半导体前道设备薄膜沉积项目可行性研究报告
1、单项工艺包括光刻、刻蚀、薄膜沉积、离子注入等，需要相应设备完成
集成电路制造工艺繁多复杂，前道制造工艺包括氧化扩散、薄膜沉积、涂胶显影、光刻、离子注入、刻蚀、清洗、检测等。
其中光刻、刻蚀和薄膜沉积是半导体制造三大核心工艺：
1）薄膜沉积工艺：为晶圆做加法，在晶圆上沉积一层待处理的薄膜；
2）光刻工艺：涂胶机将光刻胶涂抹在薄膜上，光刻机通过光罩进行曝光，显影之后即可把光罩上的图形转移到光刻胶上；
3）刻蚀工艺：为晶圆做减法，根据图形化后的光刻胶对未被光刻胶覆盖的区域进行雕刻，图形即转移到薄膜，去除光刻胶后，即完成图形从光罩到晶圆的转移。（也有工艺环节的刻蚀是无图形刻蚀）
制造芯片的过程需要数十层光罩，集成电路制造主要是通过薄膜沉积、光刻和刻蚀三大工艺循环，把所有光罩的图形逐层转移到晶圆上。
集成电路前道制造工艺及设备：
光刻 ：光刻机、涂胶显影机
刻蚀 ：等离子体刻蚀、湿法刻蚀设备
薄膜沉积 ：薄膜沉积设备，包括CVD、PVD、ALD、气相外延炉
离子注入： 离子注入设备
热处理： 氧化炉、RTP设备、激光退火
CMP： CMP设备
清洗 ：清洗设备，包括单片式清洗机、槽式清洗机等
过程控制 ：检测/量测设备
1.1薄膜沉积
1.1.1 22年全球薄膜沉积设备市场达到229亿美元，制程升级/多层趋势+新兴工艺驱动市场增长
薄膜沉积作用是在芯片纳米级结构中逐层堆叠薄膜形成电路结构， 薄膜包括半导体、介质、金属/金属化合物三大类，不同薄膜沉积时反应的原理不同，因此薄膜沉积设备的技术原理也不同，沉积过程需要物理（ PVD）、化学（ CVD）、原子层沉积（ ALD）等设备相互补充。
CVD覆盖了前道制造过程中的大部分沉积工艺，因此市场规模最高。薄膜沉积工艺的不断发展，形成了较为固定的工艺流程，同时也根据不同的需求演化出了PECVD、溅射PVD、ALD、LPCVD等不同的设备用于晶圆制造的不同工艺。其中，PECVD是薄膜设备中占比最高的设备类型。
2022年全球薄膜设备总市场已经达到229亿美元，其中，PECVD、溅射PVD、炉管CVD、 ALD、LPCVD、单晶外延EPI、镀铜ECD和MOCVD市场规模分别为65、48、31、30、22、16、10、5亿美元。
制程升级/多层架构趋势带动设备需求量：
在逻辑芯片中，制程进步带来工序步骤和薄膜层数增多，比如，在 90nm CMOS 工艺大约需要 40 道薄膜沉积工序，在3nm FinFET 工艺产线，超过 100 道薄膜沉积工序，制程从 180nm 进步到90nm 过程中，同样产能需要的薄膜设备数量呈现成倍增长；
存储芯片3D化，高深宽比结构以及存储层数堆叠带来薄膜沉积设备需求增大。到20nm工艺节点之后，传统的平面浮栅NAND闪存因受到领巾浮栅-浮栅的耦合电容的干扰而达到了微缩极限，NAND 闪存已进入 3D 时代。3D NAND 制造工艺中，增加集成度的主要方法不再是缩小单层上线宽而是增加堆叠的层数。在 3D NAND FEOL 工艺中，在完成CMOS 的源漏极之后，开始重复沉淀多层氧化硅/氮化硅形成 ON 叠层（ ON Stack）， 接下来进行光刻和沟道超深孔刻蚀（深宽比至少大于 30:1），沉淀高质量的多晶硅薄膜和沟道深孔填充并形成栅衬垫阵列（ Gate Pad）， 然后进行一系列的光刻、刻蚀、离子注入、沉积栅介质层、沉积栅极等工艺，最后进行 BEOL 工艺。目前 128 层 3DNAND 闪存已进入大生产， 192 层闪
