半导体八大工艺流程图_大国重器，国芯基石 半导体离子注入机行业研究报告...

主要观点

ü  掺杂是指在硅晶体中加入少量的杂质元素，以此改变衬底材料的电学性质，是半导体加工制造过程中关键的工艺技术。根据掺杂的技术原理，该工艺可分为热扩散和离子注入，由于离子注入技术可以在芯片制成尺寸更小、空间结构更复杂的情况下实现元素掺杂。因此，在现代先进集成电路生产环节中，离子注入已经成为主要的掺杂方式。

ü  离子注入机按照工艺功能可以将其分为离子源、吸极系统、质量分析仪、加速管和扫描系统等几大板块，它是半导体前道加工工艺中最为复杂的生产装备之一。未来，随着半导体生产工艺的进步，除了既有的领域外，离子注入机还会被用于集成电路深埋层、穿通阻挡层、沟槽电容器和绝缘层上硅等领域内。

ü  受存储器等半导体产品紧俏行情的影响，集成电路上游产线的设备市场近几年也出现需求增长的行情。离子注入机作为半导体前道工艺环节重要的生产设备，其市场需求也呈现逐年增长的趋势。据我们测算，2019年该设备的市场空间将达到34亿美元。

ü  离子注入机具有极高的技术、资金、人才壁垒，目前该设备的主要技术为西方发达国家所垄断。其中，AMAT以超过70%的市占率稳坐行业第一把交易。近年来，我国本土半导体设备公司在政策支持、市场推动的作用下，正在加速缩短与世界领先公司的技术差距。作为我国集成电路设备公司的排头兵，中电科在承担“02”专项任务后，已经在离子注入机领域内攻克多项技术难题，多款设备已经得到产线认证，其28nm离子注入机设备已经进入中芯国际产线。

正  文

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01

半导体掺杂是集成电路生产的关键工艺步骤

在半导体生产工艺中，晶体硅作为晶圆的衬底材料，其导电性能很差。只有当硅中加入少量杂质，使其结构和电导率发生改变时，硅才成为一种有用的半导体。在硅晶体中加入杂质的这个过程被称为掺杂。

半导体掺杂是集成电路生产的关键工艺步骤，其基本部件PN结就是在硅衬底上进行掺杂的区域，该工艺被广泛应用于硅片制造的全过程。在晶圆加工过程中，有两种方法可以向晶圆中引入杂质元素，分别为热扩散和离子注入。

图1 离子注入与热扩散工艺示意图

来源：半导体科技，课程小组

(一)热扩散是早期硅片掺杂的主要手段

热扩散是通过将待扩散的杂质与硅片进行接触，利用高温驱散杂质穿过硅晶格，实现掺杂的工艺方式。在热扩散工艺中，硅片掺杂需经历三个过程：预淀积、推进和激活。其中，预淀积过程首先将杂质送进晶圆中，在硅片中形成很薄的一层杂质物质，为后续的扩散过程建立浓度梯度；推进过程使预淀积的杂质穿过硅晶体，在硅片中形成工艺预期的结深；而在激活步骤中，晶格中的硅原子与杂质原子实现键合，杂质原子被激活，从而改变了晶体硅的电导率。

热扩散因其工艺技术简单成为早期集成电路掺杂工艺的主要方式，但随着现代半导体制造工艺关键制程尺寸的不断减小以及器件空间复杂度逐渐增加，在前道加工过程中，几乎所有的热扩散掺杂工艺都已经被离子注入方式所取代。

(二)离子注入是现代集成电路制造中重要的掺杂技术

离子注入本质上是一个物理轰击的过程，它通过高压离子轰击的方式把纯净的带有一定能量的带电离子均匀地注入到硅片的指定位置。当杂质离子注入到材料内部后，该离子便会被材料吸收，成为材料的一部分，由此通过改变材料的表面成分、晶体结构来优化材料的表面性能。

