集成電路制造裝備發(fā)展趨勢及對策

集成電路制造裝備發(fā)展趨勢及對策

2006年8月22日中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所唐景庭目錄一、概述二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢三、我國半導(dǎo)體裝備制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與差距四、重點(diǎn)發(fā)展方向五、重點(diǎn)措施六、結(jié)束語中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所一、前言

信息產(chǎn)業(yè)是信息化發(fā)展水平的重要指標(biāo)，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要基礎(chǔ)支撐信息產(chǎn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)之一全世界共有集成電路芯片生產(chǎn)線1000余條,生產(chǎn)能力折合成8

英寸硅片，月出片量約為800萬片我國制造電子信息產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝設(shè)備幾乎都是從國外引進(jìn)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體設(shè)備、電子元器件、電子信息產(chǎn)品整體協(xié)調(diào)快速發(fā)展已成為我國半導(dǎo)體設(shè)備制造業(yè)迫在眉睫的任務(wù)。中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

表1國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（ITRS）（2005年版）

中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所年份20062007200820092010201120122013201420152016201720182004年版技術(shù)節(jié)點(diǎn)\nm706557504535322522182005年版技術(shù)節(jié)點(diǎn)\nm70655750454035322825222018圓晶尺寸\mm300450450金屬層數(shù)（更新）10101010121212121313141414世界各大IC公司量產(chǎn)90nm工藝的進(jìn)程

公司晶片尺寸/mm量產(chǎn)時間應(yīng)用產(chǎn)品英特爾3002003年下半年奔騰4A.M.S2002003年下半年桌面處理器TI200/3002003年下半年新一代UltraSparcinfineon3002003年底邏輯器件臺積電3002003年三季度邏輯器件臺聯(lián)電3002003年下半年FPGA三星電子2003年底512Mb/1GbNAND閃存FlashVision2004年上半年4GbNAND閃存中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所全球半導(dǎo)體市場圖12005年半導(dǎo)體制備設(shè)備的市場份額

包括前道設(shè)備、后道設(shè)備、制版設(shè)備、材料制備設(shè)備等,其中離子注入摻雜占有5.2%

中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所表3半導(dǎo)體設(shè)備銷售預(yù)測(按設(shè)備類型分類)

設(shè)備類型2006年億美元相對增長率(%)2007年億美元相對增長率(%)2008年億美元相對增長率(%)2009年億美元相對增長率(%)圓片加工274.220.0275.50.5310.812.8311.20.1組裝封裝23.811.623.4-1.726.111.726.41.3測試60.213.965.18.169.46.773.35.6其他29.914.629.7-0.634.415.732.3-6.0設(shè)備總計388.118393.61.4440.712.0443.30.6中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所表4半導(dǎo)體設(shè)備銷售預(yù)測(按市場區(qū)域分類)

設(shè)備市場2006年億美元相對增長率%2007年億美元相對增長率%2008美元相對增長率%2009年億美元相對增長率%北美69.021.0770.52.1078.911.9478.7-0.27日本89.18.9292.13.4199.78.2397.5-2.20臺灣69.721.8769.6-0.1479.714.4679.1-0.69歐洲37.314.4737.71.0641.910.9840.6-2.94韓國64.09.8866.03.0875.514.3676.41.31中國23.778.1123.4-1.2427.617.8430.912.22其它35.323.2734.3-2.6837.69.5240.06.37設(shè)備總計388.118.0393.61.4440.712.0443.30.6中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所三、我國半導(dǎo)體裝備發(fā)展現(xiàn)狀與差距---已基本掌握了8英寸0.25微米技術(shù)設(shè)備的再造能力；自主研制的集成電路專用設(shè)備達(dá)到上百個品種。---國家“863”項目組織的8英寸100nm離子注入機(jī)等集成電路制造裝備重大專項項目已研制完成，達(dá)到了大生產(chǎn)線的使用要求,---100nmCMP設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)先研究已完成，8英寸0.25微米立式擴(kuò)散爐、快速熱處理設(shè)備已研制出樣機(jī)以及8英寸材料制備設(shè)備等正在研制中。中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所主要差距與問題（1）技術(shù)落后加工線寬：相差五個技術(shù)檔次（0.35μm、0.25μm、

