半导体制造发展历史与几大难点-半导体制造难在哪里

半导体制造发展历史

半导体(ti)制造难(nan)在哪里？是本文的重点(dian)，希望对大家有所帮助(zhu)。

（1）20世纪50年代——晶体管技术

自从1947年贝尔实验室(shi)的第一(yi)个晶体管发明(ming)以来，20世纪50年代是(shi)各种半导体晶体管技术(shu)发展丰收(shou)的时期。

第一个晶体(ti)管用锗半(ban)导(dao)体(ti)材料。

第一个制造(zao)硅晶体(ti)管(guan)的是德州仪器公司。

（2）20世纪60年代——改进工艺

此(ci)阶段，半(ban)导(dao)体制造商(shang)重(zhong)点(dian)在(zai)工艺(yi)技术的改进，致力于(yu)提(ti)高集成(cheng)电路性(xing)能以及降低成(cheng)本。由于(yu)半(ban)导(dao)体制造的工艺(yi)性(xing)涉及多个行(xing)业，专门从事供应的行(xing)业发展起来以提(ti)供硅(gui)片制造需要的化(hua)学材(cai)料(liao)和设备。

众多高技术公司于20世纪60年代成立：

1968年(nian)，成立英特尔公(gong)司。

1969年，成立AMD。

（3）20世纪70年代——提升集成度

在20世纪(ji)70年代初期，微处理(li)器是(shi)德州仪(yi)器公(gong)司和(he)英特(te)尔公(gong)司发明的(de)(de)，随着(zhe)被市场应用广(guang)泛接受，产生了对更多芯片集(ji)成(cheng)在一(yi)起(qi)的(de)(de)需求。大(da)规(gui)(gui)模级的(de)(de)集(ji)成(cheng)电路仅(jin)存在了几年，就被超(chao)大(da)规(gui)(gui)模集(ji)成(cheng)电路迅速取代，超(chao)大(da)规(gui)(gui)模集(ji)成(cheng)电路是(shi)20世纪(ji)70年代末的(de)(de)集(ji)成(cheng)标准。

（4）20世纪80年代——实现自动化

20世纪80年代，个人计(ji)算机产业的(de)(de)成长(zhang)点燃了(le)硬件(jian)和软件(jian)的(de)(de)需(xu)求(qiu)，同(tong)时面对日(ri)本集成电路制造商的(de)(de)竞争(zheng)压力(li)，日(ri)本扩展(zhan)他们的(de)(de)制造能力(li)使得成品率和质(zhi)量达到(dao)(dao)(dao)了(le)意想不到(dao)(dao)(dao)的(de)(de)水平。随(sui)着(zhe)这些发展(zhan)，美国(guo)半导体公司(si)由(you)于竞争(zheng)力(li)弱大为(wei)震惊，甚至恐慌。到(dao)(dao)(dao)20世纪80年代中(zhong)期，日(ri)本几(ji)乎完全占(zhan)领(ling)了(le)快速增长(zhang)和技术需(xu)求(qiu)的(de)(de)DRAM (动态随(sui)机存(cun)储器)市(shi)场份额。

1987年在美国(guo)国(guo)防部指导(dao)下，半导(dao)体产业界成立了SEMATECH。一是(shi)开发关于制造设备的(de)规(gui)范和变革全行业的(de)政策，二(er)是(shi)应对来自(zi)日本竞争威胁(xie)。

美国的(de)(de)公司强调改善半导体(ti)设(she)备(bei)、制(zhi)造效率和(he)产品质量(liang)。例如(ru)实现(xian)半导体(ti)制(zhi)造设(she)备(bei)、晶圆(yuan)加工流程的(de)(de)自动化，目的(de)(de)是大幅度减(jian)少工艺(yi)中(zhong)的(de)(de)操作者，因为人是净化间中(zhong)的(de)(de)主要(yao)沾污源。

由于芯(xin)片快速向超(chao)大规模集成(cheng)电(dian)路发展，芯(xin)片设(she)计方法变化、特征尺(chi)寸减小。这些变化向工(gong)艺(yi)制造提出挑战，需(xu)要综合工(gong)艺(yi)的开发，实现批量生产(chan)。

（5）20世纪90年代——高效率批量生产

在(zai)20世纪90年代，半导体(ti)产业竞争(zheng)已经(jing)变得更(geng)加激烈(lie)。要(yao)想(xiang)在(zai)世界芯片市场生存，制造商(shang)在(zai)约定的时(shi)间内，生产出(chu)复杂的高质量芯片是至关(guan)重要(yao)的。