与热扩散相比，离子注入技术最为显著的优点便是它能够在更小的制程尺寸工艺下实现硅片掺杂的目的。除此之外，离子注入工艺所具备的其他优点也使得其更加适用于半导体先进制造工艺中。因此，本篇报告的后续内容均将以离子注入为半导体掺杂的代表工艺进行研究。

图2 离子注入工艺优点

来源：公开资料整理，课程小组制作

02

二、离子注入机是半导体制造工艺中技术最为复杂的设备之一

离子注入机与光刻机、刻蚀设备和薄膜沉积设备被并称为集成电路制造的“四大金刚”，也正是由于该设备技术壁垒高、在生产工艺中具有重要的作用。因此，在我国《国家集成电路产业发展推进纲要》文件中，明确指出离子注入机是发展我国集成电路产业的关键设备。

(一)离子注入机工作流程

离子注入机的工作流程较为清晰，可以分为以下六个板块：第一，原材料在离子源部分产生带正电的杂质离子；第二，杂质离子由负性引出电极析出；第三，离子群在质量分析仪中的磁场进行筛选，选出后续注入工艺所需的掺杂离子束流；第四，掺杂离子束在电场中进行加速，使之具备足够的动能注入到硅片的晶格结构中；第五，掺杂离子束流扫描整个硅片，使硅片表面得到均匀掺杂；第六，由于离子束注入过程会对硅晶格造成破坏，所以需要热退火过程修复晶格，此外，热退火还将激活晶格结构中的杂质离子。

(二)离子注入机分类

离子注入设备是半导体制造工艺中重要的加工装备，按照设备所使用的离子能量和离子束电流大小可将其可分为高能量、高电流、中低电流三种。

高能量注入机的离子束具有较高能量，一般可达到500keV以上，但该设备掺杂浓度较低，主要用于材料衬底的深阱掺杂。

高电流注入机能获得较大的离子束电流，该设备掺杂浓度大，但由于离子能量较低，因此其注入深度较浅，该设备主要用于器件的源漏区掺杂和LDD区掺杂。

中低电流注入机应用比较广泛，该设备的离子能量和束流大小分别远小于高能量注入机和高电流注入机，被广泛应用于除深井掺杂和源漏掺杂以外几乎所有的离子掺杂工艺。

图3 离子注入机分类

来源：公开资料整理，课程小组制作

(三)离子注入机设备结构及工作原理

根据离子注入的工艺流程，该设备主要由离子源、引出电极、质量分析仪、加速管、扫描系统等几个部分组成。

图4 离子注入机结构示意图

来源： 凯世通，课程小组

1、离子源电离掺杂气体形成等离子体

掺杂气体除可直接从杂质气态源物质中获得外，还可通过加热并气化固态材料而得到。虽然通过固态源得到杂质气体所需的时间会相对较长，但由于存储方便，制造工艺简便，在实际生产中多数制造商更加偏向于使用固态离子源。

在离子源中，掺杂气体通过管道被输送到电弧反应室，随后被反应室中由热钨丝源所激发的电子轰击，并在灯丝附近产生等离子体。为增加掺杂气体的电离程度并稳定等离子体，通常情况下会在离子源外部施加一个平行于灯丝的磁场。

图5 离子源系统示意图

来源：产业信息网，小组制作

2、吸极系统将正离子从等离子体中分离出来

吸极系统用于收集离子源中产生的所有正离子，并使它们形成离子束。离子源中产生的等离子体通过电弧反应室的一个窄缝得到吸极系统中负电极的吸引离开电弧反应室。由于每个正离子都带有正电荷，它们会从离子源中被负极吸引，而且吸极的负电压还能够阻止等离子体中的电子，得到仅由正离子形成的离子束。

图6 吸极系统结构示意图

数据：产业信息网，课程小组

3、质量分析仪在众多正离子中析出待注入硅片的杂质离子

吸极系统从离子源中得到的正离子可能包含许多不同种类的离子，而在离子掺杂时只有特定种类的杂质离子才符合工艺的电性要求，因此便需要质量分析仪将掺杂工艺所需要的标的杂质离子从混合离子束中分离出来。

