半导体芯片的沉积和离子注入工艺简介.docx

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1、半导体芯片的沉积和离子注入工艺简介目录1 .引言12 .晶圆薄涂层的沉积工艺13 .晶圆制造设备24 .薄膜沉积25 .离子注入：将硅片变成半导体56 .热处理（氧化/扩散/退火）91 .引言半导体芯片由许多比指甲还小、薄如纸的微观层组成。半导体堆叠得又高又实，形成类似于高 层建筑的复杂结构。为了形成这种结构，光刻一一包括在单晶硅（Si；单晶硅，半导体原料）晶圆的 顶部分阶段涂上薄膜并绘制电路，蚀刻一一选择性地去除不需要的材料，并清洗步骤重复多次。在 蚀刻和清洁过程之后，薄膜分隔、连接和保护电路。现在，我们将研究制作薄膜的沉积过程和赋予 半导体电特性的一系列过程。2 .晶圆薄涂层的沉积工艺术语

2、“薄膜”指的是1微米或更薄（m,百万分之一米）的薄膜；这种厚度无法通过简单的机械加 工来实现。沉积是指在晶片上以所需的分子或原子水平淀积薄膜的一系列过程。因为涂层很薄，所 以需要精密、准确的技术才能将薄膜均匀地淀积在晶圆上。Passivation Protection Layer图1沉积的半导体结构沉积大致可分为两种类型。两种类型是物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。PVD主要用 于沉积金属薄膜，不伴随化学反应。同时，CVD涉及将外部能量施加到由气体的化学反应形成的粒 子蒸气。蒸汽被喷向表面进行沉积。该技术可用于将薄膜沉积到导体、绝缘体和类似的半导体上。 CVD是当前半导体工艺中使

3、用最广泛的沉积方法。根据所使用的外部能源，CVD可进一步分为热 CVD.等离子CVD和光诱导CVD。其中，等离子CVD应用最为广泛，具有低温成膜、调节膜厚均 匀性、并处理大批量。通过沉积工艺形成的薄膜有两层：连接电路之间电信号的金属(导电)层，以 及电气隔离内部连接层或隔离污染物的绝缘层。3 .晶圆制造设备半导体设备通常可分为前道工艺设备(晶圆制造)和后道工艺设备(封装测试)两大类。前道工艺对应的晶圆制造中的七大步骤分别为热处理(氧化/扩散/退火)、光刻、刻蚀、离子注 入、薄膜沉积、清洗、抛光。此外还有金属化和量测，只有量测合格的芯片才会进入到后道封测环 节。根据SEMl数据，全球晶圆制造设备

4、市场规模整体成稳步增长的态势，2020年达到586.7亿美 元，同比增长19.0%。图表13:全球晶圆制造设备销售额(亿美元)4 .薄膜沉积薄膜沉积是半导体器件制造过程中的一个重要环节，通过薄膜沉积工艺可以在晶圆上生长出各 种导电薄膜层和绝缘薄膜层，为后续工艺打下基础。根据工作原理不同，薄膜沉积工艺可分为物理 气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)三大类，所需的设备是薄膜沉积设备。PVD：是指是用物理的方法使镀膜材料气化，在基体表面沉积成膜的方法，主要有蒸镀、溅射 和离子镀等。特点是沉积材料纯度佳、品质稳定、温度低、速度快、制造成本较低。主要用于金属 薄膜的沉积。其中

5、，蒸镀是在真空环境中把蒸镀材料加热熔化后蒸发，使其大量原子、分子、原子 团离开熔体表面，凝结在工件表面上形成镀膜。溅射是用高能粒子(通常是由电场加速的正离子)冲 击固体表面，固体表面的原子、分子与这些高能粒子交换动能，从而由固体表面飞溅出来，飞溅出 来的原子及其他离子在随后过程中沉积凝聚在工件表面形成薄膜镀层，称为溅射镀膜。离子镀是在 真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质离子化，在气体离子或蒸发物质离子轰击作用下， 把蒸发物质或其反应物蒸镀在工件上。CVD：是指在真空高温条件下，两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，气态原材 料相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表

