1 引言

近几年，国内电子信息产业蓬勃发展，电子信息产品需求巨大，造就了半导体设备庞大的市场，促使我国半导体设备产业快速升温，但与快速发展的电子信息产业相比，半导体设备制造业的发展却相对缓慢，我国的半导体设备制造业无论是技术上还是规模上都不尽如人意。制造电子信息产品的关键工艺设备几乎都是从国外引进，这样不仅国家每年要花费大量外汇，而且电子专用设备制造业的整体水平得不到提高，半导体设备制造业发展的滞后严重制约着我国电子信息产品尤其是元器件制造水平的提高和产业化发展，导致元器件开发缺乏后劲，因此，大力提升半导体设备制造水平，加强基础研究，实现若干关键共性技术的突破，培养出一支高素质的人才队伍，建立和完善我国电子元器件制作设备技术创新体系，增强自主创新能力，从而实现半导体设备、电子元器件、电子信息产品整体协调快速的发展，已经成为我国半导体设备制制造业迫在眉睫的任务。

2 国内外集成电路制造发展现状及发展趋势

2.1 大规模集成电路半导体设备的发展现状及发展趋势

世界集成电路产业的发展十分迅速，目前集成电路大生产的主流技术为φ200mm、0.18μm，正在向φ300mm、0.13μm过渡，国际半导体技术指南（International Technology Roadmap for Semiconductor，ITRS）（2005版）确定的半导体技术发展路线图如表1所示。

设计线宽尺寸2010年将减小到45nm，2013年将减小到32nm，布线层数将达到12层，集成电路的集成度越来越高，结构越来越复杂，存储速度越来越快，对材料性能的要求越来越苛刻。由于尺度空间的减小，传统的微细加工方法以及半导体专用设备已经不能满足集成电路快速发展的需求，开发新一代半导体专用设备势在必行。

目前国际上ICs制造技术已经跨入90nm线宽和φ300mm晶片的时代，65nm工艺技术将在2007年达到量产，45nm正在进行关键技术攻关，32nm也已进入研究和攻关阶段，集成电路的飞速发展带动了半导体专用设备制造业的快速进步，半导体设备的更新换代又推动了半导体工艺、半导体产品及整个电子装备的更型换代。因此，从本质上讲，半导体设备制造业不仅支撑集成电路产业的发展，同时也支撑着整个电子信息产业的发展。

2.2 全球半导体设备市场

在半导体工艺的前道设备、后道设备、制版设备、材料制备设备中，最为关键的是前道微细加工设备（包括对半导体芯片进行曝光、离子注入掺杂、刻蚀、薄膜生长等工艺加工的设备，约安饬可璞福┖筒牧现票干璞浮?/P>

2006年7月在1年一届的SEMICON West展会上，SEMI公布了其年度中期半导体设备资本支出预期，随着2005年预期11.3%的下降，设备市场在2006年将迎来18%的增长，达到388亿美元，2006年，中国的新设备市场将呈现突出的增长趋势，其市场预期增长将达到78%，其他地区将增长23%，台湾地区将增长22%，北美地区将增长21%，在欧洲的设备销售预期将实现14%的增长，同时韩国和日本也将实现接近两位数的增长。

3 离子注入装备发展方向

集成电路芯片的制造过程需要数十种工艺设备的数百道工序，离子注入具有高精度的剂量均匀性与重复性特点，是IC制造必不可少的工序。

由于大规模电路制造工艺需要采用的离子注入次数逐年增加（如64Mbit为20次，256Mbit为30次），注入离子种类和能量、剂量范围逐渐扩宽。最低能量需1keV以下，高能端大于3MeV，注入离子的种类有：B、P、As、In、Sb、Si、Ge、N、F、O、C等，最高注入剂量大于1×1016/cm2，最低剂量接近1×1011/cm2。从CMOS晶体管掺杂的剖面图大致可以看出离子注入机在ULSI工艺中的主要应用（见图1）。

源漏区注入主要包括大角度（Halo）注入，延伸（Extxnsion）注入，源漏（source-drain）及非晶体化（Pre-amorphouse）注入，此部分工艺技术要求越来越高，也是现代CMOS工艺中最为重要的单项工艺，现代CMOS晶体管工程结构较大程度改变了源/漏与延伸区域，导致结深很浅，而且要求稳定束流和束纯度，从最新的ITRS可以看出，掺杂工艺的最大挑战是浅结的形成，随着器件特征尺寸的缩小，结深要求越来越浅，离子注入的能量要求也越来越低，掺杂浓度要求越来越高，器件技术代与离子注入能量的关系如图2所示。

3.1 大角度离子注入（100nm离子注入工艺）

随着器件特征尺寸的不断缩小，工艺制造进入0.10-0.13μm技术代，此时短沟道效应的现象最为突出即：当FET源极和漏极之间的距离变小时MOSFET的阈电压下降。

100nm器件工艺必须用到大角度离子注入工艺，即Halo的注入工艺（见图3）。主要是防止漏源相通，降低延伸区的结深以及缩短沟道长度，使载流子分布更陡，提高芯片的性能。

