离子注入是半导体器件和集成电路生产的关键工艺之一,其提供的高精度和高均匀性掺杂可以大幅度提高集成电路的成品率,与光刻机、刻蚀设备和薄膜设备并称为集成电路制造的“四大金刚”。

SiC离子注入设备全球供应商图 集成电路制造四大关键设备

离子注入(Ion Implantation)是一种向半导体材料内注入一定数量和种类的杂质,以改变其电学性能的方法,是一种半导体材料的掺杂技术。半导体离子注入具有低温掺杂、精确的剂量控制、掩蔽容易、均匀性好等优点,经离子注入掺杂所制成的几十种半导体器件和集成电路拥有速度快、功耗低、稳定性好、成品率高等特点。对于大规模、超大规模集成电路来说,离子注入是一种理想的掺杂工艺。

SiC离子注入设备全球供应商
图 半导体工艺中的离子注入工序的示例 来源:日新  

为什么SiC掺杂采用离子注入工艺更为合适?

传统的硅功率器件工艺中,高温扩散和离子注入是最主要的掺杂控制方法,两者各有优缺点:

  • 高温扩散工艺简单,设备便宜,掺杂分布轮廓为等向性,且高温扩散工艺引入的晶格损伤低;
  • 离子注入工艺复杂且设备昂贵,但温度条件相对扩散工艺较低,可独立控制掺杂元素的浓度和结深,虽然也会给衬底引入大量的点缺陷和扩展缺陷。
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碳化硅功率器件掺杂工艺中,常用的掺杂元素有:
N型掺杂,主要为氮元素和磷元素;
P型掺杂,主要为铝元素和硼元素。          

它们的电离能和溶解极限见表1(注:hexagonal (h) and cubic (k))

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▲表1 SiC中主要掺杂剂的电离能和溶解极限

以上掺杂元素在硅中的扩散系数较高,在1300℃左右就可以实现高温扩散掺杂。但磷、铝、硼和氮元素在碳化硅中的扩散系数都很低,需要2000℃以上才能实现合理的扩散系数。而高温扩散会带来很多问题,如引入多种扩散缺陷会恶化器件的电学性能,无法使用常见的光刻胶作掩膜等等,所以离子注入工艺成为了目前碳化硅掺杂的唯一选择。

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图SiC和Si中主要掺杂杂质的扩散常数对比图

由于碳化硅太坚硬,为了减少在离子注入过程中对晶格的破坏,需将温度提高到五六百度,所以碳化硅离子注入需要用到高温离子注入机。

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高温离子注入机是宽禁带半导体生产线上价值量最大的关键设备之一,产业化难度很大,价格昂贵,而且设备交期漫长,是国内IGBT产业加速追赶的关键之一,也是离子注入机中技术难度最大的机型。

   

离子注入机全球供应商

下文整理了11家面向SiC半导体领域的离子注入机企业,主要分布在美国、日本、中国和法国。

国别 公司名 logo 碳化硅离子注入机
美国 美国应用材料公司 SiC离子注入设备全球供应商 VIISta™ 900 3D 中束流离子注入机
亚舍立科技Axcelis ACLS SiC离子注入设备全球供应商 Purion H200™ SiC 高电流、Purion XE™ SiC 高能量和 Purion M™ SiC 中电流注入机
SHELLBACK SiC离子注入设备全球供应商  Varian 350D 和 XP 系列离子注入系统
日本 爱发科 SiC离子注入设备全球供应商 IH-860 DISC
日新离子机械株式会社 SiC离子注入设备全球供应商 IMPHEAT-II
中国 台湾汉辰科技股份有限公司 SiC离子注入设备全球供应商 iBlazar
北京烁科中科信电子装备有限公司 SiC离子注入设备全球供应商 CI S0380系列、CI S0200系列
青岛四方思锐智能技术有限公司 SiC离子注入设备全球供应商 SRII-4.5M、SRII-200
上海凯世通半导体股份有限公司 SiC离子注入设备全球供应商 凯世通研发了面向碳化硅的高温离子注入机
季华恒一(佛山)半导体科技有限公司 SiC离子注入设备全球供应商 碳化硅高温高能离子注入机
法国 IBS SiC离子注入设备全球供应商  FLEXION 400-SIC

