半導(dǎo)體知識(shí)：集成電路是怎么制造出來的？

什么是半導(dǎo)體？

半導(dǎo)體是導(dǎo)電性介于導(dǎo)體（金屬）與絕緣體（陶瓷、石頭）之間的物質(zhì)，包括硅、鍺。

利用半導(dǎo)體制作電子組件的目的在于：不像導(dǎo)體絕對(duì)導(dǎo)電、絕緣體完全不導(dǎo)電；藉由注入雜質(zhì)，可以精準(zhǔn)地調(diào)整半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。由于硅擁有較大的能隙、可以有較大雜質(zhì)摻雜范圍，所以可以被利用來制作重要的半導(dǎo)體電子組件晶體管 (Transistor)。

由于發(fā)明了晶體管，這個(gè)年代成為人類科技文明進(jìn)步最快的年代，電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)工業(yè)才開始了長(zhǎng)足的發(fā)展，堪稱二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。

發(fā)明晶體管的蕭克利 (Shockley)、巴丁 (Bardeen) 與布拉頓 (Brattain) 三位物理學(xué)家在1956年共同榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。

1956年，蕭克利在舊金山南方成立蕭克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室 (Shockley Semiconductor Lab)，帶動(dòng)美國(guó)硅谷 (Silicon Valley) 的蓬勃發(fā)展，硅谷一名稱系由半導(dǎo)體原料硅而來。

講到硅谷的發(fā)展成因與歷史，絕對(duì)不能不提蕭克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室的影響。一個(gè)天才的創(chuàng)業(yè)會(huì)引來眾多天才的投奔，因此當(dāng)時(shí)一堆優(yōu)秀人才趨之若鶩地跑到蕭克利的實(shí)驗(yàn)室來；但后來因蕭克利暴躁又疑神疑鬼的性格，又紛紛辭職離去，被蕭克利怒稱為「八叛徒」（The Traitorous Eight）。

八位叛徒中，包括了諾伊斯 (Noyce)、摩爾 (Moore，就是摩爾定律的那個(gè)摩爾！) 等人，他們隨后成立了快捷半導(dǎo)體 (Fairchild Semiconductor)，成為了第一家將硅晶體管商業(yè)化的公司。

這家公司最重要不是它的產(chǎn)品、而是影響力——快捷可說是硅谷人才的搖籃，創(chuàng)始人和員工出來開的公司和投資的公司在灣區(qū)超過 130家上市企業(yè)，里面包括了 Intel、AMD 等公司，市值達(dá) 21 萬億美元。對(duì)硅谷乃至當(dāng)今時(shí)代的科技發(fā)展都有著不可或缺的影響和作用。

好啦此為后話不提，讓我們回來看看硅谷發(fā)展一切的源頭——晶體管到底是什么。

晶體管的主要功能有兩個(gè)：「放大信號(hào)」與「開關(guān)」。

晶體管就像是數(shù)字信號(hào)的「收音機(jī)」──收音機(jī)的原理是將微弱的信號(hào)放大、用喇叭發(fā)聲出來，晶體管能將信號(hào)的電流放大；而數(shù)字信號(hào)是由0與1組成，1代表著電流「開」、0代表著電流「關(guān)」，晶體管以每秒超過 1千億次的開關(guān)來運(yùn)作，讓電流以特定方式通過。

這邊讓我們來簡(jiǎn)單談?wù)劸w管的運(yùn)作原理。

晶體管由硅組成，而硅是 4 顆電子。在硅半導(dǎo)體中加入元素磷，具有 5 顆電子、比硅多一顆電子(-)變成 N 型晶體管 (Negative)。

另外加入元素硼，具有 3 顆電子、 比硅少一顆電子(-)變成 P 型晶體管 (Positive) 。晶體管兩端可以通電，稱為「源極」和「汲極」。

由于P型和N型分別多了電子和少了電子，所以晶體管在 N 型和 P 型接起來的狀態(tài)下電子不會(huì)流通，此時(shí)電流開關(guān)為「關(guān)」。

為了達(dá)到開關(guān)的效果，我們使用第三個(gè)電極「閘極」(Gate) 取代機(jī)械按鈕開關(guān)；閘極間以氧化層和半導(dǎo)體隔絕。若我們?cè)陂l極上方施以正電電壓，讓 N 型多出來的電子能夠重新流通、并從源極流到汲極，此時(shí)電流開關(guān)為「開」。

