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不只光刻机,我国在这个半导体核心领域也摸到了西方“脚后跟”
2020-07-09 15:49 前瞻网   

 

6月初,市面上传出消息,国内最强光刻机巨头—上海微电子,将会在2021-2022年交付国内第1台28nm的沉浸式光刻机。

在此之前,我国最顶尖的光刻机制程工艺还仅仅停留在90nm,和28nm之间差了65nm、40nm2个关键工艺节点。可以说,这次的成就是国内晶圆制造领域一次实实在在的大跨越,极大缓解了因为美国封杀中国科技企业带来的沉重气氛和悲观情绪。

事实上,近期我国半导体制造领域的好消息不只这一个。在光刻机这一明星产品的光芒之下,一种同样位于芯片制造核心、重要性可以说仅次于光刻机的设备也取得了突破,达到了可以摸西方“脚后跟”的水平。

6月30日,新华社报道,中国电子科技集团旗下电科装备自主研制的高能离子注入机,成功实现百万电子伏特高能离子加速,将在年底前推出首台高能离子注入机,并可以为全球芯片制造企业提供离子注入机成套解决方案。

在此之前的6月15日,烁科中科信宣布,12英寸中束流离子注入机顺利搬入集成电路大产线。更早之前的4月,两大离子注入机供应商烁科中科信、凯世通携手参与的“大束流离子注入机装备及工艺研发”项目荣获北京市科学技术进步一等奖。

以上事例说明,在半导体领域追赶发达国家的过程中,我国又取得了长足的进步。

虽然消息很激励人心,不过想必大多数人看到这几条新闻,首先冒出来的念头应该是“什么是离子注入机?”

离子注入和离子注入机

在之前详细介绍光刻机的文章(《当前中国芯片行业的那些“命门”:光刻机到底有多难?》)中,我们曾将芯片制造分为光刻胶旋涂、曝光、显影、蚀刻等步骤,那实际上并非芯片制造过程的全部,而只是和光刻机相关的部分。

从整体上看,芯片制造可以分为7个关键环节,分别是扩散(Thermal Process)、光刻(Photo- lithography)、刻蚀(Etch)、离子注入(Ion Implant)、薄膜生长(Dielectric Deposition)、抛光(CMP,即化学机械抛光)、金属化(Metalization)。

对应着7个环节,芯片制造流程需要7种核心设备:扩散炉、光刻机、刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备、化学机械抛光机、清洗机。

离子注入是现代芯片制造中必不可少的环节,它是利用离子注入机将特定的杂质原子以离子加速的方式注入硅半导体晶体内,改变其导电特性,简单说,就是向硅片里掺杂一些杂质。

可能有人很奇怪,好不容易把沙子做成纯硅片,为什么又要往硅片里掺杂质?回答这个问题,首先要厘清半导体的概念。

虽然在现在的大众语境下,半导体基本被等同于集成电路,“半导体产业”等同于芯片产业,但从原义上说,半导体实际上指的是一大类物质,即常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

众所周知,身边那些通常情况下不导电的物质,比如橡胶、玻璃、陶瓷灯等,我们都称之为绝缘体;而金、银、铜、铁等金属物质则是导电的,称为导体,可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。

半导体之所以有用,就是因为它的这种介乎导电与不导电之间的性质。但问题在于,纯净的硅在室温下,导电率是很小的,接近于绝缘体。同时,一整片的硅片也无法控制其电流走向,所以要在特定的地方掺入杂质,改变其导电率和导电性质。

过去,让硅片掺入杂质通常采用的是扩散工艺,也就是将需要的杂质和硅片一起放在高温环境中,利用粒子从浓度高处移向浓度低处的原理,使杂质自然扩散到硅片中。

但随着芯片制程工艺不断上升,集成度越来越高,尺寸越来越小,杂质在硅片中扩散的浓度、深度和分布范围都需要更精确地控制,所以小尺寸的芯片现在都采用离子注入工艺。

相比于扩散,离子注入的优点有很多,包括可以精确控制掺杂浓度和掺杂深度、可以获得任意的杂质分布、杂质浓度的均匀性和重复性好、掺杂温度低、沾污少、无固溶度极限。

在芯片制造中,离子注入的作用是在硅片上特定的地方,掺入N型杂质(带负点)或P型杂质(带正电),也就是N阱或P阱,然后在阱区上制造晶体管(现在都是场效应管MOS-FET了,原理可自行谷歌)。

