提及半导体制备技术，不得不提“摩尔定律”:集 成电路上单位面积内可容纳的晶体管，每18个月翻一 倍,性能也将提升一倍。摩尔定律体现电子信息技术的 飞速发展，但也仅是一种预测，而非一种定律,伴随着 集成电路的工作频率、功耗、集成度、尺寸等各项指标 趋近物理极限,再结合供需、成本等因素，摩尔定律也 将失效，必然将以新材料、新技术和新结构来寻求新 突破。

一、 半导体材料

材料按照导电性能可分为导体、半导体和绝缘体 三者,半导体材料指的是介于导体和绝缘体之间，电阻 ^^ElmQ cm—lGQ cm^围内，既能导电又能阻绝电 流，由于其独特性质能够在导电和不导电之间做切换， 且导电和不导电可控，因此用来制造半导体器材的电 子材料。在元素周期表的皿人族至^人族分布着11种半 导性,最常说的就是硅材料。

二、 半导体制备关键技术以及未来趋势

下面按照“晶圆初加工氧化-光刻-刻蚀-薄膜沉积- 互连-测试-封装”几大步骤来分析半导体制备的关键 技术、技术挑战以及未来趋势。

（—）晶圆初加工

硅片是最常见的半导体材料，也是制造集成电路 的主要原材料,制备高纯度电子级硅材料,高纯硅熔化 成液体，进而再凝固成单晶固体形式即“硅锭”，将硅 锭切割成一定厚度的薄片、表面抛光制造晶圆。

未来发展趋势为晶圆性能以及尺寸上的升级，低 端的晶圆生产广泛存在东南亚这一块,高端仍旧欧美 主导,但随着技术的不断进步,最终低端的可能会渐渐 减少,向着更加高端性能发展，高精尖的国防类、航空 类等特制的晶圆可能会成为国家资源。另外，尺寸上的 升级也是未来发展趋势，从做半导体时的四英寸,再到6英寸、8英寸、12英寸……如今国内国外新建晶圆厂多 以12英寸为主，尺寸的增加代表着产出的集成芯片数 量也更多,可以有效减少成本,特别是芯片14nm制程及 更先进制程的需要,对12英寸晶圆的需求日益迫切。相 信很快就会有16英寸、18英寸晶圆的需要，相应晶圆生 产设备,是未来重要发展趋势。

与此同时，晶圆再生相关技术与产业，也将是发 展趋势，鉴于晶圆加工较大，通过晶圆再生技术，将 使用过的控片及挡片进行回收加工再次使用，以减少 成本。

（二） 氧化

晶圆表面先取出杂质和污染物、残留水分,再通过 高温热氧化绝缘的硅化合物薄膜，对形成的晶圆表面 硅化合物薄膜进行测量,厚度达标。氧化可分为干法氧 化（使用纯氧产生二氧化硅层,速度慢但氧化层致密） 和湿法氧化（同时使用氧气和高溶解度的水蒸气,速度 快但氧化层密度低）O

与一般硅衬底晶圆相比，SOI晶圆（结构为表面 硅薄层-二氧化硅绝缘层材料-硅衬底）是发展趋势 所在，通常通过制作注入氧分离技术（Separation by Implanted Oxygen - SIMOX）、键合回蚀技术（Bond and Etch-back SOI - BESOI）、智能剪切技术（Smart- Cut） 三种方法来实现。以当下常见的SIMOX为例，在 离子注入工序中,将带有电荷的离子植入到晶圆上特 定区域，电导率也可通过控制离子注入的浓度和深度 来调制，在化学气象沉淀CVD区，化学反应发生在设 备反应腔内,反应性化学气体生成固体反应物,沉积在 芯片表面形成薄膜闪。

（三） 光刻

送入光刻区复制电路图形，主要步骤分为“涂覆 光刻胶一曝光一显影”三个步骤。这个光刻胶薄层，是感光剂均匀旋涂在晶圆表面形成的，随后,光刻机发射光线透过掩薄对晶圆进行曝光，这个步骤即通过控制光线照射来完成电路印刷，在曝光区和不曝光区形成不同图形，这样图形与掩模版上的图形完全一致，未曝光的区域仍然被光刻胶覆盖，最后喷涂显影剂，去除掉未覆盖区域的光刻胶，既完成了电路图的光刻绘制。