上述即為半導(dǎo)體組件晶體管如何藉由加入雜質(zhì)(磷、硼)來控制導(dǎo)電性、進(jìn)而控制電流開關(guān)的原理。

但是這數(shù)億個(gè)晶體管在哪里呢？你可能正在心想：「我手機(jī)有大到能放進(jìn)數(shù)億個(gè)晶體管？」

答案是：晶體管是納米等級(jí)，比人體細(xì)胞還要小。三星以及臺(tái)積電在先進(jìn)半導(dǎo)體制程的 14 納米與 16 納米之爭(zhēng)，14 納米指的就是晶體管電流通道的寬度。寬度越窄、耗電量越低；然而原子的大小約為 0.1 納米，14 納米的通道僅能供一百多顆原子通過。故制作過程中只要有一顆原子缺陷、或者出現(xiàn)一絲雜質(zhì)，就會(huì)影響產(chǎn)品的良率。

對(duì)于半導(dǎo)體大廠而言，制程是技術(shù)，但良率才是其中的關(guān)鍵Know-how。一般能將良率維持在八成左右已經(jīng)是非常困難的事情了，臺(tái)積電與聯(lián)電的制程良率可以達(dá)到九成五以上，可見臺(tái)灣晶圓代工的技術(shù)水平。

事實(shí)上，這數(shù)億個(gè)晶體管，全部都塞在一個(gè)長(zhǎng)寬約半公分、指甲大小的芯片上。這片芯片包含晶體管等電子組件，就叫做「集成電路」(Integrated Circuit, IC)，俗稱IC。

所謂的大規(guī)模集成電路 (LSI, Large Scale Integration) 代表的不是這個(gè)電路板很大，而是上面約一萬個(gè)晶體管；超大規(guī)模集成電路 (VLSI, Very Large Scale Integration) 則約有十萬個(gè)晶體管。

集成電路是怎么制作出來的呢？

在集成電路出現(xiàn)之前，工業(yè)界必須各自生產(chǎn)晶體管、二極管、電阻、電容等電子組件，再把所有組件連接起來做成電路，不但復(fù)雜又耗時(shí)費(fèi)工。故若能直接依照設(shè)計(jì)圖做出一整個(gè)電路板，將能更加精確、速度更快且成本更低。

德州儀器公司的基爾比 (Jack St. Clair Kilby) 是第一個(gè)想到要把組件放到芯片上集體化的發(fā)明人，在1958年他試驗(yàn)成功，開辟了一個(gè)嶄新的計(jì)算機(jī)技術(shù)時(shí)代，甚至很多學(xué)者認(rèn)為由集成電路所帶來的數(shù)字革命是人類歷史中最重要的事件?；鶢柋纫惨虼擞?000年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。

集成電路的制作過程分為以下步驟。

一. 建筑設(shè)計(jì): IC設(shè)計(jì) (Circuit Design)

如同在蓋房子之前，建筑設(shè)計(jì)師必須畫出設(shè)計(jì)圖，規(guī)劃房間分布、使用材料；在制作半導(dǎo)體芯片時(shí)，工程師會(huì)畫出電路圖 (Circuit Diagram)，規(guī)劃一個(gè)芯片上應(yīng)該要具備的功能 (包括算術(shù)邏輯、記憶功能、 浮點(diǎn)運(yùn)算、 數(shù)據(jù)傳輸)、各個(gè)功能分布在芯片上的區(qū)域，與制作所需的電子組件。

接下來，工程師會(huì)使用硬件描述語言 (HDL) 將電路圖描寫出來。

待確認(rèn)無誤后再將 HDL 程序代碼放入電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具 (EDA tool)，讓計(jì)算機(jī)將程序代碼轉(zhuǎn)換成電路圖。

二. 建筑地基: 晶圓制造 (Wafer Foundry)

設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)完房子后，就需要將電路設(shè)計(jì)圖交由建筑工人將房子蓋出來。蓋房子需要地基，制作芯片也要，安置所有電子組件的基板就是「晶圓」(Wafer)。

首先，晶圓制造廠會(huì)將硅純化、溶解成液態(tài)，再?gòu)闹欣鲋鶢畹墓杈е?，上面有一格一格的硅晶格，后續(xù)可供晶體管安置上去。

也由于硅晶格的排列是安裝電子組件的關(guān)鍵，「拉晶」的步驟非常重要──晶柱的制作過程就像是在做棉花糖一樣，一邊旋轉(zhuǎn)一邊成型，旋轉(zhuǎn)拉起的速度以及溫度的控制都會(huì)影響到晶柱的質(zhì)量。

接下來，晶圓廠會(huì)用鉆石刀像切火腿一般，將一整條的晶柱切成一片片的薄片，再經(jīng)過拋光后，就變成了「晶圓」(Wafer)，也就是芯片的基板；晶圓上面的晶格可供晶體管置入。