具体流程可以参考之前关于光刻机的文章,只不过在蚀刻步骤之前,要加入离子注入工序:

1、在光刻胶被清除的地方注入N型杂质或P型杂质,形成阱区。

2、在阱区上形成二氧化硅层。

3、在垂直炉中覆盖一层导电的多晶硅。

4、通过光刻和蚀刻去除部分多晶硅,只剩下连接各个晶体管的多晶硅管道,作为晶体管栅极。

5、通过再一次光刻和离子注入,制程晶体管的源/漏极。

6、退火。

之后多次重复上述工序,就在硅片表面制造出了一层一层的电路。可以说,在芯片中晶体管制造这一工序上,离子注入机做的工作占大头。

难点

前面提到,离子注入有许多优点,但其缺点也非常显著,首先是用高能杂质离子轰击硅片,如果控制不好,可能会使硅片晶格产生损伤,甚至失去晶体特性。另一个缺点对于我国更加显著,那就是晶体注入需要非常复杂且昂贵的机器,技术门槛很高。

总的来说,离子注入机包括离子源、离子引入和质量分析器、加速管、扫描系统和工艺腔5个部分组成。

虽然看上去只有“区区”5部分,但是仅离子源就包括了下面这么多东西,整个系统的复杂程度可想而知。

系统复杂还在其次,其内部运作的工序也十分繁琐,离子源是离子注入机的主要部位,作用是把需要注入的元素气态粒子电离成离子,决定要注入离子的种类和束流强度。

离子源直流放电或高频放电产生的电子作为轰击粒子,当外来电子的能量高于原子的电离电位时,通过碰撞使元素发生电离。碰撞后除了原始电子外,还出现正电子和二次电子。

正离子进入质量分析器选出需要的离子,再经过加速器获得较高能量,由四级透镜聚焦后进入靶室,进行离子注入。

从学术角度,显示操作包括以下工序:

1、离化反应:真空低压离化反应室碰撞产生离子;

2、质谱分析:选择需要的硼离子;

3、离子加速:获取动能以穿透晶圆表明;

4、电荷控制:防止高强正电荷破坏晶圆绝缘层;

5、束流与扫描:为使注入成功束流需聚焦并对晶圆扫描;

6、退出靶室:取出靶室并装入片驾盒。

在这个过程中也有许多难点,比如晶片在不同机器间传递容易碎裂、束流稳定性不足、离子源寿命不足、冷却达不到指标、晶片可能被击穿等等。

列强环伺

常用的生产型离子注入机主要有3种,分别是低能大束流注入机、高能注入机和中束流注入机,主要以能量范围区分。

低能大束流离子注入机的能量范围在0.2-100KeV,主要用于高剂量、浅度掺杂;中束流离子注入机能量范围在数百keV,主要用于中低剂量、高精度控制掺杂;高能离子注入机能量范围在百万eV,主要用于深度掺杂。

除了这3种主流机器外,还有一些为满足特别需求制造的特种应用离子注入机。

在实际制造过程中,各环节对离子注入的要求不同,比如在结深(在注入时给予离子的能量)、剂量(注入时所需的杂质数量大小)、均匀性、重复性等方面都有不同的需求。所以为了满足这些不同的需求,各类离子注入机在芯片设计中都会得到应用。

不过,从重要程度而言,高能离子注入机的能量范围需要高达几MeV(百万电子伏特),是离子注入机中技术难度最大的机型。现代新型集成电路和电力电子器件的制造,离不开高能离子注入工艺,包括DRAM、IGBT、FSD等等。它也是IGBT器件制造工艺的关键设备。

从文章开头可以看到,就在今年,我国在这个领域取得了很大进步,已经快要接近行业领先水平。不过我国自主制造的设备产量如何尚未可知,对市场格局的影响还需要时间观察。

从往年的数据看,这个行业存在较高竞争壁垒,所以行业集中度较高,而且集中在美国厂商受众。应用材料(Applied Materials)、亚舍立(Axcelis)、汉辰科技(Advanced Ion Beam Technology,AIBT)合计占据全球80%的市场。

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责任编辑: 3976DBC

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