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

半导体制造难在哪里？是本文的重点，希望对大家有所帮助。

（1）20世纪50年代——晶体管技术

自从1947年贝尔实验室的第一个晶体管发明以来，20世纪50年代是各种半导体晶体管技术发展丰收的时期。

第一个晶体管用锗半导体材料。

第一个制造硅晶体管的是德州仪器公司。

（2）20世纪60年代——改进工艺

此阶段，半导体制造商重点在工艺技术的改进，致力于提高集成电路性能以及降低成本。由于半导体制造的工艺性涉及多个行业，专门从事供应的行业发展起来以提供硅片制造需要的化学材料和设备。

众多高技术公司于20世纪60年代成立：

1968年，成立英特尔公司。

1969年，成立AMD。

（3）20世纪70年代——提升集成度

在20世纪70年代初期，微处理器是德州仪器公司和英特尔公司发明的，随着被市场应用广泛接受，产生了对更多芯片集成在一起的需求。大规模级的集成电路仅存在了几年，就被超大规模集成电路迅速取代，超大规模集成电路是20世纪70年代末的集成标准。

（4）20世纪80年代——实现自动化

20世纪80年代，个人计算机产业的成长点燃了硬件和软件的需求，同时面对日本集成电路制造商的竞争压力，日本扩展他们的制造能力使得成品率和质量达到了意想不到的水平。随着这些发展，美国半导体公司由于竞争力弱大为震惊，甚至恐慌。到20世纪80年代中期，日本几乎完全占领了快速增长和技术需求的DRAM (动态随机存储器)市场份额。

1987年在美国国防部指导下，半导体产业界成立了SEMATECH。一是开发关于制造设备的规范和变革全行业的政策，二是应对来自日本竞争威胁。

美国的公司强调改善半导体设备、制造效率和产品质量。例如实现半导体制造设备、晶圆加工流程的自动化，目的是大幅度减少工艺中的操作者，因为人是净化间中的主要沾污源。

由于芯片快速向超大规模集成电路发展，芯片设计方法变化、特征尺寸减小。这些变化向工艺制造提出挑战，需要综合工艺的开发，实现批量生产。

（5）20世纪90年代——高效率批量生产

在20世纪90年代，半导体产业竞争已经变得更加激烈。要想在世界芯片市场生存，制造商在约定的时间内，生产出复杂的高质量芯片是至关重要的。

半导体设备是高度自动化的，先进的材料传送系统在工作站之间移动硅片无须入工干涉。软件系统控制了几乎所有设备功能，包括故障查询诊断。技师和工程师干预下载生产菜单到设备软件数据库，并翻译软件诊断命令，以采取正确的设备维护行动。

半导体制造五大难点—集成众多子系统的大系统

伴随着芯片的集成度越来越高、半导体制造的先进程度也逐渐提升。半导体产业包含越来越多的机械、化工、软件、材料等其它领域，是集成了很多子系统的大系统。

同时，涉及如此众多产业的半导体产业，也推动经济发展。因为，半导体产品的性能逐渐提升，而成本降低、价格下降。从而满足了市场对于高性能、低成本需求。

如此高度行业集成的产业，具有五大难点，分两类。

一类是：高精细度、高集成度。

二类是：单点工艺技术、集成单点技术、批量生产技术。

第一，集成度越来越高

在一颗芯片上集成的晶体管的数量，越来越多，从20世纪60年代至今，从1个晶体管增加到100亿以上。电路集成度越高，挑战半导体制造工艺的能力，在可接受的成本条件下改善工艺技术，以生产高级程度的大规模集成电路芯片。为达到此目标，半导体产业已变成高度标准化的，大多数制造商使用相似的制造工艺和设备。开发市场成功的关键是公司在合适的时间推出合适的产品的能力。

第二，对精度要求越来越高

精度高体现在关键尺寸（CD），芯片上的物理尺寸特征被成为特征尺寸，业内描述特征尺寸的术语是电路几何尺寸。通俗理解是，关键尺寸越小，工艺加工难度越大。

关键尺寸从1988年的1um，减小到2020年的5nm，减少了99.5%。从此角度看，集成电路制造的难度在逐渐提升，难度提升的加速度也在变大。

从晶体管结构图看，关键尺寸是晶体管的栅长（下图中的线宽）。

第三，单点技术突破难

构成半导体制造工序的最小单位的工艺技术就是单点技术，或者组件技术。集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。

复杂电路的制造工序超过500道工序，500道工序相当于500个单点技术，并且，这些工序都是在精密仪器下进行，人类的肉眼是看不清楚的，给制造带来很大的困难。以最典型的CMOS工艺为例，涉及到以下步骤。

我们将上图众多步骤划分为6个独立的生产区——扩散(包括氧化、膜淀积和掺杂工艺)、光刻、刻蚀、薄膜、离子注入和抛光。

第四，需要将多个技术集成

结合单点技术，将电路植入硅片，构建此工艺流程的技术就是集成技术。例如在生产DRAM需要500道以上工序，该流程先在研发中心制定，且制定的流程是可以实际生产的。

在制定工艺流程阶段，单点技术的组合方式是无限的，即使是制造同样集成度、同样精密度的DRAM，不同半导体厂家采取的方式也各不相同。此外，不同的技术集成人员的工艺流程结构也不同。

集成技术的难点在于，如何在短时间内完成从无限的组件技术组合中，制定低成本、满足规格且完全运行的工艺流程。

集成技术我们用通过乒乓球、足球来理解。半导体制造的单点技术我们中国人可以突破，就跟单人体育的乒乓球一样，中国人可以全球拿冠军。但是，把这些单点技术组合到一起，就跟11人的足球队伍一样，组合到一起就不能拿冠军。这就是集成技术的难点。

第五，批量生产技术

将研发中心通过集成技术构建的工艺流程移交给批量生产工厂，在硅片上植入符合目标质量要求的半导体并进行大量生产的技术就是批量生产技术。

真正严格意义上的精确复制基本是不可能的。即使开发中心和批量生产工厂的设备相同，在同样的工艺条件下也未必能够得到同样的结果。一般情况下难以得到相同的结果。

这是因为即使是同样的设备，两台机器之间也会存在微小的性能差异。这种差异称作机差。机差可以说是半导体制造设备厂家在生产同一型号的设备时，因不可控因素的存在而可能产生的设备差异。随着半导体精密化程度的不断提高，机差问题也日益显著。

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