晶圓(Wafer)上面的晶格可供晶體管置入。

常聽到的8吋、12吋晶圓廠，代表的就是硅晶柱切成薄片后的晶圓直徑，而整塊晶圓可以再被切成一片片的裸晶 (Die)；裸晶經(jīng)過封裝后，才被稱為芯片 (Chip)、或稱 IC。

晶圓的尺寸，可以決定后續(xù)裁切制作出來的芯片有多少數(shù)量。

附注: AnySillicon網(wǎng)站上提供的計(jì)算器(Die Per Wafer Calculator)可供計(jì)算一塊晶圓上能切出多少裸晶。

如直徑8吋的晶圓片使用2.0微米的制程，可以切出588顆64M的DRAM (內(nèi)存)；至于12吋的晶圓，可以切出的成品又更多。

然而如先前所述，硅純度、拉晶速度與溫度控制都是晶柱質(zhì)量的關(guān)鍵，越粗的硅晶柱越難拉出好質(zhì)量，故尺寸越大、技術(shù)難度就越高，12吋晶圓廠也就比8吋晶圓廠的制程更先進(jìn)。

另外，雜質(zhì)對(duì)這些完美無缺的硅晶格構(gòu)成很大的威脅（想想看：晶體管比人體細(xì)胞還小，稍有一絲雜質(zhì)變足以毀壞整個(gè)硅晶格了），因此制造人員進(jìn)入無塵室前，都必須事先清洗身體、穿戴防塵衣、全副武裝采取預(yù)防措施。晶圓制造環(huán)境更比手術(shù)室干凈十萬倍。

晶圓會(huì)在無塵的狀態(tài)下送到無塵室并分裝到密封的容器中，進(jìn)行隨后的生產(chǎn)步驟。

三. 建筑成形: 光罩制作 (光蝕刻與微影成像)

我們?cè)谙惹疤岬?，集成電?(IC) 跨時(shí)代的意義在于，工業(yè)界不用各自生產(chǎn)電子件再組建起來，可以一口氣將電路板依據(jù)電路圖生產(chǎn)出來。這是怎么做到的呢？

答案是：光學(xué)攝影技術(shù)。一大張的電路設(shè)計(jì)圖，要縮小并壓印到硅晶圓（基板），靠的就是光學(xué)原理。

首先光罩廠會(huì)將IC設(shè)計(jì)圖形第一次縮小，以電子束刻在石英片上，成為光罩。

光罩

由于電子束的寬度是1微米，所以光罩上依據(jù)設(shè)計(jì)圖所刻出的半導(dǎo)體回路也是1微米寬。接下來光罩廠會(huì)將完成的光罩送進(jìn)晶圓廠。

芯片制造，也就是將光罩上刻的設(shè)計(jì)圖、第二度縮小至晶圓上。與底片洗出相片的原理一樣，「光罩」就是照相底片、「晶圓」就是相片紙。

晶圓上面會(huì)事先涂上一層光阻 （相片感光材料），透過紫外光的照射與凸透鏡聚光效果、會(huì)將光罩上的電路結(jié)構(gòu)縮小并烙印在晶圓上，最后印在晶圓上的半導(dǎo)體回路會(huì)從光罩的 1 微米、變?yōu)?0.1 微米。陰影以外的部分會(huì)被紫外光破壞，隨后能被沖洗液洗掉。

藉由光蝕刻與微影成像，晶圓廠成功將設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)印到微小的晶圓基板上。如同底片質(zhì)量會(huì)影響照片成像的好壞，光罩上圖形的細(xì)致度是芯片質(zhì)量的關(guān)鍵。

光刻制程結(jié)束后，工程師會(huì)在晶圓上繼續(xù)加入離子。透過注入雜質(zhì)到硅的結(jié)構(gòu)中控制導(dǎo)電性，與一連串的物理過程，制造出晶體管。其過程相當(dāng)復(fù)雜，甚至需要像兩個(gè)足球場(chǎng)大的無塵室。

待晶圓上的晶體管、二極管等電子組件制作完成后，工程師會(huì)將銅倒入溝槽中形成精細(xì)的接線，將許多晶體管連結(jié)起來。在指甲大的空間里，數(shù)公里長(zhǎng)的導(dǎo)線連接了數(shù)億個(gè)晶體管，制作成大規(guī)模集成電路。至此，偉大的建筑就完成了。

四. 成品包裝: 封裝與測(cè)試

晶圓完成后被送到封裝廠，會(huì)切割成一片片的「裸晶」，如先前圖所示。由于裸晶小而薄、非常容易刮傷，故封裝廠會(huì)將裸晶安裝在導(dǎo)線架上、在外面封裝上絕緣的塑料體或陶瓷外殼，剪下來印上委托制造公司的標(biāo)志。最后進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)行芯片結(jié)構(gòu)及功能的確認(rèn)、將不良品挑出，一顆芯片就大功告成了！

