不只光刻機,我國在這個半導體核心領域也摸到了西方“腳后跟”

黃琨

芯片

6月初,市面上傳出消息,國內最強光刻機巨頭—上海微電子,將會在2021-2022年交付國內第1臺28nm的沉浸式光刻機。

在此之前,我國最頂尖的光刻機制程工藝還僅僅停留在90nm,和28nm之間差了65nm、40nm2個關鍵工藝節點。可以說,這次的成就是國內晶圓制造領域一次實實在在的大跨越,極大緩解了因為美國封殺中國科技企業帶來的沉重氣氛和悲觀情緒。

事實上,近期我國半導體制造領域的好消息不只這一個。在光刻機這一明星產品的光芒之下,一種同樣位于芯片制造核心、重要性可以說僅次于光刻機的設備也取得了突破,達到了可以摸西方“腳后跟”的水平。

6月30日,新華社報道,中國電子科技集團旗下電科裝備自主研制的高能離子注入機,成功實現百萬電子伏特高能離子加速,將在年底前推出首臺高能離子注入機,并可以為全球芯片制造企業提供離子注入機成套解決方案。

在此之前的6月15日,爍科中科信宣布,12英寸中束流離子注入機順利搬入集成電路大產線。更早之前的4月,兩大離子注入機供應商爍科中科信、凱世通攜手參與的“大束流離子注入機裝備及工藝研發”項目榮獲北京市科學技術進步一等獎。

以上事例說明,在半導體領域追趕發達國家的過程中,我國又取得了長足的進步。

雖然消息很激勵人心,不過想必大多數人看到這幾條新聞,首先冒出來的念頭應該是“什么是離子注入機?”

離子注入和離子注入機

在之前詳細介紹光刻機的文章(《當前中國芯片行業的那些“命門”:光刻機到底有多難?》)中,我們曾將芯片制造分為光刻膠旋涂、曝光、顯影、蝕刻等步驟,那實際上并非芯片制造過程的全部,而只是和光刻機相關的部分。

從整體上看,芯片制造可以分為7個關鍵環節,分別是擴散(Thermal Process)、光刻(Photo- lithography)、刻蝕(Etch)、離子注入(Ion Implant)、薄膜生長(Dielectric Deposition)、拋光(CMP,即化學機械拋光)、金屬化(Metalization)。

對應著7個環節,芯片制造流程需要7種核心設備:擴散爐、光刻機、刻蝕機、離子注入機、薄膜沉積設備、化學機械拋光機、清洗機。

離子注入是現代芯片制造中必不可少的環節,它是利用離子注入機將特定的雜質原子以離子加速的方式注入硅半導體晶體內,改變其導電特性,簡單說,就是向硅片里摻雜一些雜質。

可能有人很奇怪,好不容易把沙子做成純硅片,為什么又要往硅片里摻雜質?回答這個問題,首先要厘清半導體的概念。

雖然在現在的大眾語境下,半導體基本被等同于集成電路,“半導體產業”等同于芯片產業,但從原義上說,半導體實際上指的是一大類物質,即常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。

眾所周知,身邊那些通常情況下不導電的物質,比如橡膠、玻璃、陶瓷燈等,我們都稱之為絕緣體;而金、銀、銅、鐵等金屬物質則是導電的,稱為導體,可以簡單的把介于導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。

半導體之所以有用,就是因為它的這種介乎導電與不導電之間的性質。但問題在于,純凈的硅在室溫下,導電率是很小的,接近于絕緣體。同時,一整片的硅片也無法控制其電流走向,所以要在特定的地方摻入雜質,改變其導電率和導電性質。

過去,讓硅片摻入雜質通常采用的是擴散工藝,也就是將需要的雜質和硅片一起放在高溫環境中,利用粒子從濃度高處移向濃度低處的原理,使雜質自然擴散到硅片中。

但隨著芯片制程工藝不斷上升,集成度越來越高,尺寸越來越小,雜質在硅片中擴散的濃度、深度和分布范圍都需要更精確地控制,所以小尺寸的芯片現在都采用離子注入工藝。

相比于擴散,離子注入的優點有很多,包括可以精確控制摻雜濃度和摻雜深度、可以獲得任意的雜質分布、雜質濃度的均勻性和重復性好、摻雜溫度低、沾污少、無固溶度極限。

在芯片制造中,離子注入的作用是在硅片上特定的地方,摻入N型雜質(帶負點)或P型雜質(帶正電),也就是N阱或P阱,然后在阱區上制造晶體管(現在都是場效應管MOS-FET了,原理可自行谷歌)。

