半导体设备全景分析-刻蚀工艺课件.pptx

1、正文目录正文目录 第一部分第一部分：半半导导体设备是体设备是行行业业基基石，国内石，国内企企业业即即将迎来历将迎来历史史转转折期折期 第二部分第二部分：芯芯片片制造工艺制造工艺流流程程拆拆分：薄膜分：薄膜工工艺艺介介绍及国内绍及国内外外龙龙头头对比分对比分析析 第三部分第三部分：芯芯片片制造工艺制造工艺流流程程拆拆分：刻蚀分：刻蚀工工艺艺介介绍及国内绍及国内外外龙龙头头对比分对比分析析 第四部分第四部分：芯芯片片制造工艺制造工艺流流程程拆拆分：光刻分：光刻工工艺艺介介绍及国内绍及国内外外龙龙头头对比分对比分析析 第五部分第五部分：芯芯片片制造工艺制造工艺流流程程拆拆分：清洗分：清洗工工艺艺介介

2、绍及国内绍及国内外外龙龙头头对比分对比分析析 第六部分第六部分：国国产产设备企业设备企业介绍介绍503.1集成电路中的刻蚀工艺简介集成电路中的刻蚀工艺简介资料来源：百度文库,国元证券研究中心资料来源：半导体制造技术，微电子制造，国元证券研究中心160140120100806040200逻辑40nm 逻辑28nm 逻辑10nm逻辑7nm2D NAND3D NANDDRAM19nm图：刻蚀工艺流程图图：刻蚀工艺流程图图：不同逻辑和存储工艺刻蚀步骤数量图：不同逻辑和存储工艺刻蚀步骤数量ICP刻蚀CCP刻蚀其他刻蚀薄膜沉积匀胶光刻显影刻蚀去胶清洗刻蚀机的工作原理是按光刻机刻出的电路结构，在硅片上进行微

3、观雕刻，刻出沟槽或接触孔。与薄膜工艺相对应，是微纳加工中重要的“减法工艺”。完整的刻蚀工艺流程分3步：薄膜沉积完成后进行光刻、刻蚀、去胶清洗。逻辑电逻辑电路路28nm节点刻蚀工序约节点刻蚀工序约50道，推进到道，推进到10nm节点变成节点变成115道，道，7nm约约140道，主要原因是晶体管结构道，主要原因是晶体管结构3D化以及后道金属布线层数的增多。存储类化以及后道金属布线层数的增多。存储类 集成电集成电路刻蚀工序数量变化并不大，需求主要表现在更路刻蚀工序数量变化并不大，需求主要表现在更多多HAR形貌的形貌的技术需求，技术需求，如如3D NAND堆垛结构和堆垛结构和DRAM的电容。的电容。I

4、C制造尺寸缩小和结构3D化趋势是推动刻蚀设备需求的主要因素，更高的技术要求提高设备价值量，逻辑和存储工艺复杂提高设备数量需求。513.2各类刻蚀工艺演进及对比各类刻蚀工艺演进及对比3.2.1刻蚀工艺刻蚀工艺按反按反应原理分应原理分类类干法刻蚀:把硅片表面暴露于气态中，产生等离子体，等离子体通过 光刻胶或掩膜窗口与薄膜发生纯物理或化学反应（或结合），去除 暴露的表面材料。干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件的主要方法。湿法刻蚀：使用液体化学试剂（如酸、碱和合剂）以化学方式去除 表面薄膜材料。湿法刻蚀一般只是在尺寸较大的情况下（大于 3 微 米）。图：刻蚀原理分类图：刻蚀原理分类图：各类刻蚀工艺特点图：

5、各类刻蚀工艺特点表：刻蚀原理比较表：刻蚀原理比较干干法刻蚀法刻蚀指标指标湿湿法刻蚀法刻蚀离离子子束束溅溅射射刻刻蚀蚀等等离离子子体体刻蚀刻蚀反反应应离离子子刻蚀刻蚀方向性各向异性高刻蚀精度不高各向异性高各向异性差选择性选择性差选择性高刻蚀选择性好选择性差刻蚀速率刻蚀速率低刻蚀速率高刻蚀速率高刻蚀速率高资料来源：百度文库，国元证券研究中心刻蚀技术刻蚀技术干法刻蚀干法刻蚀化学性刻蚀化学性刻蚀（等离子体刻蚀）（等离子体刻蚀）反应离子刻蚀反应离子刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀化学刻蚀化学刻蚀反应离子反应离子化学性刻蚀化学性刻蚀物理性刻蚀物理性刻蚀物理性刻蚀（离子物理性刻蚀（离子 束溅射刻蚀）束溅射刻蚀）电解刻蚀