光刻环节无疑是决定集成电路特征尺寸的重要环节,EUV光刻机是光刻领域的发展趋势。虽说DUV光刻机（深紫外线,193nm波长的光源，准分子激光，利用光的折射原理）仍能满足绝大多数光刻需要，但是波长更短的EUV光刻机（极紫外线,波长13.5nm,激光激发等离子来发射EUV光子,利用光的反射原理）的优势更加明显。两者对比，DUV光刻机需多次曝光,成本较高,且良品率难以控制，而EUV光刻机程序简单，成本和良品率得以控制，当然，因为光学透镜、反射镜系统对光学精度的要求极高,EUV光刻机设备的制造难度较高典

（四） 刻蚀

经过光刻工序处理后，硅晶圆会被送入刻蚀区，刻蚀掉曝光过的区域，这些区域是没有经过光刻胶覆盖的，剩下的图形就是电路所需要的,一个晶圆上常常堆积了几千到几百万个电子元器件。要做到这一点,可通过湿法刻蚀和干法刻蚀来实现，本质区别是前者利用化学溶液去除氧化膜，后者使用气体或等离子体去除氧化膜。湿法刻蚀成本低、刻蚀速度快和生产率高，但具有各向同性特点，而导致刻蚀后的氧化膜不能和掩膜完全对齐,难以处理高精度需求的电路图，因此常用干法刻蚀来处理高精度电路图，具有相对较大特征尺寸的器件使用湿法刻蚀。

（五） 薄膜沉积

沉积膜设备是半导体“四大机”之一，将包含所需分子或原子单元的薄膜放到晶圆上的过程就是“沉积”,镀膜的本质是：因为加入杂质元素諏磷、硼等，可以调整硅材料的导电性和其他特性，所以在特定的区域掺杂进需要的杂质元素，扩散到硅片上的指定区域，形成所需要的原件或者导线，通过这种方式，在硅片这一种材料上制作各种各样的电子元件。沉积膜设备的制造仍是重大挑战。

（六） 互连

一 个晶圆上常常堆积了几千到几百万个电子元器件，这些组件通过金属导线相互连接，金属导线应具有低电阻率、热化学稳定性、高可靠性特点。一般为铜互联和铝互联。

（七） 测试

对半导体集成电路或分立器件进行测试，先测试集成电路或分立器件的电气参数是否达标；再做晶圆老化测试；再对晶圆进行温度、速度、运动测试以及其他性能测试，测试后对可修补的元件或线路进行修补。

（八） 封装

从大块晶圆中切割下小份芯片，同时对芯片进行附着、保护、互联和封装，使其成型、具有保护壳并与外部交换电信号。在摩尔定律逐渐失效的“后摩尔时代”，半导体产业的未来发展趋势，很重要的一部分在于先进的封装技术。按照步骤逐一分析:①在晶圆锯切环节，超薄晶圆减薄以及划切设备是主要技术挑战，新兴的等离子划切技术越来越受到人们关注,其与干法刻蚀相似,利用等离子体撞击在分隔处形成深槽，以便划切，具有芯片侧壁无损伤、多线条批量切割、切割通道窄有利于控制成本的优点；②芯片附着:芯片划切下来后，利用液体或固体带状粘合剂，将其附着到器件基底上；③互联：将芯片与基底连接，形成电信号交换，包括引线键合和倒装芯片键合两种方式，如下图1所示，前者比较常见,而后者可加快半导体制造速度,有助于实现堆叠芯片和三维封装，是发展趋势之一；④成型：在芯片与基底外加上包装,主要以环氧模塑料（EMC）在模具中加装成型；⑤测试:对芯片各项性能进行测试。