存已处于批量生产阶段， 256 层正在开发， 高深宽比结构以及存储层数堆叠带来薄膜沉积设备需求增大。
新工艺拓宽应用场景：
在栅极从多晶硅栅（ Poly-SiON） 向 HKMG 结构转变、存储结构深宽比越来越高、金属互连阻挡层薄膜越来越薄等过程中，以及多重曝光等新工艺中，传统的 LPCVD/PECVD 等沉积方法沉积效果有限，需要 ALD 工艺来沉积性能更好的薄膜并满足高深宽比等需求， 在 28nm 以下 FinFET/GAA 结构中，Fin的形成需要自对准双重技术（SADP）完成，而ALD沉
积的Spacer材料的宽度决定了Fin的宽度，是制约逻辑芯片制程先进的关键。
1.1.2 薄膜沉积可以分为物理气相沉积和化学气相沉积，设备选型需要关注薄膜性质
CVD（化学气相沉积）是通过混合化学气体并发生反应，从而在衬底表面沉积薄膜的一种工艺，经常用于沉积介质薄膜，用于前段的栅氧化层、侧墙、阻挡层、PMD等领域和后段的IMD、Barc、阻挡层、钝化层等领域，另外CVD也可以制备金属薄膜（如W等）
在微米技术时代，化学气相沉积均采取多片式的常压化学气相沉积设备（Atmospheric Pressure CVD，APCVD），其结构比较简单，腔室工作压力约为1atm，圆片的传输和工艺是连续的。随着圆片尺寸的增加，单片单腔室工艺占据了主导地位。在圆片尺寸增加的同时，IC技术代也在不断地更新；
到了亚微米技术代，低压化学气相沉积设备（Low Pressure CVD，LPCVD）成为主流设备，其工作压力大大降低，从而改善了沉积薄膜的均匀性和沟槽覆盖填充能力；
在IC技术代发展到90nm的过程中，等离子体增强化学气相沉积设备（Plasma Enhanced CVD，PECVD)扮演了重要的角色。由于等离子体的作用，化学反应温度明显降低，薄膜纯度得到提高，薄膜密度得以加强。
从65nm技术代开始，在器件的源区、漏区采用选择性SiGe外延工艺，提高了PMOS的空穴迁移率。
从45nm技术代开始，为了减小器件的漏电流，新的高介电材料（High k）材料及金属栅（Metal Gate）工艺被应用到集成电路工艺中，由于膜层非常薄，通常在数纳米量级内，所以不得不引人原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）的工艺设备，以满足对薄膜沉积的控制和薄膜均匀性的需求。
PVD（物理气相沉积）是指通过物理方法如真空蒸发、溅射镀膜等在圆片表面形成薄膜，主要用来沉积金属及金属化合物薄膜，最主要用于金属互连籽晶层、阻挡层、硬掩膜、焊盘等。
150mm硅片时代，PVD以单片单腔室的形式为主。
从IC技术发展的角度看，因为制备的薄膜均匀性和致密性更优，对衬底的附着性强，纯度更高，溅射设备逐渐取代了真空蒸镀设备。
随IC技术的发展，要求PVD设备从能够制备单一均匀的平面薄膜，到覆盖具有一定深宽比的孔隙沟槽，这种发展需求使PVD腔室工作压力从数个毫托发展到亚毫托（减小），或者到数十个毫托（增大），靶材到圆片的距离也显著增加。这种发展需求也伴随着磁控溅射设备、射频PVD设备和离子化PVD设备的逐步发展。磁控溅射源除了采用直流电源，也引人射频源来降低人射粒子能量，以减少对圆片上器件的损伤，这类离子化物理气相沉积腔室在铜互连和金属栅的沉积中应用广泛。