0.18μm、0.13μm、0.1μm）加工尺寸：國外12英寸設(shè)備已經(jīng)成熟，我國8英寸設(shè)備仍在試制階段。（2）規(guī)模太小國產(chǎn)設(shè)備國內(nèi)市場占有率不到2%，占我國半導(dǎo)體行業(yè)銷售額的0.5%，占全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額的0.1%左右。（3）對專用設(shè)備的認(rèn)識和政策不到位缺乏與電子信息產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，影響了技術(shù)、人才、資金等社會資源對電子專用設(shè)備業(yè)的注入，限制了行業(yè)的快速發(fā)展

（4）基礎(chǔ)研究嚴(yán)重缺乏，創(chuàng)新開發(fā)能力弱以跟蹤、模仿、借鑒、翻新為主，正向設(shè)計少，基礎(chǔ)和原理性的研究缺乏，難以創(chuàng)新。（5）人才缺乏高層次人才少，既精通集成電路制造工藝又掌握整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計制造技術(shù)的復(fù)合型人才更少。（6）工藝配合不到位，與使用環(huán)節(jié)脫節(jié)

工藝單位參與設(shè)備研制少，積極性得不到充分發(fā)揮。

（7）投資嚴(yán)重不足國外公司的研發(fā)費(fèi)占銷售收入的15%，用于新品開發(fā)的費(fèi)用高達(dá)單臺售價的十幾倍，我國僅為其幾十分之一。中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所四、重點(diǎn)發(fā)展方向

集成電路制造中的主要工藝:曝光、離子注入、刻蝕、氧化、鍍膜等工藝

圖一亞微米CMOSIC制造廠的典型硅片流程模型現(xiàn)代離子注入工藝的特點(diǎn)：

離子注入次數(shù)逐年增加：如64Mbit為20次，256Mbit為30次注入離子的種類逐年增多：

B、P、As、In、Sb、Si、Ge、N、F、O、C等注入離子的能量逐漸擴(kuò)寬:

最低能量需1keV以下，高能端大于3MeV

注入離子劑量范圍逐漸擴(kuò)寬最高注入劑量大于1016ions/cm2，最低劑量接近1011ions/cm2

中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所圖2CMOS晶體管摻雜橫截面圖離子注入工藝：

①溝道區(qū)及阱區(qū)注入

有閾值電壓調(diào)節(jié)、反穿通，埋層、阱間絕緣阱區(qū)反型和吸收注入。

②多晶硅注入

降低多晶硅的電阻

③源漏區(qū)注入

大角度（Halo）、延伸（Extxnsion）、源漏（source-drain）及非晶體化注入

中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所圖11器件技術(shù)代與離子注入能量的關(guān)系

面臨的挑戰(zhàn)：隨著器件特征尺寸的縮小，結(jié)深要求越來越淺，離子注入的能量要求也越來越低，摻雜濃度要求越來越高。中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所離子注入工藝1、大傾角離子注入--100nm離子注入工藝

Halo的注入工藝：主要是防止漏源相通，降低延伸區(qū)的結(jié)深以及縮短溝道長度，使載流子分布更陡，提高芯片的性能圖3100nm注入工藝特點(diǎn)中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所（1）離子光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)

主要關(guān)鍵技術(shù)：圖4光路單元布局圖

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計是注入機(jī)機(jī)械和電氣部件設(shè)計制作的依據(jù)，也是解決污染、確保整體尺寸、保證注入均勻性等的重要途徑

中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所（2）長壽命離子源技術(shù)

圖5長壽命離子源及引出系統(tǒng)

放電室采用特殊結(jié)構(gòu)、特種間熱式陰極材料采用三電極三維可調(diào)節(jié)加減速引出系統(tǒng)

中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所（3）平行束技術(shù)

圖8平行束透鏡出口的磁場分布和離子束軌跡圖

平行束可以使整個晶片上的注入角度保持一致，提高均勻性和重復(fù)性，防止入射離子在晶片的晶格結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生溝道效應(yīng)，也可以使之產(chǎn)生均勻的所需要的溝道

圖7離子束著靶束包絡(luò)（3）平行束技術(shù)

中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所2、低能大束流離子注入--65nm離子注入工藝

中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所65nm代器件，源漏區(qū)注入不但最小結(jié)深只有15nm，而且注入劑量非常大，達(dá)到1E16ions/cm2量級圖12注入能量與超淺結(jié)的形成曲線分析