半導(dǎo)體大廠有哪些？

1960年代集成電路的發(fā)明，讓許多的半導(dǎo)體組件可以一次放在一塊芯片上。隨著半導(dǎo)體的縮小，IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔兩年便會(huì)增加一倍、性能每18個(gè)月能提升一倍 。

從1960年代不到10個(gè)，1980年代增加到10萬個(gè)、1990年代增加到1000萬個(gè)。這個(gè)現(xiàn)象由英特爾的名譽(yù)董事長(zhǎng)摩爾所提出，稱為摩爾定律 (Moore’s Law)。如今，集成電路上的組件高達(dá)數(shù)億至數(shù)十億個(gè)。

早期，半導(dǎo)體公司多是從IC設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試到銷售都一手包辦的整合組件制造商(Integrated Device Manufacturer, 俗稱IDM)，如英特爾 (Intel)、德州儀器 (TI)、摩托羅拉(Motorola)、三星 (Samsung)、菲利普 (Philips)、東芝 (Toshiba)，以及國(guó)內(nèi)的華邦、旺宏。

然而，由于摩爾定律的關(guān)系，半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)和制作越來越復(fù)雜、花費(fèi)越來越高，單獨(dú)一家半導(dǎo)體公司往往無法負(fù)擔(dān)從上游到下游的高額研發(fā)與制作費(fèi)用，因此到了1980年代末期，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)逐漸走向?qū)I(yè)分工的模式──有些公司專門設(shè)計(jì)、再交由其他公司做晶圓代工和封裝測(cè)試。

1987年臺(tái)積電 (TSMC) 成立。

由于一家公司只做設(shè)計(jì)、制程交給其他公司，容易令人擔(dān)心機(jī)密外泄的問題 （比如若高通和聯(lián)發(fā)科兩家彼此競(jìng)爭(zhēng)的IC設(shè)計(jì)廠商若同時(shí)請(qǐng)臺(tái)積電晶圓代工，等于臺(tái)積電知道了兩家的秘密），故一開始臺(tái)積電并不被市場(chǎng)看好。

然而，臺(tái)積電本身沒有出售芯片、純粹做晶圓代工，更能替各家芯片商設(shè)立特殊的生產(chǎn)線，并嚴(yán)格保有客戶隱私，成功證明了專做晶圓代工是有利可圖的。

如今臺(tái)積電是全球排名第一的晶圓代工公司。知名廠商亦包括全球排名第二的聯(lián)電 (UMC)、格羅方德 (GlobalFoundries)、中芯 (SMIC)。

由于IC設(shè)計(jì)公司只設(shè)計(jì)和銷售芯片，但將制造、封裝、測(cè)試外包給第三方、以專心投入資金與人力研發(fā)，故被稱為無廠半導(dǎo)體 (Fabless Semiconductor Company)，包括高通 (Qualcomm)、博通 (Broadcom)、聯(lián)發(fā)科 (MediaTek)，與中國(guó)紫光集團(tuán)下的展訊 (SpreadTrum)。

最后，臺(tái)灣半導(dǎo)體封裝大廠日月光(ASE)排名全世界第一，全球市占近20%。排名第二為美商艾克爾(Amkor)、第三亦為臺(tái)灣廠商硅品(SPIL)。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在近數(shù)十年來的發(fā)展速度不只驚人，許多重大的創(chuàng)新也支持了眾多其他產(chǎn)業(yè)也、產(chǎn)生了極大的影響，可以說是數(shù)字時(shí)代之母。毫無疑問地，在未來，半導(dǎo)體的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)規(guī)模，將會(huì)比今日來的更加廣泛且舉足輕重。

補(bǔ)充：

電路設(shè)計(jì)圖是 IC 設(shè)計(jì)廠在看的，晶圓代工廠拿到的會(huì)是經(jīng)轉(zhuǎn)換過的線路Layout設(shè)計(jì)圖，也就是Layout GDS檔。.gds 文件格式的擴(kuò)展名的意思是與Chip Layout Information相關(guān)的模擬CAD檔案。（CAD指用計(jì)算機(jī)軟件仿真實(shí)物設(shè)計(jì)）

電路設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)換成Layout圖時(shí)，會(huì)根據(jù)各家代工廠的Design Rule而有所不同。各家代工廠的 Design Rule 是和該代工廠自家的制程能力與制程方式而有所差異。

微影成像完后，嚴(yán)格上來說圖形是還沒轉(zhuǎn)換到晶圓上的，此時(shí)只是把圖形轉(zhuǎn)換到光阻上（就是內(nèi)文比喻的底片），之后經(jīng)過干蝕刻往下挖挖挖，才會(huì)把圖形轉(zhuǎn)印到晶圓上。