實現(xiàn)自動化

20世紀(jì)80年代，個人計算機產(chǎn)業(yè)的成長點燃了硬件和軟件的需求，同時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。隨著這些發(fā)展，美國半導(dǎo)體公司由于競爭力弱大為震驚，甚至恐慌。到20世紀(jì)80年代中期，日本幾乎完全占領(lǐng)了快速增長和技術(shù)需求的DRAM (動態(tài)隨機存儲器)市場份額。

1987年在美國國防部指導(dǎo)下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界成立了SEMATECH。一是開發(fā)關(guān)于制造設(shè)備的規(guī)范和變革全行業(yè)的政策，二是應(yīng)對來自日本競爭威脅。

美國的公司強調(diào)改善半導(dǎo)體設(shè)備、制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如實現(xiàn)半導(dǎo)體制造設(shè)備、晶圓加工流程的自動化，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(guī)模集成電路發(fā)展，芯片設(shè)計方法變化、特征尺寸減小。這些變化向工藝制造提出挑戰(zhàn)，需要綜合工藝的開發(fā)，實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

（5）20世紀(jì)90年代——高效率批量生產(chǎn)

在20世紀(jì)90年代，半導(dǎo)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生存，制造商在約定的時間內(nèi)，生產(chǎn)出復(fù)雜的高質(zhì)量芯片是至關(guān)重要的。

半導(dǎo)體設(shè)備是高度自動化的，先進的材料傳送系統(tǒng)在工作站之間移動硅片無須入工干涉。軟件系統(tǒng)控制了幾乎所有設(shè)備功能，包括故障查詢診斷。技師和工程師干預(yù)下載生產(chǎn)菜單到設(shè)備軟件數(shù)據(jù)庫，并翻譯軟件診斷命令，以采取正確的設(shè)備維護行動。

半導(dǎo)體制造五大難點—集成眾多子系統(tǒng)的大系統(tǒng)

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

同時，涉及如此眾多產(chǎn)業(yè)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，也推動經(jīng)濟發(fā)展。因為，半導(dǎo)體產(chǎn)品的性能逐漸提升，而成本降低、價格下降。從而滿足了市場對于高性能、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，分兩類。

一類是：高精細度、高集成度。

二類是：單點工藝技術(shù)、集成單點技術(shù)、批量生產(chǎn)技術(shù)。

第一，集成度越來越高

在一顆芯片上集成的晶體管的數(shù)量，越來越多，從20世紀(jì)60年代至今，從1個晶體管增加到100億以上。電路集成度越高，挑戰(zhàn)半導(dǎo)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(guī)模集成電路芯片。為達到此目標(biāo)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已變成高度標(biāo)準(zhǔn)化的，大多數(shù)制造商使用相似的制造工藝和設(shè)備。開發(fā)市場成功的關(guān)鍵是公司在合適的時間推出合適的產(chǎn)品的能力。

第二，對精度要求越來越高

精度高體現(xiàn)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(nèi)描述特征尺寸的術(shù)語是電路幾何尺寸。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(jié)構(gòu)圖看，關(guān)鍵尺寸是晶體管的柵長（下圖中的線寬）。

第三，單點技術(shù)突破難

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

復(fù)雜電路的制造工序超過500道工序，500道工序相當(dāng)于500個單點技術(shù)，并且，這些工序都是在精密儀器下進行，人類的肉眼是看不清楚的，給制造帶來很大的困難。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個獨立的生產(chǎn)區(qū)——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，需要將多個技術(shù)集成

結(jié)合單點技術(shù)，將電路植入硅片，構(gòu)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際生產(chǎn)的。

在制定工藝流程階段，單點技術(shù)的組合方式是無限的，即使是制造同樣集成度、同樣精密度的DRAM，不同半導(dǎo)體廠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(jié)構(gòu)也不同。

集成技術(shù)的難點在于，如何在短時間內(nèi)完成從無限的組件技術(shù)組合中，制定低成本、滿足規(guī)格且完全運行的工藝流程。

集成技術(shù)我們用通過乒乓球、足球來理解。半導(dǎo)體制造的單點技術(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。

第五，批量生產(chǎn)技術(shù)

將研發(fā)中心通過集成技術(shù)構(gòu)建的工藝流程移交給批量生產(chǎn)工廠，在硅片上植入符合目標(biāo)質(zhì)量要求的半導(dǎo)體并進行大量生產(chǎn)的技術(shù)就是批量生產(chǎn)技術(shù)。

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

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

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