 

1

美国

  • 美国应用材料公司

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https://www.appliedmaterials.com/

美国应用材料公司(AMAT)成立于1967年,是材料工程解决方案的领导者,全球几乎每一个新生产的芯片和先进显示器的背后都有应用材料公司的身影。凭借在规模生产的条件下可以在原子级层面改变材料的技术。

应用材料公司VIISta™ 900 3D高温离子注入系统可向200毫米和150毫米碳化硅晶圆注入和扩散离子, 产生的电阻率仅为室温下注入的四十分之一。VIISta 900XP在中束流离子注入机旗舰产品中具有高精度、清洁度高、生产率和生产价值高等优势。此外,扩展的能量范围允许在 300keV 和 600keV 下分别以 + 和 ++ 电荷状态运行。  

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  • 亚舍立科技Axcelis(ACLS)

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https://www.axcelis.com/

Axcelis(ACLS),总部位于美国,成立于1978年,一直为半导体行业提供创新、高效的离子注入及其他用于半导体芯片的设备解决方案,公司提供完整系列的高能、高电流和中电流注入机。

Axcelis已向Wolfspeed、德州仪器等全球领先的碳化硅 (SiC) 功率器件芯片制造商多批出货 Purion Power Series™ 离子注入机系统。包括 Purion H200™ SiC 高电流、Purion XE™ SiC 高能量和 Purion M™ SiC 中电流注入机。150 毫米和 200 毫米系统将用于大批量生产功率器件,支持汽车、工业、能源和其他高耗能应用。

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图 Axcelis Purion XE 系列离子注入机

  • SHELLBACK 

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https://shellbacksemi.com/

SHELLBACK由业界领先的两家半导体品牌OEM Group和RITE Track合并成立,拥有50年的全球营运经验。SHELLBACK提供众多专利产品,包括SEMITOOL、VARIAN、Applied P5000、SVG Track等等,以及用于晶圆载具检验和清洗的卓越科技组合——EAGLEi和STORM。

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图 Varian 350D 和 XP 系列离子注入系统

SHELLBACK的离子注入机包括中电流系列350D、350DE,大电流系列80XP、120XP、160XP以及高频系列G1500、G1510。覆盖晶圆加工尺寸:100mm、125mm 和 150mm。

2

日本

 

  • 爱发科(株式会社ULVAC)

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https://www.ulvac-shanghai.com/

爱发科的前身是1952年创立的日本真空技术株式会社,株式会社ULVAC(ULVAC,Inc.)是以在各领域获得广泛应用的真空技术为基础,以开创精细加工工艺为追求目标的研究开发型综合企业。2006年在爱发科真空技术(上海)有限公司的基础上,整合ULVAC集团在中国的销售网络,成立了爱发科商贸(上海)有限公司。销售包括电子元器件领域相关IGBT、SiC功率器件、MEMS、SAW/BAW等设备。

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IH-860 DISC是爱发科推出的面向SiC量产用的高能粒子注入装置,搭载了高温ESC(静电吸附卡盘,吞吐量为30枚/小时(支持直径为75mm-150mm的晶圆)。    

  • 日新离子机械株式会社 

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https://nissin-ion.co.jp/

日新离子机械株式会社成立于1999年,经营半导体制造用离子注入装置,除了使用300mm晶圆的尖端硅元件的注入之外,还提供SiC和GaN装置等的高温注入和VCSEL的氢离子注入等。

日新开发的高温离子注入装置“IMPHEAT”能更高率地处理高电压和大电流的电力机器用半导体器件,在EV汽车、HEV汽车和家电产品等节能方面受到关注。

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图:高温离子注入设备IMPHEAT-II

IMPHEAT-II可进行SiC功率器件用铝(Al)注入,可覆盖从室温到500℃的范围,晶圆尺寸覆盖4/6/8英寸。

3

中国

  • 台湾汉辰科技股份有限公司 

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https://www.aibt.com.tw/

汉辰科技1999年成立于美国硅谷,并于2003年在新竹与台南科学园区设立营运总部与研发制造中心,是台湾汉民科技的子公司,专注于低能量高电流离子注入设备及相关技术的研发。汉辰是台湾唯一能制造、生产半导体前段设备的厂商,开发制造低能量高电流离子注入机。借由28纳米制程打下的坚实基础,与全球半导体制造龙头公司长期合作,设备由早期的iPlusar延伸至iPulsar Plus,再进展为iBlazar,年产能达50台。

