半導體制造發展歷史與幾大難點-半導體制造難在哪里-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-03-23
半導體制造難在哪里？是本文的重點，希望對大家有所幫助。
（1）20世紀50年代——晶體管技術
自從1947年貝爾實驗室的第一個晶體管發明以來，20世紀50年代是各種半導體晶體管技術發展豐收的時期。
第一個晶體管用鍺半導體材料。
第一個制造硅晶體管的是德州儀器公司。
（2）20世紀60年代——改進工藝
此階段，半導體制造商重點在工藝技術的改進，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行業，專門從事供應的行業發展起來以提供硅片制造需要的化學材料和設備。
眾多高技術公司于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明的，隨著被市場應用廣泛接受，產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——實現自動化
20世紀80年代，個人計算機產業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量達到了意想不到的水平。隨著這些發展，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，日本幾乎完全占領了快速增長和技術需求的DRAM (動態隨機存儲器)市場份額。
1987年在美國國防部指導下，半導體產業界成立了SEMATECH。一是開發關于制造設備的規范和變革全行業的政策，二是應對來自日本競爭威脅。
美國的公司強調改善半導體設備、制造效率和產品質量。例如實現半導體制造設備、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模集成電路發展，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，需要綜合工藝的開發，實現批量生產。
（5）20世紀90年代——高效率批量生產
在20世紀90年代，半導體產業競爭已經變得更加激烈。要想在世界芯片市場生存，制造商在約定的時間內，生產出復雜的高質量芯片是至關重要的。
半導體設備是高度自動化的，先進的材料傳送系統在工作站之間移動硅片無須入工干涉。軟件系統控制了幾乎所有設備功能，包括故障查詢診斷。技師和工程師干預下載生產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。
伴隨著芯片的集成度越來越高、半導體制造的先進程度也逐漸提升。半導體產業包含越來越多的機械、化工、軟件、材料等其它領域，是集成了很多子系統的大系統。
同時，涉及如此眾多產業的半導體產業，也推動經濟發展。因為，半導體產品的性能逐漸提升，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。
如此高度行業集成的產業，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、集成單點技術、批量生產技術。
第一，集成度越來越高
在一顆芯片上集成的晶體管的數量，越來越多，從20世紀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，以生產高級程度的大規模集成電路芯片。為達到此目標，半導體產業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。開發市場成功的關鍵是公司在合適的時間推出合適的產品的能力。
第二，對精度要求越來越高
精度高體現在關鍵尺寸（CD），芯片上的物理尺寸特征被成為特征尺寸，業內描述特征尺寸的術語是電路幾何尺寸。通俗理解是，關鍵尺寸越小，工藝加工難度越大。
關鍵尺寸從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，關鍵尺寸是晶體管的柵長（下圖中的線寬）。
第三，單點技術突破難
構成半導體制造工序的最小單位的工藝技術就是單點技術，或者組件技術。集成電路制造就是在硅片上執行一系列復雜的化學或者物理操作。
復雜電路的制造工序超過500道工序，500道工序相當于500個單點技術，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，需要將多個技術集成
結合單點技術，將電路植入硅片，構建此工藝流程的技術就是集成技術。例如在生產DRAM需要500道以上工序，該流程先在研發中心制定，且制定的流程是可以實際生產的。
在制定工藝流程階段，單點技術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，不同半導體廠家采取的方式也各不相同。此外，不同的技術集成人員的工藝流程結構也不同。
集成技術的難點在于，如何在短時間內完成從無限的組件技術組合中，制定低成本、滿足規格且完全運行的工藝流程。
集成技術我們用通過乒乓球、足球來理解。半導體制造的單點技術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。這就是集成技術的難點。
第五，批量生產技術
將研發中心通過集成技術構建的工藝流程移交給批量生產工廠，在硅片上植入符合目標質量要求的半導體并進行大量生產的技術就是批量生產技術。
真正嚴格意義上的精確復制基本是不可能的。即使開發中心和批量生產工廠的設備相同，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。機差可以說是半導體制造設備廠家在生產同一型號的設備時，因不可控因素的存在而可能產生的設備差異。隨著半導體精密化程度的不斷提高，機差問題也日益顯著。
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