半(ban)导体设(she)(she)(she)备是(shi)高度(du)自动化的(de)(de)，先(xian)进的(de)(de)材料传(chuan)送系(xi)统在工(gong)作(zuo)站之间(jian)移动硅片(pian)无须入工(gong)干(gan)涉。软(ruan)件系(xi)统控制了几乎所有设(she)(she)(she)备功能，包(bao)括故障查询(xun)诊断。技师(shi)(shi)和(he)工(gong)程师(shi)(shi)干(gan)预下载生产菜单到设(she)(she)(she)备软(ruan)件数据库，并(bing)翻(fan)译软(ruan)件诊断命令，以(yi)采取正(zheng)确的(de)(de)设(she)(she)(she)备维护(hu)行动。

半导体制造五大难点—集成众多子系统的大系统

伴随着芯片的集成(cheng)度越来越高、半(ban)导体制(zhi)造的先进程(cheng)度也逐渐提(ti)升(sheng)。半(ban)导体产(chan)业包含越来越多的机械、化工、软(ruan)件、材料等(deng)其它领域，是集成(cheng)了很多子系统的大系统。

同时，涉及如此众(zhong)多产(chan)业的(de)半导体(ti)产(chan)业，也推(tui)动(dong)经(jing)济发展(zhan)。因为(wei)，半导体(ti)产(chan)品(pin)的(de)性能(neng)逐渐提(ti)升，而(er)成本(ben)降(jiang)低(di)、价格下降(jiang)。从(cong)而(er)满足了市场对于高性能(neng)、低(di)成本(ben)需求。

如此高度行业集成的产业，具有五大难点(dian)，分两(liang)类(lei)。

一(yi)类是：高精(jing)细度、高集成度。

二类是：单点(dian)工艺(yi)技术(shu)、集成单点(dian)技术(shu)、批量生产技术(shu)。

第一，集成度越来越高

在(zai)(zai)一颗芯(xin)片上(shang)集成(cheng)的(de)(de)(de)(de)晶体管的(de)(de)(de)(de)数量，越(yue)来越(yue)多(duo)，从(cong)20世纪60年代至今(jin)，从(cong)1个晶体管增加到100亿以上(shang)。电路集成(cheng)度(du)越(yue)高(gao)(gao)，挑战半(ban)(ban)导体制(zhi)(zhi)造(zao)工艺(yi)的(de)(de)(de)(de)能力(li)，在(zai)(zai)可(ke)接受(shou)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)本(ben)条件下改善工艺(yi)技术，以生产高(gao)(gao)级程度(du)的(de)(de)(de)(de)大(da)规模集成(cheng)电路芯(xin)片。为达到此目(mu)标，半(ban)(ban)导体产业已变(bian)成(cheng)高(gao)(gao)度(du)标准化的(de)(de)(de)(de)，大(da)多(duo)数制(zhi)(zhi)造(zao)商(shang)使用相似的(de)(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)造(zao)工艺(yi)和设(she)备。开发(fa)市场成(cheng)功(gong)的(de)(de)(de)(de)关键是公(gong)司在(zai)(zai)合(he)适(shi)的(de)(de)(de)(de)时(shi)间推出合(he)适(shi)的(de)(de)(de)(de)产品的(de)(de)(de)(de)能力(li)。

第二，对精度要求越来越高

精度高体现在关键尺寸（CD），芯片上的物(wu)理尺寸特征(zheng)被(bei)成为特征(zheng)尺寸，业内描述特征(zheng)尺寸的术语是(shi)电路(lu)几何尺寸。通俗理解是(shi)，关键尺寸越(yue)小，工艺加工难度越(yue)大(da)。

关(guan)键尺寸从1988年的1um，减(jian)(jian)小到2020年的5nm，减(jian)(jian)少了99.5%。从此角度(du)看，集成电路制(zhi)造(zao)的难度(du)在(zai)逐渐提升，难度(du)提升的加(jia)速度(du)也在(zai)变大。

从晶体管(guan)结构图(tu)看，关(guan)键(jian)尺寸是晶体管(guan)的(de)栅长（下图(tu)中的(de)线宽(kuan)）。

第三，单点技术突破难

构成(cheng)(cheng)半导体制(zhi)造工序的(de)(de)最小单位的(de)(de)工艺(yi)技术就(jiu)是单点技术，或(huo)(huo)者(zhe)组件(jian)技术。集(ji)成(cheng)(cheng)电(dian)路制(zhi)造就(jiu)是在硅片上(shang)执行一系(xi)列复杂的(de)(de)化学(xue)或(huo)(huo)者(zhe)物理操作。

复杂电路的制(zhi)造工(gong)序(xu)超过(guo)500道工(gong)序(xu)，500道工(gong)序(xu)相当于500个单(dan)点技术，并且(qie)，这些(xie)工(gong)序(xu)都(dou)是在精密(mi)仪器(qi)下进行，人类(lei)的肉眼是看不清楚的，给制(zhi)造带来很大的困(kun)难。以最典型的CMOS工(gong)艺(yi)为例，涉(she)及到以下步骤(zhou)。