质量分析仪在工作时，其内部形成的垂直磁场会通过洛伦兹力的作用使离子束中所有的正离子按照弧形轨迹进行运动。在一定的磁场强度下，不同质量的正离子会出现半径大小不一的运动路径，重离子弧形轨迹的半径过大，而轻离子的运动半径则过小，唯有目标杂质离子能够按照恰当的半径偏转，进而顺利通过分析器磁铁的中心。

图7 质量分析仪示意图

来源：产业信息网，课程小组

4、加速管赋予轰击离子更高的动能

加速管由一系列被介质隔离的呈线性排列的电极组成，电极上的负电压依次逐渐增大。经过质量分析仪筛选过的正离子进入加速管时，它们就会在电场力的作用下进行加速运动。加速管总体的电压差是由各电极叠加而成，总电压越高，离子在电场力的作用下速度也会越快，并获得足够的动能。通过调节电极电压可以获得能量不同的杂质离子，高能量意味着杂质离子能够被注入到硅片的更深处，而低能量离子则可以被用于超浅结注入。

图8 加速管示意图

来源：产业信息网，课程小组

5、扫描系统使离子束能够覆盖整个硅片的待扫描区

聚束离子束是一条很小的线性高速离子流，它必须通过扫描系统才能够覆盖整个硅片。离子束扫描硅片的方式有两种：固定硅片，移动离子束；固定离子束，移动硅片。扫描方式在离子注入剂量的统一性和重复性方面起着关键作用。一般来说，中低电流注入机使用的是固定硅片的方法，大电流注入机使用的是固定离子束的方法。

图9 扫描系统示意图

来源：产业信息网，课程小组

03

影响半导体掺杂工艺效果的重要因素

(一)退火工艺在修复晶格缺陷的同时还会激活杂质元素

退火工艺通过加热被掺杂硅片来修复晶格缺陷，同时它还会使杂质原子移动到晶格点将其激活。在离子注入工艺中，当正离子高速轰击晶圆表面时，不可避免地会将硅原子撞击出晶格结构而损伤硅片晶格。如果注入的杂质剂量很大，那么被注入层将会变成非晶结构。除此之外，轰击离子基本不占据硅的晶格点，只是停留在晶格的间隙位置。这些间隙杂质并不表现出相应的电学性质，只有经过高温退火过程后杂质元素才能被激活。

目前，硅片退火主要有两种基本方法，它们分别是高温炉退火和快速热退火。传统方式的高温炉退火是在温度为800-1000摄氏度的高温炉内将硅片加热30分钟。而快速热退火则是以极快的升温速度对硅片进行加热并在目标温度下对其进行持续时间短暂的处理。值得注意的是，相比较于高温炉长时间对硅片进行加热的方式会引起注入杂质元素在硅片内进一步扩散，快速热退火能够在晶格缺陷修复、激活杂质和最小化杂质扩散三者之间取得优化平衡。

图10 热退火工艺原理图

来源：半导体科技，课程小组

图11 沟道效应示意图

来源：半导体科技，课程小组

1、倾斜硅片

倾斜硅片是减小沟道效应最常用的方法，它把硅片相对于离子束运动方向倾斜一个角度，保证了杂质离子进入晶体很短的距离内就会发生碰撞，以获得对注入离子投影射程更好的控制。

2、掩蔽氧化层

掩蔽氧化层是在离子注入工艺之前，在硅片表面生长或淀积的薄氧化层。掩蔽氧化层是为注入工艺而淀积的，并会在离子注入之后去除。当待注入的杂质离子通过掩蔽氧化层进入硅片后，它们的运动方向将是随机的，由此可以减小沟道效应。

3、预非晶化

预非晶化是指用电性不活泼的粒子损坏硅晶体表面薄层的单晶结构。随后注入的杂质离子会首先通过非晶结构的硅薄层，扰乱离子的运动方向，产生很小的沟道效应。而由预非晶化过程所导致的晶格损伤则会由热退火工艺进行修复。