6、电解刻蚀 52资料来源：中国半导体协会,国元证券研究中心资料来源：国元证券研究中心3.2各类刻蚀工艺演进及对比各类刻蚀工艺演进及对比图：刻蚀材料分类图：刻蚀材料分类资料来源：BARRONs（2017），国元证券研究中心图：图：ICP与与C C P 刻 蚀 工 艺 比 较刻 蚀 工 艺 比 较资料来源：中微公司招股书，国元证券研究中心3.2.2刻蚀工艺刻蚀工艺按材按材料分料分类类表：介质刻蚀、硅刻蚀、金属刻蚀对比表：介质刻蚀、硅刻蚀、金属刻蚀对比介介质刻蚀质刻蚀硅硅刻蚀刻蚀金金属刻蚀属刻蚀材质氧化硅氮化硅多晶硅单晶硅铝钨刻蚀系统反应离子刻蚀亚微米以下采用ICP-RIE系统反应离子刻蚀反应离子刻蚀

7、ICP-RIE系统，高密度等离子体 系统反应离子刻蚀RIE系统反应离子刻蚀RIE系统工作压力小于0.1Torr小于0.1Torr小于0.1Torr小于1.0Torr小于0.1Torr刻蚀速率相对较慢较快（120nm/min）较高较高大于1000nm/min大于1000nm/min选择比高高达20：1大于150：1不高高高资料来源：百度文库，国元证券研究中心干法刻蚀金属刻蚀硅刻蚀介质刻蚀3%48%47%电容性等离子体刻蚀CCP电感性等离子体刻蚀ICP设计将射频电源接反应腔上、下电极，对等 离子密度及能量实现分别控制多组连接射频电源线圈置于反应腔上部 或者周围，实现等离子浓度及能量可以 分别控制：

8、动态、分区域的反应气体注 入系统应用以高能离子在较硬的介质材料上，刻蚀 高深宽比的深孔、深沟等微观结构：以 较高密度的等离子体来刻蚀有机掩膜层以较低的离子能量和级均匀 的离子浓 度刻蚀较软和较薄的材料刻蚀 材料氧化物、氮化物等硬度高、需要高能量 离子反应刻蚀的介质材料；有机掩膜材 料单晶硅、多晶硅等材料未来 发展存储区高深宽比刻蚀：逻辑电路的金属 掩膜大马士革结构一体化刻蚀高深宽比刻蚀：原子层刻蚀 533.2各类刻蚀工艺演进及对比各类刻蚀工艺演进及对比资料来源：Lam Research，Semiengineering，国元证券研究中心3.2.3A LE是刻蚀是刻蚀技技术的延伸术的延伸以及以及未

9、来发展未来发展的重点的重点传统等离子体刻蚀中随特征尺寸变小导致刻蚀精度、均匀性不能满足需求,宽度不同的结构刻蚀深度不均一，在HAR结构反应性粒子难到达结构底部，进而导致刻蚀速率不均匀。原子层刻蚀(ALE)是一种能够精密控制刻蚀基材量的技术，通过对表面层改性，再通过离子轰击将改性层去除，通过循环精准 控制刻蚀深度。ALE可实现定向刻蚀和各向同性刻蚀两种模式，同时可以最大限度消除深宽比刻蚀效应（ARDE），使深宽比不同也可获得相同的刻蚀深度。ALE主要用 于个别关键工序，与传统刻蚀技术相互协作而非对立竞争。随着尺寸缩小，前道ALE刻蚀技术会越来越重要。图：图：ALE工艺流程工艺流程修饰修饰清除清除

10、化学吸附化学吸附沉积沉积转化转化抽出抽出刻蚀后材料表面平整度刻蚀后材料表面平整度543.3刻蚀工艺市场规模及竞争格局刻蚀工艺市场规模及竞争格局图：全球刻蚀设备市场规模（亿美元）图：全球刻蚀设备市场规模（亿美元）图：图：2018年刻蚀设备市场分布年刻蚀设备市场分布2013年之前全球刻蚀设备市场规模维持在40亿美元左右，之后随着闪存技术突破，存储市场拉动刻蚀设备需求明显增大。SEMI预 测2025年全球刻蚀设备市场空间达到155亿美元，年复合增速约为12%。市场空间增量主要来自于存储制造对刻蚀设备的需求激 增，其中NAND随着层数翻倍市场增速明显。半导体刻蚀设备领域被海外巨头垄断，2018年刻蚀设