我们将上图众多(duo)步(bu)骤划分(fen)为6个独立的(de)生产区——扩散(san)(包括(kuo)氧化、膜淀积和(he)(he)掺杂工艺)、光刻(ke)(ke)、刻(ke)(ke)蚀、薄膜、离(li)子注入(ru)和(he)(he)抛光。

第四，需要将多个技术集成

结(jie)合单点技(ji)术(shu)，将(jiang)电路植入硅(gui)片，构建此工艺流程(cheng)的(de)技(ji)术(shu)就(jiu)是集(ji)成技(ji)术(shu)。例如在生(sheng)产DRAM需要(yao)500道以上工序，该(gai)流程(cheng)先在研(yan)发(fa)中(zhong)心制定，且制定的(de)流程(cheng)是可以实际(ji)生(sheng)产的(de)。

在(zai)制定(ding)工艺(yi)流程阶(jie)段，单点技术(shu)的(de)(de)组合方式(shi)是无限的(de)(de)，即(ji)使是制造同(tong)(tong)样(yang)(yang)集(ji)成(cheng)度(du)、同(tong)(tong)样(yang)(yang)精密度(du)的(de)(de)DRAM，不同(tong)(tong)半(ban)导(dao)体厂(chang)家采(cai)取的(de)(de)方式(shi)也(ye)各不相同(tong)(tong)。此外，不同(tong)(tong)的(de)(de)技术(shu)集(ji)成(cheng)人员的(de)(de)工艺(yi)流程结构(gou)也(ye)不同(tong)(tong)。

集成(cheng)技术(shu)的难点在(zai)于，如何在(zai)短时间内完成(cheng)从无限的组件技术(shu)组合中，制定低成(cheng)本、满足规格(ge)且完全运行的工(gong)艺流程。

集成技(ji)术我们(men)用通过乒(ping)乓球(qiu)、足球(qiu)来理解(jie)。半导体(ti)制造的(de)(de)单点(dian)技(ji)术我们(men)中国人(ren)可(ke)以(yi)突破(po)，就跟单人(ren)体(ti)育的(de)(de)乒(ping)乓球(qiu)一(yi)样，中国人(ren)可(ke)以(yi)全球(qiu)拿冠军。但是，把这(zhei)些单点(dian)技(ji)术组合到一(yi)起，就跟11人(ren)的(de)(de)足球(qiu)队(dui)伍一(yi)样，组合到一(yi)起就不能拿冠军。这(zhei)就是集成技(ji)术的(de)(de)难点(dian)。

第五，批量生产技术

将(jiang)研(yan)发中心通过集(ji)成技(ji)术构(gou)建(jian)的(de)(de)工艺流程移(yi)交给(ji)批(pi)(pi)量生(sheng)产工厂，在硅片(pian)上植入符合目标质量要求的(de)(de)半导(dao)体并进行大量生(sheng)产的(de)(de)技(ji)术就是批(pi)(pi)量生(sheng)产技(ji)术。

真正严格意义(yi)上的(de)精确复制基本是不可(ke)能的(de)。即使开发中心和批量生产工厂的(de)设(she)备相同，在(zai)同样(yang)的(de)工艺条件下也未必能够得到(dao)同样(yang)的(de)结(jie)果。一(yi)般情(qing)况下难(nan)以得到(dao)相同的(de)结(jie)果。

这是因为即使是同样(yang)的(de)设备(bei)，两(liang)台机(ji)器之(zhi)间也会存(cun)在微小的(de)性能(neng)差(cha)(cha)异(yi)。这种差(cha)(cha)异(yi)称作(zuo)机(ji)差(cha)(cha)。机(ji)差(cha)(cha)可以(yi)说是半导(dao)(dao)体制造设备(bei)厂家在生产同一型号的(de)设备(bei)时(shi)，因不可控(kong)因素的(de)存(cun)在而可能(neng)产生的(de)设备(bei)差(cha)(cha)异(yi)。随着半导(dao)(dao)体精密化程度的(de)不断提高，机(ji)差(cha)(cha)问题也日益显著。

联系方式：邹先生(sheng)

联系电话：0755-83888366-8022

手(shou)机(ji)：18123972950

QQ：2880195519

联系(xi)地(di)址：深圳(zhen)市福(fu)田区车公庙天(tian)(tian)安数(shu)码城天(tian)(tian)吉大(da)厦CD座(zuo)5C1

请搜微信(xin)公众号:“KIA半(ban)导体”或扫(sao)一扫(sao)下图“关注(zhu)”官方(fang)微信(xin)公众号

请“关注”官方微信公众号:提(ti)供  MOS管(guan)  技术帮助