半导体制造五大难点

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
这一段文字较多，但都是很重要的。
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。
目前全国范围的半导体制造投资热是基于这样的逻辑——“只要买了设备、排列好，按下按钮，人人都可以生产半导体”。这种观点是错误的，这种观点应用于其它行业有可能对，但是半导体制造是肯定错误的。
芯片开封实验室介绍，能够依据国际、国内和行业标准实施检测工作，开展从底层芯片到实际产品，从物理到逻辑全面的检测工作，提供芯片预处理、侧信道攻击、光攻击、侵入式攻击、环境、电压毛刺攻击、电磁注入、放射线注入、物理安全、逻辑安全、功能、兼容性和多点激光注入等安全检测服务，同时可开展模拟重现智能产品失效的现象，找出失效原因的失效分析检测服务，主要包括点针工作站（Probe Station）、反应离子刻蚀（RIE）、微漏电侦测系统（EMMI）、X-Ray检测，缺陷切割观察系统（FIB系统）等检测试验。实现对智能产品质量的评估及分析，为智能装备产品的芯片、嵌入式软件以及应用提供质量保证。

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