除此之外，还引人了辅助磁场、辅助射频电源或垂直器。承载圆片的基座除了具有加热或冷却的功能，还引人了射频电源所产生的负偏压及反溅射的功能。此类离子化PVO腔室和金属化学气相沉积（Metal CVD)及原子层沉积也有着结合在同一系统中的趋势。
1.1.3不同工艺需要沉积不同的薄膜，对应的作用和沉积工艺也不相同
常见的薄膜分为半导体、介质、金属/金属化合物薄膜三大类，材料选择与使用场景有关，我们总结了典型模块工艺中所用到的薄膜、作用以及沉积工艺
1.1.4 薄膜沉积设备介绍——CVD设备：PECVD成为主流，ALD适应新工艺需求
热化学气相沉积工艺：
1）APCVD： 常压化学气相沉积，可用于制备单晶硅、多晶硅、二氧化硅、掺杂的（PSG/BPSG）等简单特性薄膜。APCVD是最早出现的CVD方法，优势：反应结构简单、沉积速率快，缺点：台阶覆盖率差，一般用于厚的介质沉积
2）LPCVD:低压化学气相沉积，用于90nm以上的薄膜沉积主流工艺，用于沉积氧化硅、氮化硅、多晶硅、碳化硅、氮化镓和石墨烯等薄膜，相较APCVD，LPCVD方法沉积的薄膜厚度均匀性好，台阶覆盖性好，沉积速率快，生产效率高，沉积的薄膜性能更好，因此应用范围更为广泛。
3）MOCVD ：金属有机化学气相沉积，主要用于制备半导体光电子、微电子器件领域的各种化合物半导体单晶材料，在化合物半导体LED、激光器、高频电子器件和太阳电池等领域具备量产的能力
金属气相沉积工艺：
1)MCVD :最早用于钨填充接触孔和存储器的字线，3D NAND中,字线和插塞是由ALD和热反应CVD完成钨的沉积，14nm以后的制程，金属原子层沉积逐渐取代MCVD，但前者效率低，MCVD对于较厚的金属薄膜沉积依然是很好的选择
等离子体气相沉积工艺
1)PECVD：等离子体增强化学气相沉积，用于沉积介质绝缘层和半导体材料。不同于APCVD/LPCVD使用热能来激活和维持化学反应，PECVD特点是借助微波或射频等使气态前驱物电离，形成激发态的活性基团，这些活性基团通过扩散到达衬底表面，进而完成化学反应完成薄膜生长。突出优点是低温沉积，薄膜纯度和密度更高。PECVD可以在相对较低的反应温度下形成高密度、高性能的薄膜，通常用于在含有金属或者其他对温度比较敏感的结构的衬底上生长薄膜，PECVD能够沉积大多数主流的介质薄膜、包括一些先进的low-k材料、硬掩膜等。
HDPCVD、SACVD和FCVD是PECVD工艺的特殊形式，专门用于沟槽、孔洞填充：
1）HDPCVD：130-45nm制程：使用HDP-CVD方法用PSG填充金属前介质层、用SiO2填充STI等工艺；2）SACVD（次常压CVD）：40nm以下，实现对STI（浅沟槽隔离）、PMD（金属前介质层）等沟槽的填充或薄膜的沉积；3）FCVD（流体CVD）：28nm及以下，完成对细小沟槽的无缝隙填充。
原子层沉积工艺
1)ALD:通过脉冲波进行单原子层膜逐层生长，将原子逐层沉积在衬底材料上，区别于传统CVD在于，CVD将不同反应气体同时导入腔室，ALD是让不同材料的脉冲波在不同时间到达晶圆表面，两种气体周期性地进行反应。具有生长温度低、膜厚控制精准、薄膜均匀性好、致密度高及台阶覆盖率好等特点。