04

离子注入机未来应用领域

(一)深埋层

闩锁效应是CMOS集成电路中一个非常重要的问题，它会导致芯片功能的混乱或者直接使电路完全失效。目前闩锁效应的控制方法通常是在硅片制造阶段用表面外延的方法进行控制，但是外延硅片的成本较高。因此，以大剂量离子注入形成埋层来替代外延的方法越来越受到关注。

(二)穿通阻挡层

穿通是指芯片沟道被短路，会发生电路漏电现象，最终导致器件失效。当沟道长度减小、漏端电场增大时，就会发生穿通。因此，对于沟道很短的亚微米器件必须有穿通阻挡层来提高芯片良率。作为防穿通阻挡层而注入的杂质位于临近源漏区的有源沟道下，它能够改变阱掺杂，以此防止在偏压下器件的漏耗尽区向沟道扩展。

(三)沟槽电容器

随着目前工艺节点的进步，沟槽电容器已经逐渐取代了平面存储电容器。沟槽电容器是在晶圆中用干法刻蚀沟槽形成的三维器件，它能够减小DRAM存储单元的尺寸，提升器件的存储容量。通常情况下，为了获得足够的电容，在电容器侧墙很薄一层中的杂质浓度应达到每平方厘米约10^19个原子，电容器侧墙的掺杂则需使用具有一定角度的离子注入工艺完成。此外，集成电路中其他的一些三维结构也会用到离子注入工艺，如沟槽隔离。

(四)绝缘层上硅

绝缘层上硅工艺中的绝缘层能够有效隔离硅片表面的器件，因此在先进硅片制造中成为了一种重要的纵向隔离技术。但是介电材料的晶合性质与纯硅不同，在氧化层上形成单晶硅会比较困难，由此造成的工艺复杂和高成本等问题限制了该工艺的广泛应用。解决此问题的一种方法是利用高能注入机将高浓度氧原子注入晶圆内，在高温退火时氧与硅发生反应，在硅表面下便会形成连续的氧化层。

图12 绝缘层上硅原理示意图

来源：产业信息网，课程小组

05

离子注入机市场空间广阔&设备国产化替代潜力巨大

(一)离子注入机2019年的市场空间为34亿美元

2017年以后，受到由智能手机和数据中心所使用的半导体存储器拉动市场需求增长的影响，全球半导体市场出现了行情的井喷式爆发。2017年全球半导体市场增速达到了自2010年以来的最大值22.0%，市场规模创历史新高，达到4120亿美元。2018年半导体产业将延续上一年的繁荣景象，市场规模有望达4500亿美元。

受近年来下游半导体市场景气行情的影响，全球掀起了晶圆厂产线的扩建潮，由此也带动了上游制造设备市场行情增长。据SEMI预测，2019年全球半导体设备销售金额将达到676亿美元，同比增长8.86%，超越去年所创下的621亿美元的历史高点。

图13 全球半导体设备销售额(单位：十亿美元)

来源：SEMI，课程小组

离子注入机作为半导体前道加工工艺至关重要的生产设备，其需求空间不仅会受到下游市场行情向好所带来的存量需求增长，而且还会受到工艺制程尺寸缩小、器件空间结构复杂度增加的增量需求增长。据我们测算，2019年该设备的市场空间达到34亿美元。

(二)半导体设备国产化替代任重而道远

伴随着第三次半导体产业转移，中国大陆正逐渐成为半导体设备重要的销售市场。据SEMI预测，2017-2020年中国大陆将新建26座12英寸晶圆厂，大陆新增晶圆产线在世界占比达42%。可以预见的是，半导体产业转移与晶圆产线扩建潮将会为半导体设备的国产化替代带来历史性的契机，未来大陆本土的设备公司将会具有极大的成长空间。

