2022年半导体设备产业细分及市场格局研究.docx

2022年半导体设备产业细分及市场格局研究1.从集成工艺到模块工艺，28nm制程的制造流程解析前段集成工艺中的主要流程、主要设备拆解前段集成工艺主要包含浅槽隔离工艺、双阱和深n阱工艺、栅氧化层和多晶硅栅工艺、补偿侧墙和n/p轻掺杂漏极工艺、主侧墙和n+/p+源漏(S/D)的形成、锗硅外延、应力记忆技术等。下表展示了28nm平面CMOS制程主要工序及对应设备的梳理，不难看出由于加工对象不同，所涉及设备的细分品种和性能要求也有所不同；据下表统计，28nm制程中可能用到9种以上的刻蚀设备，7种以上CVD设备和4种以上的氧化设备。其中，用于栅极与源漏极等工序的设备在加工精细度的要求更高，单机价格更贵。中后段集成工艺中的主要流程、主要设备拆解步入45/32nm及以下制程节点，中段工艺中的加工也采用了更加复杂的子对准硅化物工艺（Self-AlignedSilicide）、高k介质和替代金属栅工艺（High-kMetalGate，HKMG）；此外，由于接触孔和钨栓塞尺寸也在同步缩小，考虑到W附着性、扩散等问题，也增加了TiN/Ti的薄膜沉积过程。在后段工艺中，金属连线材质由铝变为铜，金属刻蚀难度激增而变得不再适用，镶嵌、低k介质等工艺被广泛采用。2.从单项工艺出发，国产半导体设备的格局演绎热氧化：前段制程应用广泛，快速热氧化技术重要性凸显传统氧化工艺分为干氧氧化、湿氧氧化两种，干氧氧化效果好，湿氧氧化速度快。氧化工艺是指用热氧化的方式在硅片表面形成二氧化硅（SiO2）的过程，由于SiO2具有优越的绝缘性以及工艺的可行性，在集成电路制造过程中被广泛采用。其中：干氧氧化是指氧分子以扩散的方式穿过已经形成的氧化层，到达SiO2-Si界面，进一步与Si反应形成结构致密、厚度均匀的SiO2薄膜，其化学式为：Si+O2=SiO2。多数干氧氧化中还有掺氯行为，用以提高氧化层的质量。湿氧氧化是指在氧气中直接携带水蒸气，或携带氢气反应得到水汽的方式，与Si发生反应在表面形成一层SiO2薄膜，且可以通过调节水蒸气/氢气与氧气的比例来控制氧化速率，且速度比干氧氧化高一个数量级。SiO2主要用于前、中、后段制程的多个工艺，随着制程缩进热预算显著降低。在集成电路制造工艺中，SiO2薄膜可用作MOS器件中的栅介质以及器件的保护与隔离、表面钝化处理、离子注入掩蔽层、扩散阻挡层、硅与其他材料之间的缓冲层等等。栅介质是用来将CMOS的栅极与下方源极、漏极、源漏极间导电沟道隔离开的氧化介质层，其作用是维持一个用来控制下方沟道的导通、关断的电场，在芯片中最微观的晶体管层面发挥着重要作用。氧化是前段核心工艺之一，随着制程精进，氧化工艺难度快速增加。以栅介质GateOxide为例，前段工艺中的GateOxide的质量直接影响了芯片性能，所以在厚度、致密性及均匀度上要求是最高的，同时由于GateOxide是晶体管的一部分，因此其能够引入的热预算也相对更低，总的来说GateOxide既对加工结果提出了最高要求，又对加工过程进行了严格的限制。传统热氧化工艺存在需要高温环境、速度较慢等缺点，引入的热预算1很高，会造成硅片杂质的再分布，导致器件性能劣化。在先进的技术节点中，一般会采用快速热氧化（RapidThermalOxidation，RTO）等方法生长栅介质超薄界面层（InterfacialLayer），快速热氧化设备成为了前段制程的核心设备之一。当前，国内快速热氧化设备仍然较为空白，给北方华创、屹唐半导体、盛美上海等供应炉管类设备的公司留出了进一步发展的空间。刻蚀设备：向多样化和特殊化发展，平台化企业更具竞争力刻蚀设备是用于去除薄膜表面材料的设备，其核心性能指标较多，单一设备难以面面俱到。主要的指标，刻蚀速率、刻蚀剖面、刻蚀偏差、选择比、均匀性、残留物、聚合物、等离子体诱导损伤以及颗粒沾污和缺陷等，含义分别是：刻蚀速率：刻蚀过程中去除薄膜表面材料的速度，一般为几十-几百纳米每分钟。刻蚀剖面：指被刻蚀图形的侧壁形状，一般来讲需要各向异性好的刻蚀，即仅在一个方向（纵向）刻蚀。刻蚀选择比：同一刻蚀条件下两种不同材料刻蚀速率的比值。理想的RIE刻蚀系统不会腐蚀其刻蚀对象以外的材料，但实际应用过程中顶部掩膜也会被刻蚀，因此好的刻蚀系统能够最小化顶部掩膜刻蚀速率、最大化底部刻蚀速率。刻蚀均匀性：衡量晶圆内部及工艺可重复性的指标。由于晶圆中的图形分布是不均匀的，同时刻蚀孔洞的宽度也不尽相同，在图形更加密集、孔洞面积更小的区域刻蚀较慢，导致材料刻蚀的深度不同；优秀的刻蚀设备应尽量保证刻蚀过程的一致性。残留物：指刻蚀后晶圆不需要的遗留物，一般由不充足的过刻蚀及非挥发性的刻蚀副产品引起。刻蚀设备的分类：8-12寸晶圆产线须用到干法刻蚀，以反应离子刻蚀设备为主。传统的化学刻蚀设备选择比好、刻蚀速率快，但各向