主要關(guān)鍵技術(shù)：

（1）低能離子傳輸理論與技術(shù)（2）離子束減速技術(shù)（3）大片徑高速全自動靶室技術(shù)（4）注入時圓片電荷消除技術(shù)（5）離子束擴(kuò)束技術(shù)（6）注入劑量自動補(bǔ)償技術(shù)中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所3、掃描斑點(diǎn)式單晶片離子注入機(jī)（45、32nm離子注入工藝）

45nm工藝后，離子摻雜后的超淺結(jié)深為9.5nm，為了進(jìn)一步減小超淺結(jié)結(jié)深，按照傳統(tǒng)方法我們必須減小離子注入能量，向超低能量（200-500eV）離子注入方向發(fā)展。減少其能量污染效應(yīng)，提高生產(chǎn)效率。但現(xiàn)有高電流低能離子注入機(jī)很難滿足要求。用高分子量摻雜材料進(jìn)行等效離子摻雜是滿足45nm及以下工藝要求的有效方法。中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所45、32nm工藝面臨的主要難點(diǎn)(1)陰影效應(yīng)和能量污染效應(yīng)

圖13強(qiáng)流離子注入引起的柵極陰影效應(yīng)導(dǎo)致不對稱晶體管的形成

離子注入機(jī)設(shè)備錐形角陰影效應(yīng)導(dǎo)致不對稱晶體管的形成

高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動則會導(dǎo)致粒子（particle）引起的多晶硅結(jié)構(gòu)失效中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所圖14與等效B摻雜相比,B10H14摻雜顯著降低了高溫退火后的結(jié)深

高分子量摻雜材料（B10H14或B18H22）的使用,可以消除陰影效應(yīng)和能量污染效應(yīng)，同時還能對摻雜表面進(jìn)行無定形化處理，減小隧穿效應(yīng)，避免EOR損傷,同時顯著降低了高溫退火后的結(jié)深。中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所(2)注入角度變動范圍

45、32nm工藝要求300mm晶片上的離子注入角度變動范圍小于0.1°，包括離子束發(fā)散和傾斜角引起的綜合效應(yīng)?，F(xiàn)有離子入機(jī)很難保證。采用較高分子量摻雜材料時，掃描斑點(diǎn)式單晶片離子注入機(jī)的等效離子注入能量范圍為100-750eV。300mm晶片的傾斜角度為0°-±60°時，離子注入角度變動范圍都在0.11°以內(nèi)，注入速度則大于375wph（片/小時）。中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所(3)離子束的發(fā)散角增大，使離子束電流小

45、32nm工藝HALO離子注入的能量在1keV以下，劑量為5-10×1015/cm2范圍內(nèi)。低能量離子注會增加離子束發(fā)散程度，減小離子束電流和降低生產(chǎn)效率.

采用高分子摻雜材料進(jìn)行等效摻雜，提高離子注入的實(shí)際能量用B10H14取代B可以使離子束發(fā)散角度減小12倍，從1.2°變?yōu)?.10°；離子束大小縮小11.4倍，從139mm變?yōu)?2mm中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所掃描斑點(diǎn)式單晶片離子注入機(jī)關(guān)鍵技術(shù)1)高分子量等效摻雜離子源技術(shù)

研究低能高分子量等效摻雜離子的產(chǎn)生及低能高分子量離子束的傳輸技術(shù)

2)低能平行束技術(shù)

研究均勻磁場平行束透鏡矯正離子束技術(shù)

中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所3)大片徑1-D掃描全自動靶室技術(shù)

研究機(jī)械傳送機(jī)構(gòu)及傳輸環(huán)境，以減少微粒污染。研究大尺寸晶片的靜電夾持技術(shù)研究多方位注入的精確控制技術(shù)研究大束流注入條件下的晶片冷卻技術(shù)4)離子束擴(kuò)束技術(shù)

研究離子束經(jīng)平行束校正裝置校正仍然達(dá)不到平行度的要求，因此采用擴(kuò)束技術(shù)，將離子束在X方向擴(kuò)張成束密度均勻分布長條形。中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所5)防能量污染系統(tǒng)技術(shù)

研究高穩(wěn)定度高壓電源技術(shù)

研究能量濾除系統(tǒng)，提高著靶束流的能量純度。

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