由于半导体设备具有极高的技术壁垒、资金壁垒和人才壁垒，目前该市场主要为美、日、荷等西方国家公司所垄断。国内公司经过近些年的奋起直追，虽然已经取得了诸多关键技术的突破，但是与国外先进公司相比，本土设备企业未来还有很大的增长空间。根据中国电子专用设备工业协会统计，2016年我国大陆半导体设备市场规模为72.9亿美元，同比增长36.1%，占全球市场份额的17.7%。其中，进口半导体设备64.6亿美元，同比增长38.6%，国产半导体设备为8.28亿美元，与我国巨大的市场需求形成鲜明对比的是，国产设备的市场份额仅为11.3%，未来我国半导体制造设备的国产化替代还有很长的路要走。

(三)应用材料：全球离子注入机的龙头企业

1967年，应用材料(AMAT)成立于美国山景城的一个小型厂房内，公司经过多年的潜心发展，已经从一个小规模的初创企业成长为全球最受推崇的企业之一。公司的业务板块主要由半导体产品、全球服务产品和显示器市场三大事业部组成，经营范围覆盖半导体、新型显示、工程软件等领域。目前AMAT已经成为全球半导体设备的领导者，其市场份额连续多年稳居全球首位。在离子注入机行业内，AMAT又以超过70%的市占率，成为该行业的绝对龙头。作为国际半导体设备的领先企业，AMAT的成长路径是值得国内公司进行深究和借鉴的。

1、重视研发，20亿美元的研发费用强力推动公司产品创新

AMAT始终将技术研发、产品创新作为维持公司稳坐行业第一把交椅的重要战略，多年来公司在研发费用支出上始终维持着高于10%的研发强度。其中，2018年AMAT研发费用达到20.19亿美元，为业界最高水平，同比增长13.81%。在高额研发费用的支撑下，AMAT的知识产权储备为业界最强，拥有近12000项专利，公司的创新能力极强，能够及时推出符合市场技术要求的先进离子注入机。

图14  AMAT研发费用指出(单位：亿美元)

来源：Choice，课程小组制作

2、公司并购，快速推动公司进入新的市场领域

公司外延并购是一个既可以快速获取新技术的手段，又能够通过被收购公司已经搭建好的销售渠道进入新市场。在此思想的影响下，AMAT凭借外延并购的手段不断拓展公司在半导体设备领域的业务板块，并迅速占领相关市场。2011年，AMAT耗资49亿美元成功收购当时全球离子注入机先进制造企业——Varian公司。在其后时间内，AMAT通过结合自身优势，挖掘公司整合的协同效应，不断增加AMAT在离子注入机市场的销售份额。

图15  AMAT外延并购路线图

来源：华创证券，课程小组

(四)中电科：离子注入设备国产替代的希望

中电科电子装备集团有限公司(中电科)成立于2013年，是由原中国电科集团2所、45所和48所整合而成，是中国电子科技集团公司的全资子公司。公司依托多年在集成电路核心装备领域的技术积累和军工科研生产的技术底蕴，已经在集成电路生产设备领域形成了局部成套和集成服务的能力。

1、中电科是大陆半导体制造设备领域的“国家队”

公司自成立起就一直深耕于半导体制造设备领域，已经取得了大量瞩目的成就。特别是在承担“02专项”任务以后，公司在许多关键技术上攻坚克难，填补了我国在该领域的多项技术空白。目前，公司产品涵盖集成电路生产制造和先进封装等多个领域，比如以离子注入机、平坦化装备、电化学沉积设备、光刻机等为代表的前道工艺制造设备，和以划片机、剪薄机、倒装键合设备为代表的后道封装工艺设备。2016年，公司以9.28亿元的设备销售收入，位居国内企业销售额榜首。

2、公司是国内唯一一家集研发、制造、服务于一体的离子注入机供应商

离子注入机是典型的资本、技术准入门槛高的行业，其较高的行业壁垒已经为国外老牌企业构筑了护城河。中电科在承担02专项后，在离子注入机的研发方面，一年迈上一个新台阶。多年来公司突破多项关键技术，取得发明专利101项，国际专利2项，已实现系列化产品并用于中芯国际90nm，55nm，40nm，28nm工艺生产线。未来，公司将会向性能更加优异、技术更加先进的方向发力，锻造离子注入机的国产品牌。

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