Thermal-ALD使用热能使反应物分子吸附在基底表面，再进行化学反应，生成薄膜，具有相对较高的反应温度、优越的台阶覆盖率、高薄膜质量等优点，适用于金属、金属氧化物、金属氮化物等薄膜沉积；PEALD利用等离子体增强反应活性，提高反应速率，具有相对较快的薄膜沉积速度，较低的沉积温度等特点，适用于沉积硅基介质薄膜材料。
1.1.4 薄膜沉积设备介绍——PVD设备：磁控溅射PVD应用最广泛，电镀对于某些后段工艺必须
蒸镀工艺
1）真空蒸镀设备
通过在真空室内加热固体材料，使其蒸发汽化或升华后凝结沉积到一定温度的衬底材料表面，对真空环境要求很高，真空蒸镀设备在大尺寸衬底上镀膜的均匀性比较差，虽然操作比较方便，但是难以满足蒸发某些难熔金属和氧化物材料的需要。
2）电子束蒸镀设备
针对真空蒸镀难以满足蒸发某些难熔金属和氧化物材料的需要改进，发展了以电子束作为加热源的蒸发方法——电子束蒸发，优点是可以获得极高的能量密度，可以蒸发难熔金属或者化合物，可以实现高纯度薄膜的制备，但是高能离子 的轰击会引起衬底损伤。目前电子束蒸镀主要应用在LED的电极制作上。
溅射工艺
1）DCPVD
直流PVD：利用电场加速带电离子，使离子和靶材表面原子碰撞，将后者溅射出来射向衬底，从而实现薄膜的沉积。使用DCPVD溅射绝缘材料时会导致正电荷在靶材表面积累，靶材的负电性减弱直至消失，导致溅射终止，因此不适用绝缘材料沉积，解决该问题的办法是使用RFPVD或者CVD；另外，DCPVD启辉电压高，电子对衬底的轰击强，解决该问题的办法是使用磁控溅射PVD
2）RFPVD
射频PVD：RFCVD采用射频电源作为激励源，轰击出的靶材原子动能较DCPVD更小，因此既可以沉积金属也可以沉积非金属材料，但由于台阶覆盖率能力不如CVD，一般多用CVD沉积绝缘材料；在实际应用中，RFPVD主要沉积金属栅或者配合磁控溅射PVD使用来降低器件损伤。
3）Magnetron-PVD
磁控溅射PVD：在集成电路制造中真正有价值的工艺。磁控溅射是一种在靶材背面添加磁体的PVD方式，利用溅射源（由磁体和电源构成）在腔室内形成交互的电磁场，延长电子的运动路径进而提高等离子体的浓度，最终实现更多的沉积。磁控PVD等离子体浓度更高，可以实现极佳的沉积效率、大尺寸范围的沉积厚度控制、精确的成分控制等，在当前金属薄膜PVD中处于主导地位。磁控DCPVD是应用最广泛的沉积方式之一，特别是平面薄膜的沉积，包括互连的金属层制备、金属硬掩膜沉积等
4）Ionized-PVD
离子化PVD：传统PVD无法控制粒子的沉积方向，在孔隙深宽比增加时，底部的覆盖率较低，同时顶部拐角处形成最薄弱的覆盖。离子化PVD为解决这一问题而出现，是对磁控溅射DCPVD的改进，可以控制金属离子的方向和能量，以获得稳定的定向金属离子流，从而提高对高深宽比通孔和狭窄沟道的台阶底部的覆盖能力。主要用于互连的隔离层、钨栓塞的黏附层，以及互连的阻挡层和籽晶层，在高深宽比的空隙沟槽的集成电路工艺中占据主导地位。
电镀工艺
1）ECP 另外一种物理方法，作用是将一层金属的薄层镀到另一层金属上，主要用于后段工艺中对 等金属导线和通孔的填充。优势在于形成的薄膜具备更低的电阻率和更好的填充特性，但最大的缺陷在于高深宽比的沟槽填充很不理想。
1.1.4 薄膜沉积设备介绍——PVD设备：磁控溅射PVD应用最广泛，电镀对于某些后段工艺
分子束外延系统(MBE)
