半導(dǎo)體制造發(fā)展歷史與幾大難點(diǎn)-半導(dǎo)體制造難在哪里-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-03-23
半導(dǎo)體制造難在哪里？是本文的重點(diǎn)，希望對(duì)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(shí)驗(yàn)室的第一個(gè)晶體管發(fā)明以來(lái)，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(shí)期。
第一個(gè)晶體管用鍺半導(dǎo)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(jì)60年代——改進(jìn)工藝
此階段，半導(dǎo)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(dǎo)體制造的工藝性涉及多個(gè)行業(yè)，專(zhuān)門(mén)從事供應(yīng)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(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(chǎng)應(yīng)用廣泛接受，產(chǎn)生了對(duì)更多芯片集成在一起的需求。大規(guī)模級(jí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化
20世紀(jì)80年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)點(diǎn)燃了硬件和軟件的需求，同時(shí)面對(duì)日本集成電路制造商的競(jìng)爭(zhēng)壓力，日本擴(kuò)展他們的制造能力使得成品率和質(zhì)量達(dá)到了意想不到的水平。隨著這些發(fā)展，美國(guó)半導(dǎo)體公司由于競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)和技術(shù)需求的DRAM (動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)市場(chǎng)份額。
1987年在美國(guó)國(guó)防部指導(dǎo)下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界成立了SEMATECH。一是開(kāi)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(duì)來(lái)自日本競(jìng)爭(zhēng)威脅。
美國(guó)的公司強(qiáng)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(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造設(shè)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?yàn)槿耸莾艋g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(jì)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(kāi)發(fā)，實(shí)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(jìng)爭(zhēng)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(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(dòng)化的，先進(jìn)的材料傳送系統(tǒng)在工作站之間移動(dòng)硅片無(wú)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(xún)?cè)\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(kù)，并翻譯軟件診斷命令，以采取正確的設(shè)備維護(hù)行動(dòng)。
伴隨著芯片的集成度越來(lái)越高、半導(dǎo)體制造的先進(jìn)程度也逐漸提升。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)包含越來(lái)越多的機(jī)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(shí)，涉及如此眾多產(chǎn)業(yè)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，也推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因?yàn)椋雽?dǎo)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(duì)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(xì)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(shù)量，越來(lái)越多，從20世紀(jì)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(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(jí)程度的大規(guī)模集成電路芯片。為達(dá)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(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(duì)精度要求越來(lái)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(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(jié)構(gòu)圖看，關(guān)鍵尺寸是晶體管的柵長(zhǎng)（下圖中的線(xiàn)寬）。
第三，單點(diǎn)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(diǎn)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(guò)500道工序，500道工序相當(dāng)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(dú)立的生產(chǎn)區(qū)——擴(kuò)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(jié)合單點(diǎn)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(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(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(diǎn)在于，如何在短時(shí)間內(nèi)完成從無(wú)限的組件技術(shù)組合中，制定低成本、滿(mǎn)足規(guī)格且完全運(yùn)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(dǎo)體制造的單點(diǎn)技術(shù)我們中國(guó)人可以突破，就跟單人體育的乒乓球一樣，中國(guó)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(duì)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(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(jìn)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(kāi)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?yàn)榧词故峭瑯拥脑O(shè)備，兩臺(tái)機(jī)器之間也會(huì)存在微小的性能差異。這種差異稱(chēng)作機(jī)差。機(jī)差可以說(shuō)是半導(dǎo)體制造設(shè)備廠家在生產(chǎn)同一型號(hào)的設(shè)備時(shí)，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(jī)差問(wèn)題也日益顯著。
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