主要观点

ü  掺杂是指在硅晶体中加入少量的杂质元素，以此改变衬底材料的电学性质，是半导体加工制造过程中关键的工艺技术。根据掺杂的技术原理，该工艺可分为热扩散和离子注入，由于离子注入技术可以在芯片制成尺寸更小、空间结构更复杂的情况下实现元素掺杂。因此，在现代先进集成电路生产环节中，离子注入已经成为主要的掺杂方式。

ü  离子注入机按照工艺功能可以将其分为离子源、吸极系统、质量分析仪、加速管和扫描系统等几大板块，它是半导体前道加工工艺中最为复杂的生产装备之一。未来，随着半导体生产工艺的进步，除了既有的领域外，离子注入机还会被用于集成电路深埋层、穿通阻挡层、沟槽电容器和绝缘层上硅等领域内。

ü  受存储器等半导体产品紧俏行情的影响，集成电路上游产线的设备市场近几年也出现需求增长的行情。离子注入机作为半导体前道工艺环节重要的生产设备，其市场需求也呈现逐年增长的趋势。据我们测算，2019年该设备的市场空间将达到34亿美元。

ü  离子注入机具有极高的技术、资金、人才壁垒，目前该设备的主要技术为西方发达国家所垄断。其中，AMAT以超过70%的市占率稳坐行业第一把交易。近年来，我国本土半导体设备公司在政策支持、市场推动的作用下，正在加速缩短与世界领先公司的技术差距。作为我国集成电路设备公司的排头兵，中电科在承担“02”专项任务后，已经在离子注入机领域内攻克多项技术难题，多款设备已经得到产线认证，其28nm离子注入机设备已经进入中芯国际产线。

正  文

01

半导体掺杂是集成电路生产的关键工艺步骤

在半导体生产工艺中，晶体硅作为晶圆的衬底材料，其导电性能很差。只有当硅中加入少量杂质，使其结构和电导率发生改变时，硅才成为一种有用的半导体。在硅晶体中加入杂质的这个过程被称为掺杂。

半导体掺杂是集成电路生产的关键工艺步骤，其基本部件PN结就是在硅衬底上进行掺杂的区域，该工艺被广泛应用于硅片制造的全过程。在晶圆加工过程中，有两种方法可以向晶圆中引入杂质元素，分别为热扩散和离子注入。

图1 离子注入与热扩散工艺示意图

来源：半导体科技，课程小组

(一)热扩散是早期硅片掺杂的主要手段

热扩散是通过将待扩散的杂质与硅片进行接触，利用高温驱散杂质穿过硅晶格，实现掺杂的工艺方式。在热扩散工艺中，硅片掺杂需经历三个过程：预淀积、推进和激活。其中，预淀积过程首先将杂质送进晶圆中，在硅片中形成很薄的一层杂质物质，为后续的扩散过程建立浓度梯度；推进过程使预淀积的杂质穿过硅晶体，在硅片中形成工艺预期的结深；而在激活步骤中，晶格中的硅原子与杂质原子实现键合，杂质原子被激活，从而改变了晶体硅的电导率。

热扩散因其工艺技术简单成为早期集成电路掺杂工艺的主要方式，但随着现代半导体制造工艺关键制程尺寸的不断减小以及器件空间复杂度逐渐增加，在前道加工过程中，几乎所有的热扩散掺杂工艺都已经被离子注入方式所取代。

(二)离子注入是现代集成电路制造中重要的掺杂技术

离子注入本质上是一个物理轰击的过程，它通过高压离子轰击的方式把纯净的带有一定能量的带电离子均匀地注入到硅片的指定位置。当杂质离子注入到材料内部后，该离子便会被材料吸收，成为材料的一部分，由此通过改变材料的表面成分、晶体结构来优化材料的表面性能。

与热扩散相比，离子注入技术最为显著的优点便是它能够在更小的制程尺寸工艺下实现硅片掺杂的目的。除此之外，离子注入工艺所具备的其他优点也使得其更加适用于半导体先进制造工艺中。因此，本篇报告的后续内容均将以离子注入为半导体掺杂的代表工艺进行研究。

图2 离子注入工艺优点

来源：公开资料整理，课程小组制作

02