6、面上。特点是用途广泛、不需要高真 空、设备简单、可控性和重复性好、适合大批量生产。主要用于介质/绝缘材料薄膜的生长。包括 低压CVD(LPCVD)、常压CVD(APCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、金属有机物CVD(MoCVD)、 激光 CVD(LCVD)等。ALD： ALD是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法，是一种原子尺 度的薄膜制备技术，本质属于CVD的一种，特点是可以沉积均匀一致，厚度可控、成分可调的超薄 薄膜，ALD方法既可以沉积介质/绝缘薄膜，也可以进行金属薄膜的沉积。随着纳米技术和半导体 微电子技术的发展，器件和材料的尺寸要求不断地降低，同时器件结

7、构中的宽深比不断增加，这样 就要求所使用材料的厚度降低至十几纳米到几个纳米数量级。相对于传统的沉积工艺，ALD技术具 有优异的台阶覆盖性、均匀性和一致性，可沉积宽深比达2000:1的结构，因此逐渐成为了相关制 造领域不可替代的技术，具有很大发展潜力和应用空间。ALD件通的CVDPVD鹏”他圉20nm20nm均匀UI控性OJnmInm5nm成腴质a化学成分很均 轻微空隙杂版化学成分设均 轻微空阻杂随受外界限制 行纥多空1杂陋保形性很好较好一般粒广数少多多可延收性无限制9065nmIOOnm空啜篌求中等中等高沉枳逢半抵高高图表55: 3种冠腆沉枳方法对比直料来源：清华大学.五究所图表56: WD原

8、理图表58: ALD原理图表57: CVD原理根据Maximize Market Research数据，全球薄膜沉积设备整体规模稳定增长，2020年市场规模为172亿美元，受益于FOUndry厂、存储、AMoLED以及太阳能电站等需求的增加，预计到2025年将达到340亿美元。分类型来看，CVD设备应用最广，占比57%；其次是PVD,占比为25%； ALD及其他镀膜设备占比18%。图裳59: 2017.2025年全球薄膜沉积市场规模（亿美元）400-VoYSOI ItrfflllXfT201B2020 如.2022E20ZC 2DM X2K资料来源：Maximize Market Resear

9、ch.五丁证券研究所图衰60 : 2019年全球半导体薄膜沉积设备市占率从各类设备来看，全球CVD设备市场中，应用材料占比30%,泛林半导体占比21%,东京电 子占比19%,三大厂商占据了全球70%的市场份额；全球PVD设备市场中，应用材料占比85%, 基本垄断，处于绝对龙头地位；全球ALD设备市场中，东京电子占比31%,先域占比29%,合计 占比60%。中国整个薄膜沉积设备领域98%以来进口，国产化率仅有2%,未来替代空间巨大，国 内厂商中，北方华创和拓荆科技处于领先地位，北方华创CVD、PVD等相关设备已具备28nm工艺 水平，14107nm等先进制程正处于研发与验证阶段。拓荆科技CVD和

10、ALD相关设备已广泛应用 于国内晶圆厂14nm及以上制程集成电路制造产线，并已展开IOnm及以下制程产品验证测试。图表61: 2019年全球CVD设备厂商市占率应刖财双法林半导体东京电子* Aftb资料来源Gartner,五矿证券研究所图表62: 2019年全球PVD设备厂商市占率资科来源：Gartrw,五丁证券研究所图以64：中国薄膜沉积设备国产化率,应用材K图我63: 2019年全球ALD设备厂商市占率东京电子光线5他资料来源：Gartner,五丁证券研究所资料来源：中您国际招标网进口设备国产设5 .离子注入：将硅片变成半导体ImplantOxidefilmWaferThinfilm半导体

