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”

日期:2020-07-10 17:55:46 作者:guest 浏览: 查看评论 加入收藏

芯片

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。

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