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图 iBlazar低能量高电流离子注入机

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图 汉民科技化合物半导体布局

  • 北京烁科中科信电子装备有限公司

SiC离子注入设备全球供应商

https://www.cetc.com.cn/

北京烁科中科信成立于2019年,源于中国电科第48研究所,是国内较早专注于集成电路领域离子注入机业务的高端装备供应商。连续突破光路、控制、软件等关键模块的核心技术,形成中束流、大束流、高能及第三代半导体等全系列离子注入机产品格局,已实现离子注入装备28纳米工艺制程全覆盖,电科装备研发的芯片制造关键装备碳化硅高温离子注入机已实现100%国产化,稳居国内市场占有率第一。   

烁科中科信推出了CI S0380系列束流增强型中束流SiC离子注入机和CI S0200系列大束流SiC离子注入机。      

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图 烁科中科信离子注入装备

  • 青岛四方思锐智能技术有限公司

SiC离子注入设备全球供应商    

https://www.sri-i.com/

青岛四方思锐智能技术有限公司成立于2018年,总部位于中国青岛,并在北京、上海设有研发中心。思锐智能主要聚焦关键半导体前道工艺设备的研发、生产和销售,提供具有自主可控的核心关键技术的系统装备产品和技术服务方案。公司产品包括原子层沉积(ALD)设备及离子注入(IMP)设备,广泛应用于集成电路、第三代半导体、新能源、光学、零部件镀膜等诸多高精尖领域。

思锐智能为碳化硅离子注入自主研发了两款产品:SRII-4.5M SiC高能碳化硅离子注入机,SRII-200 SiC中能大束流碳化硅离子注入机。

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  • 上海凯世通半导体股份有限公司

SiC离子注入设备全球供应商

http://www.kingstonesemi.com/

上海凯世通半导体股份有限公司,2009年4月在张江成立,是一家以离子束技术为核心的集科研、制造于一体的高科技企业,主要研制、生产、再制造和销售高端离子注入机,重点应用于光伏太阳能电池,新型平板显示,和半导体集成电路领域。2018年并入万业企业( 股票代码600641)。凯世通研发了面向碳化硅的高温离子注入机,计划三季度搬入客户端验证。

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图 凯世通光伏离子注入机已开发出四代系列产品IPV-6000
  • 季华恒一(佛山)半导体科技有限公司 

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https://jihuahy.com/

季华恒一是季华实验室(先进制造科学与技术广东省重点实验室)的科技成果产业化公司。公司于2021年6月22日成立,注册资本1000万元,是一家集研发、生产、销售和服务于一体的半导体装备高科技型企业。公司专注于宽禁带半导体和新能源领域的半导体装备产业化。着力于开发满足高良率、稳定生产需求的SiC单晶生长系统、SiC高温外延生长系统、高温离子注入系统、高温氧化系统、快速退火系统、电子束蒸镀系统、磁控溅射镀膜系统等装备,推动我国宽禁带半导体产业自主可控发展。

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图 碳化硅高温高能离子注入机 

季华恒一为碳化硅研发了长寿命、大束流Al离子源离子注入设备,注入元素包括Al+、B+、P+、N+,晶圆尺寸:6吋(兼容4吋,光路满足8吋)。 
4

法国

 

  • IBS

SiC离子注入设备全球供应商

https://www.ion-beam-services.com/

法国IBS公司成立于1987年,一直致力于离子注入领域的研发、设计制造与服务,创始人是来自法国军方的技术专家。产品有多种型号,包括低能注入、中束流注入和高能注入。

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为了满足制造商对化合物半导体和SiC元件的需求,IBS 设计了FLEXION 400-SIC设备,采用高束流设计,适用于 SiC 的650 °C快速升温/降温平台,适配200 毫米晶圆。        

资料来源网络及各公司官网,艾邦半导体网编辑整理,如有错误和遗漏欢迎加群补充。

原文始发于微信公众号(艾邦半导体网):SiC离子注入设备全球供应商

作者 li, meiyong

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