起源于半导体超薄单晶薄膜的制备，但其应用已经扩展导金属、绝缘介质等多种材料体系，薄膜生长速度慢，真空要求高，设备本身和使用成本较高
气相外延系统(VPE)
将气态化合物运输至衬底上，通过化学反应而获得一层与衬底具有相同晶格排列的单晶材料层的外延生长设备。外延层可以是同质外延层也可以是异质外延层。目前广泛用于纳材料制备、功率器件、半导体光电器件、太阳能光伏与集成电路等领域。（1）Si衬底全外延：为了提高集成电路和元器件性能，在硅衬底上外延一层纯度更高、质量更好的本征硅；或者在高掺杂有上生长低掺杂高阻外延层来有效解决器件的闩锁(Latch-up）效应；（2）SiGe外延：为满足无线通信、光通信等领域对高频、高速器需要在异质结双极晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor，HBT)基区掺入Ge组分，形成SiGe外延层。（3）选择外延（SEG）:进人65nm技术代后，随着集成电路器件尺寸的大幅度减小，源／漏极的结深越来越浅，需要采用CMOS源／漏区的Si/SiGe选择外延技术来降低串联电阻。对于65/45／28nm技术工艺，利用Ge与Si晶格失配小（4％）的特点，在刻蚀PMOS源／漏极后外延SiGe层，对沟道引人压应力，改变能带结构，提高空穴迁移率；或者在无应力的SiGe层上外延一层单晶硅由晶格失配引起对SiGe层的张应力，提高电子迁移率，进而增大器件的饱和工作电流，提高响应速度。
液相外延系统(LPE)
可用于 Si 薄膜和单晶材料以及III-IV族、碲镉汞等半导体材料，可用于制作各种光电器件、微波器件、半导体器件和太阳能电池等。
化学外延系统(CBE)
主要用于制备化合物半导体单晶薄膜，但是设备价格昂贵+污染严重，已经停产
离子团束外延系统(IBE)
可用于金属、绝体、半导体、有机材料、高温超导材料、氧化物等多种薄膜制备，但是尚不成熟
低能离子团束外延系统(LE-IBE)
可用于Si、Ge、GaN等薄膜的低温外延，也可用于生长金刚石多晶膜。但是结构复杂，仍处于实验室研究阶段
1.1.5 全球薄膜沉积市场高度集中，主要由欧美和日系厂商主导
从全球市场份额来看，薄膜沉积设备行业呈现高度垄断的竞争局面，全球市场基本由应用材料AMAT、ASMI、泛林半导体Lam、东京电子TEL等国际巨头垄断，2019年各细分市场的全球竞争格局为：
CVD：AMAT占比约30%，Lam占比21%，TEL占比19%，三者占据70%市场份额
PVD：基本由AMAT垄断，占比85%
ALD：TEL和先晶半导体ASMI分别占据31%和29%的市场份额，其余份额由其他厂商占据
AMAT：成立于 1967 年，稳坐PVD设备市场头把交椅，另外，实现从传统的 APCVD 到 PECVD、 ALD，以及外延 EPI、电镀 ECD 等主流工艺和相应沉积的薄膜全覆盖。
Lam：成立于 1980 年，是全球刻蚀和薄膜沉积龙头， 2012 年通过并购美国诺发实现 CVD 领域的拓展。其专注于 CVD设备布局，市占率仅次于AMAT， 在 ECD 电镀领域一家独大。
TEL：成立于 1963 年，布局涂胶显影、热处理、干法刻蚀、 CVD、清洗、测试等半导体设备，其ALD全球市占率居于首位。
ASM：成立于1968年，公司产品涵盖了晶圆加工技术的重要方面，包括光刻、沉积、离子注入和单晶圆外延。该公司 ALD设备较为突出，全球市场占比仅低于 TEL。