具體流程可以參考之前關于光刻機的文章,只不過在蝕刻步驟之前,要加入離子注入工序:

1、在光刻膠被清除的地方注入N型雜質或P型雜質,形成阱區。

2、在阱區上形成二氧化硅層。

3、在垂直爐中覆蓋一層導電的多晶硅。

4、通過光刻和蝕刻去除部分多晶硅,只剩下連接各個晶體管的多晶硅管道,作為晶體管柵極。

5、通過再一次光刻和離子注入,制程晶體管的源/漏極。

6、退火。

之后多次重復上述工序,就在硅片表面制造出了一層一層的電路。可以說,在芯片中晶體管制造這一工序上,離子注入機做的工作占大頭。

難點

前面提到,離子注入有許多優點,但其缺點也非常顯著,首先是用高能雜質離子轟擊硅片,如果控制不好,可能會使硅片晶格產生損傷,甚至失去晶體特性。另一個缺點對于我國更加顯著,那就是晶體注入需要非常復雜且昂貴的機器,技術門檻很高。

總的來說,離子注入機包括離子源、離子引入和質量分析器、加速管、掃描系統和工藝腔5個部分組成。

離子注入機

雖然看上去只有“區區”5部分,但是僅離子源就包括了下面這么多東西,整個系統的復雜程度可想而知。

離子源

系統復雜還在其次,其內部運作的工序也十分繁瑣,離子源是離子注入機的主要部位,作用是把需要注入的元素氣態粒子電離成離子,決定要注入離子的種類和束流強度。

離子源直流放電或高頻放電產生的電子作為轟擊粒子,當外來電子的能量高于原子的電離電位時,通過碰撞使元素發生電離。碰撞后除了原始電子外,還出現正電子和二次電子。

正離子進入質量分析器選出需要的離子,再經過加速器獲得較高能量,由四級透鏡聚焦后進入靶室,進行離子注入。

從學術角度,顯示操作包括以下工序:

1、離化反應:真空低壓離化反應室碰撞產生離子;

2、質譜分析:選擇需要的硼離子;

3、離子加速:獲取動能以穿透晶圓表明;

4、電荷控制:防止高強正電荷破壞晶圓絕緣層;

5、束流與掃描:為使注入成功束流需聚焦并對晶圓掃描;

6、退出靶室:取出靶室并裝入片駕盒。

在這個過程中也有許多難點,比如晶片在不同機器間傳遞容易碎裂、束流穩定性不足、離子源壽命不足、冷卻達不到指標、晶片可能被擊穿等等。

列強環伺

常用的生產型離子注入機主要有3種,分別是低能大束流注入機、高能注入機和中束流注入機,主要以能量范圍區分。

低能大束流離子注入機的能量范圍在0.2-100KeV,主要用于高劑量、淺度摻雜;中束流離子注入機能量范圍在數百keV,主要用于中低劑量、高精度控制摻雜;高能離子注入機能量范圍在百萬eV,主要用于深度摻雜。

除了這3種主流機器外,還有一些為滿足特別需求制造的特種應用離子注入機。

在實際制造過程中,各環節對離子注入的要求不同,比如在結深(在注入時給予離子的能量)、劑量(注入時所需的雜質數量大小)、均勻性、重復性等方面都有不同的需求。所以為了滿足這些不同的需求,各類離子注入機在芯片設計中都會得到應用。

不過,從重要程度而言,高能離子注入機的能量范圍需要高達幾MeV(百萬電子伏特),是離子注入機中技術難度最大的機型。現代新型集成電路和電力電子器件的制造,離不開高能離子注入工藝,包括DRAM、IGBT、FSD等等。它也是IGBT器件制造工藝的關鍵設備。

從文章開頭可以看到,就在今年,我國在這個領域取得了很大進步,已經快要接近行業領先水平。不過我國自主制造的設備產量如何尚未可知,對市場格局的影響還需要時間觀察。

從往年的數據看,這個行業存在較高競爭壁壘,所以行業集中度較高,而且集中在美國廠商受眾。應用材料(Applied Materials)、亞舍立(Axcelis)、漢辰科技(Advanced Ion Beam Technology,AIBT)合計占據全球80%的市場。

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