11、同时具有导体和绝缘体的特性，而离子注入是从本质上将硅片变成半导体的工艺。纯硅 是绝缘体，不导电，但添加杂质赋予导电性能并使其能够导电。这些杂质称为离子。这些离子被转 化为细小的气态粒子，然后注入晶圆的正面达到所需的深度。使用的杂质来自元素周期表中的第15 族（磷、P和碑,AS）或第13族（硼，B）o注入第5族元素得到N型半导体，而注入第3族元素得到P型半导体。沉积过程很关键，因为 沉积的薄膜有多薄和均匀会影响或破坏半导体质量。未来的半导体电路结构的厚度将比人类头发丝 薄几百万倍。为了赋予这些电路电气特性，需要更先进的沉积技术来创造更薄、更均匀的薄膜。下 一次我们将学习金属互连，它旨在连接通过氧

12、化、光刻、蚀刻和沉积过程产生的元素，并使它们发 挥电路的作用。甚至需要更先进的沉积技术来创造更薄和更均匀的薄膜。下一次我们将学习金属互 连，它旨在连接通过氧化、光刻、蚀刻和沉积过程产生的元素，并使它们发挥电路的作用。甚至需 要更先进的沉积技术来创造更薄和更均匀的薄膜。离子注入机是集成电路制造前工序中的关键设备，为改变半导体载流子浓度和导电类型需要对 半导体表面附近区域进行掺杂。掺杂通常有两种方法：一是高温热扩散法，即将掺杂气体导入放有硅片的高温炉，将杂质扩散 到硅片内的一种方法；二是离子注入法，通过离子注入机的加速和引导，将要掺杂的离子以离子束 形式入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子发

13、生一系列理化反应，入射离子逐渐损失能 量，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，最后停留在材料中。与扩散工艺相比，离子注入可对注入剂量、注入角度、注入深度、横向扩散等方面进行精确的 控制，使得离子注入在半导体制造中被广泛应用。图表65:掺杂工艺对比参数热扩散离子注入动力高温、杂质的浓度梯度平衡过程动能，5500keV非平飙程杂质浓度掺杂浓度过高过低都无法实现浓度不受限结深适合深结掺杂适合浅结掺杂横向扩散严重，线宽3m较小，线宽lm均匀性电阻率波动约5-10%电阻率波动约1%温度高温工艺，约IOOO(C常温注入，退火温度约80O(C掩蔽膜SiO2光刻胶、Sio2、金属薄膜工艺卫生易玷污高真空、

14、常温注入，清洁晶格损伤小大设备/费用设备简单、价廉设备复杂、价格高应用深层掺杂的双极型器件浅堵力产东规章IC离子注入机产业链上游主要包括机械材料、电器材料、仪器仪表、真空系统、扫描系统等，中游为离子注入机的设计制造，下游应用包括集成电路、太阳能电池以及AMoLED制造等。图表66:离子注入机产业链资料来源：前腌产业研究院，五矿证券研究所一一八根据离子束电流和束流能量范围的不同，通常可以把离子注入机分为低能大束流离子注入机、 中低束离子注入机和高能离子注入机。不同类型的离子注入机运行原理基本相同，由于离子束电流 和束流能量范围不同，在工艺中的主要应用各有不同。图表67:离子注入机分类类别能量范围

15、注入剂量范围工艺中的主要应用低能大束流圈子注入机离子束电流AOmA,极值为 253,束流能量120keV1013-1016 cm2漏源注入、多晶硅栅极注 人等高能离子注入机束流能量200keV,极值在5MeV左右o1,-o13cm2深埋层中低束离子注入机离子束电流AOmA,束流能量 180keV1011-1017cm2轻掺杂漏区、SmartCut 穿透阻挡层等资料来源：前瑜产业研究院,五矿证券研究所根据SEMl数据，2013-2019年，全球离子注入机市场整体呈现上升趋势，2013年为8.1亿美 元，2019年增长到18亿美元，同比增长17.6%。中国市场2016年为23.2亿元，2020年为44.5 亿元，其中IC用离子注入机规模最大，2020年市场规模为43.2亿元，占比97.1%。图农68: 20B2019年全球离子注入机市场规模（亿美元）图表69 : 201