11、备领域前三家企业LAM、TEL、AMAT合计占据全球刻蚀设备91%的市场份 额，其中Lam Research占据了52%的市场份额遥遥领先。140%120%100%80%60%40%20%0%-20%-40%-60%-80%180160140120100806040200199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019E2020E2021E2022E2023E2024E2025E逻辑DRAMNAND同比增速（右轴）CAGR=12%52%20%19%9%

12、Lam Research东京电子 应用材料 其他 55资料来源：SEMI，中微公司2019年年度业绩说明会,国元证券研究中心资料来源：Gartner，国元证券研究中心3.4技术进步为刻蚀设备市场带来巨大增技术进步为刻蚀设备市场带来巨大增量量图图：3D N A N D 刻蚀深宽比随层数推进越来越高刻蚀深宽比随层数推进越来越高资料来源：公开资料整理,国元证券研究中心资料来源：公开资料整理，国元证券研究中心X32X48X64807060504030201002014.520152015.520162016.520172017.520182018.5深宽比6X510152025300200620082

13、01020122014201620182020深宽比图：全球逻辑电路、存储器件与刻蚀设备销售额情况（百万美元）图：全球逻辑电路、存储器件与刻蚀设备销售额情况（百万美元）300,000250,000200,000150,000100,00050,0000逻辑电路销售额刻蚀设备同比增长率存储器件销售额 存储器同比增长率200%150%100%50%0%-50%-100%2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019资料来源：wind，国元证券研究中心图：图：D R A M 所 需 刻 蚀 深 宽 比 随 制 程 推

14、进 越 来 越 高所 需 刻 蚀 深 宽 比 随 制 程 推 进 越 来 越 高1Y1X2Y2X3X4X3.4.1存储对刻存储对刻蚀设蚀设备市场的备市场的影响影响全球刻蚀设备的销售额与存储器件的销售额变动相关性较高，而逻辑 电路对刻蚀设备的销售额变动影响并不如存储明显。随着随着DRAM与与3D NAND制造工艺的不制造工艺的不断发展，刻蚀设备所需处理的深断发展，刻蚀设备所需处理的深 宽比越宽比越来越高。来越高。其中3D NAND所特有的叠层结构和层数倍增趋势，96层闪存深宽比已高达70:1。DRAM主要是在尺寸缩小趋势下底层晶体管 和电容桶结构位置出现大量高深宽比结构，1Y节点深宽比达到30:

15、1。存储技存储技术进步拉动刻蚀设备巨大需求，其术进步拉动刻蚀设备巨大需求，其中中3D NAND是推动对高深宽是推动对高深宽 比刻蚀设备需求的核心动力。比刻蚀设备需求的核心动力。563.4技术进步为刻蚀设备市场带来巨大增技术进步为刻蚀设备市场带来巨大增量量3.4.1存储对刻存储对刻蚀设蚀设备市场的备市场的影响影响3D NAND拥有众多关键拥有众多关键性性HAR结构结构，其刻蚀反应条件及复杂程度有别于普通刻蚀工艺，技术革新推动设备在这方向进行升级迭代并提升价值量。，其刻蚀反应条件及复杂程度有别于普通刻蚀工艺，技术革新推动设备在这方向进行升级迭代并提升价值量。栅极沟槽刻蚀栅极沟槽刻蚀3D N A N

16、 D 最核心的工序，单元阵最核心的工序，单元阵 列特有的垂直结构采用快速交替列特有的垂直结构采用快速交替 工艺工艺R A P 刻蚀深宽比刻蚀深宽比30:1的沟的沟 槽，每个槽，每个die上数百万沟槽经过上数百万沟槽经过 刻蚀后需要保持定位精准、深度刻蚀后需要保持定位精准、深度 一致、侧壁均匀一致、侧壁均匀图图：3D N A N D 所用刻蚀工艺所用刻蚀工艺通道孔刻蚀通道孔刻蚀通道孔是为后续清除牺牲层通道孔是为后续清除牺牲层SIN 充分反应接触，每个充分反应接触，每个die形成数形成数 十亿个深宽比十亿个深宽比60:1的深孔，对的深孔，对H A R 结 构 刻 蚀 技 术 要 求 很 高结 构