大角度离子注入机适应参量性注入中的技术要求，保证良好的束平行性与束纯度、注入剂量均匀性与重复性，具有极好的应用空间，关键技术为：

（1）离子光学系统技术；

（2）长寿命离子技术；

（3）平行束技术；

3.2 低能大束流离子注入（65nm离子注入工艺）

到65nm代器件，源漏区注入不但最小结深只有15nm，而且要求晕（halo）注入的掺杂浓度非常大，达到1E16/cm2量级，中束流注入机的能量范围和注入效率都已不能适应这一工艺要求，只有超低能大束流注入才能满足注入结深和注入剂量大要求。 为研制适用于65nm的大束流低能离子注入机，在已有100nm大角度离子注入机的基础上，还必须突破如下关键技术：

（1）低能离子传输理论与技术；

（2）离子束减速技术；

（3）大片径高速全自动靶室技术；

（4）注入时圆片电荷消除技术；

（5）离子束扩束技术；

（6）注入剂量自动补偿技术。

3.3 机械扫描式单晶片离子注入机（45nm及以下离子注入工艺）

随着半导体技术从65nm到45nm工艺的微缩，离子掺杂后的超浅结深分别为15nm和9.5nm，为了进一步减小超浅结（ultrashallow junction，USL）结深，按照传统方法必须减小离子注入能量，向超低能量（200-500eV）离子注入方向发展。减少其能量污染效应，提高生产效率，但现有高电流低能离子注入机很难在低能量污染和高生产效率的前提下满足要求，研究发现，采用较高分子量掺杂材料（例如B10H14或B18H22）代替B进行等效掺杂时，离子束电流和掺杂能量都会大大增加，同时它具有其他优点，例如减轻隧穿效应和同时对掺杂表面进行无定型化处理等，因此，用较高分子量掺杂材料进行等效离子掺杂是满足45nm及以下工艺要求的有效方法。

现有离子注入机在45nm工艺遇到的问题：

（1）阴影效应和能量污染效应

从离子注入机设备角度来看，由于锥形角阴影效应和高转速转盘的限制，高电流、低能量批处理离子注入会有一些问题。锥形角阴影效应会形成非对称性晶体管，从而限制栅极长度（Lg）的微缩，高转速转盘的转动则会导致粒子（particle）引起的多晶硅结构失效。但是通过扫描式单晶片离子注入机1-D离子束机械扫描和较高分子量掺杂材料（B10H14或B18H22）的使用，可以达到低能量、高剂量、单晶片离子注入效果，它不仅可以消除阴影效应和能量污染效应，同时还能对掺杂表面进行无定形化处理，减小隧穿效应（channeling），避免EOR损伤，从而省去离子注入前的无定形化处理工艺（PAI）。同时显著降低了高温退火后的结深。

（2）注入角度难以满足工艺要求

45nm节点技术要求φ300mm晶片上的离子注入角度变动范围小于0.1°，包括离子束发散和倾斜角引起的综合效应，现有离子注入机很难保证，采用较高分子量掺杂材料时，机械扫描式单晶片离子注入机的等效离子注入能量范围为100-750eV。φ300mm晶片的倾斜角度为0°-±60°时，离子注入角度变动范围都在0.11°以内，注入速度则大于375片/h。

（3）离子束的发散角增大，使离子束电流减小

为了改善通道效应和尽量减小通道下方的HALO重叠，防止迁移率下降，我们必须将HALO离子注入的能量降低到1keV以下，将离子注入剂量提高到（5-10）×1013/cm2范围内。低能量离子注入会增加离子束发散程度，减小离子束电流和降低生产效率，解决方案之一是采用高分子掺杂材料进行等效掺杂，提高离子注入的实际能量，合适的p型掺杂材料有In，B10H14或B18H22；n型掺杂材料为Sb，As2，P2或As4。在等效电流相同的情况下，用B10H14取代B可以使离子束发散角度减小12倍，从1.2°变为0.10°，离子束大小缩小11.4倍，从139mm变为12mm。如果剂量足够大，这些较高分子量HALO掺杂材料还可以对表面进行无定形化处理，省去掺杂前的无定形化处理工艺。 机械扫描式单晶片离子注入机采用较高分子量掺杂材料进行等效掺杂，可以达到减小USJ结深的效果，同时能对掺杂表面进行无定形化处理，减小隧穿效应（channeling）避免EOR损伤，从而省去离子注入前的无定形化处理工艺（PAI），可有效的解决低能离子束传输中发散角增大，导致离子束流减小及离子注入角度范围变化小等45nm工艺要求。

为研制45nm机械扫描式单晶片离子注入机，需对以下重点技术问题进行研究：

1）高分子量等效掺杂离子源头技术；

2）低能平行束技术；

3）大片径1-D扫描全自动靶室技术；

4）离子束扩束技术；

5）防能量污染系统技术。

4 结束语

"十一五"是我国电子专用设备发展的大好时机，我们应抓住这个难得的机遇，加大对电子专用设备基础研究的力度和广度，重点对机械扫描式单晶片离子注入机的关键技术和技术原理进行研究，突破高分子量等效掺杂离子源、低能平行束、大片径1-D扫描全自动靶、防能量污染等关键技术，并加强对设备自动控制、模拟仿真、标准、工艺和可靠性等共性技术的研究，建立技术研究应用中心，使工艺与设备有机结合；利用国外成熟技术、提高技术起点；广开途径、吸纳人才等方法，走正向设计之路，开发出具有自主知识产权的产品，为元器件的自主创新发展提供条件，为我国尽早成为电子信息产业强国奠定坚实的基础。