要说的是，相较于传统的先切割后封装工艺，晶圆级封装（WLP）提供新的解决方案，那就是先进行统一分装，然后再将完整封装成型的芯片从晶圆上划切分离，晶圆级封装（WLP）具有更低的生产成本。除此之外，2.5D和3D封装将代替2D封装，发展多层堆叠、三维堆叠,提升芯片的集成度，在小芯片之间放一层硅中介层,再通过硅通孔技术，实现小芯片之间的互联，以实现更高的性能、更低的能耗以及更小的芯片尺寸叫chiplet架构也是未来发展趋势，可以达到提升带宽速度和降低整体面积的特点，目前主流的芯片架构SOC,是将多个负责不同的计算任务的计算单元，通 过光刻的形式统一制造到同一块晶圆上，soc±集成 了多个功能元件，比如手机SOC芯片就集成了CPU、 GPU、ISP等计算单元，而chiplet架构则从设计开始就 将芯片按照不同的计算单元进行分解，对每一个单元 都采用合适的制程工艺,分别制成小芯片,再将小芯片 彼此互联，形成一个系统性的大芯片，可有效降低制作 成本。chiplet架构下的2.5D和3D封装,将多类型芯片放 入单个封装，同时让信号横向传送、纵向传达。

三、综合发展趋势

(一)新材料的应用

半导体材料从开始到现在可分为三代，第_代从 20世纪60年代开始，用硅代错成为主流材料；第二代 从21世纪左右开始，以神化傢和磷化钢为主开发第二 代材料，其中神化傢的技术发展最为成熟，具有宽禁 带、直接带隙和高电子迁移率的特点，适用于制作高 速、高频、大功率以及发光电子器件；第三代半导体材 料从2020年开始,氮化傢(GaN)和碳化硅(SiC),氧化 锌(ZnO)、金刚石为四大代表,氮化傢和碳化硅已成为 成熟的第三代半导体材料。

(二)晶体管结构的改进

GGA------(Gate all around Field EffectTransistors, GAAFET)的兴起，将是未来重大发 展趋势。从一个标准的MOSFET (Metal-Oxide- Semiconductor Field-Effect Transistor,金属-氧化物-半 导体场效应晶体管)来看，常用半导体分为N型半导体 (本征半导体参入五价元素，可提供自由电子多,称为 施主杂质),P型半导体(本征半导体参人三价元素,可 提供空穴多，称为受主杂质)，将P型半导体和N型半 导体合在一起形成PN结,达到动态平衡。在PN结的基 础上，调控输入回路的电场效应，增加电压可改善导 电特性，降低电压可消减功耗，用最简单的话说，可以 临时性地把P改造成N,称为沟道(Channel),不导电 状态称之为“0”、导电状态称为T ,就构建成了逻辑 门。一个标准MOSFET模型中有一个G栅极，只能在闸 门的一侧控制电路的接通与断开，属于平面结构,短沟

道效应也陷入瓶颈；从MOSFET发展到FinFET，闸门 成类似鱼鳍的叉状3D架构，栅极从三面包围着沟道， 增加了控制能力，使得电压进一步降低,但也很快陷入 瓶颈；再从FinFET发展到全包围栅极(GAA),四面包 围栅极，通道的所有面都与栅极接触，可实现连续缩 放，栅控能力更强，电压进一步降低，降低短沟道效应 有望实现。

(三)硅光子

互连线材料诸如铝、铜、碳纳米管，而硅光子技 术，以期通过光传输来代替点传输，实现光互联。以玻 璃为互联材料，理论上可以通过在玻璃中集成光波导 通路来传输信号,且不会发生干扰,数据传输的速度将 大大增强。

(四)制造设备向自动化和高产出率转化

伴随着智能技术的发展，自动化技术以及智能化 技术的应用下,探索信息技术赋能集成电路技术之路， 半导体器件制备也将向着制造设备自动化、智能化方 向发展，实现“智能制造” o半导体器件制造也将显著 减少成本、提高良率,在半导体芯片或分立器件制造的 各个环节中都将发挥重要作用。

四、结束语

总的来说,半导体产业进入后摩尔时代，必然将以 新材料、新技术和新结构来寻求新突破,未来发展趋势 比如第三代半导体材料、更大尺寸晶圆、EUV光刻机、 2.5D和3D封装技术、chiplet架构、晶圆级封装(WLP)、 GGA、硅光子等,未来势必将取得更好发展。