17、刻 蚀 技 术 要 求 很 高硬掩膜刻蚀硬掩膜刻蚀堆叠层薄膜后续刻蚀孔洞很深，堆叠层薄膜后续刻蚀孔洞很深，使用无定形碳等杨氏模量较高的使用无定形碳等杨氏模量较高的 硬掩模承接光刻图形，为减少刻硬掩模承接光刻图形，为减少刻 蚀器期间掩膜损耗的影响，掩膜蚀器期间掩膜损耗的影响，掩膜 窗口深宽比高达窗口深宽比高达20:1阶梯连接孔刻蚀阶梯连接孔刻蚀由于不同层数的阶梯连接孔深度由于不同层数的阶梯连接孔深度 不同，导致深宽比范围在不同，导致深宽比范围在30:1到到80:1,大约每大约每10层用一张层用一张mask，由于每层孔深度不同且同步刻蚀由于每层孔深度不同且同步刻蚀 不能不能穿透底部停止层，对刻蚀精

18、穿透底部停止层，对刻蚀精 度控制要度控制要求非常高求非常高573.4技术进步为刻蚀设备市场带来巨大增技术进步为刻蚀设备市场带来巨大增量量图：逻辑电路各工艺节点金属布线层层数图：逻辑电路各工艺节点金属布线层层数资料来源：应用材料，公开资料整理,国元证券研究中心资料来源：百度百科，国元证券研究中心3.4.2逻辑对刻逻辑对刻蚀设蚀设备市场的备市场的影响影响逻辑电逻辑电路对刻蚀的需求主要受两个因素影路对刻蚀的需求主要受两个因素影响响：1）尺寸缩小导致晶体管 前道部分的刻蚀难度增大，先进刻蚀设备的价格更贵；2）逻辑电路复 杂度导致中后道互联层数及加工步骤增加，刻蚀设备数量更多。先进封先进封装技术发展促进

19、中后道对刻蚀设备的需求装技术发展促进中后道对刻蚀设备的需求。Bosch工艺又叫深层 反应离子刻蚀工艺（DRIE），是一种极好的各向异性的高速刻蚀硅的 方法，广泛用于加工TSV通孔。3D先进封装技术是延续摩尔定律的主 要手段之一，常用TSV通孔结构实现多芯片互连，对刻蚀设备需求也 会逐渐增大。各向同性刻蚀侧壁钝化通过离子轰击除 去底部钝化层各向同性刻蚀最后形成的刻蚀 刨面910111213131416141210864202002200420062008201020122014201620182020图：图：Bosch工艺流程工艺流程583.5拉姆研究与中微公司对比分析拉姆研究与中微公司对比分析

20、回溯刻蚀回溯刻蚀龙龙头拉头拉姆姆研究往期研究往期业业绩变绩变化化，存储类，存储类设设备业备业绩绩弹性最弹性最大大，逻辑逻辑和和代工类设代工类设备备长期长期稳稳定增定增长长。刻蚀设备绝对龙头LamResearch全球市占率达50%以上，公司总营收从2013年36亿美元到2019的96.5亿美元，其中NVM存储刻蚀设备业务是业绩高速增 长的主要动能。近五近五年公年公司司存储存储类类刻蚀刻蚀NVM+DRAM营营收占收占比比维持维持在在50%以以上上，产品结，产品结构构中以中以存存储类储类设设备为备为绝绝对核对核心心。可以认为Lam Research的崛起和存储刻蚀机的需求息息相关，参考海外龙头，国内

21、存储芯片制造企业以刚起步加持国产替代，掌握HAR刻蚀核心技术的中 微公司优先受益。图图：Lam Research各类刻蚀机销售额（亿美元）各类刻蚀机销售额（亿美元）图图：L a m Research各类设备销售占比各类设备销售占比（%）20181614121086420NVMDRAMFoundryLogic/OtherNVMDRAM 100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%FoundryLogic/Other 59资料来源：Lam Research,国元证券研究中心资料来源：Lam Research，国元证券研究中心3.5拉姆研究与中微公司对比分析拉姆研究与中微公司对

22、比分析0500100015002019202020212022202320242025CAGR=13.33%01002003004005002019年全球半导体存储市场销售额约为1000亿美元，根据Global Market Insights的预测，到2026年全球半导体存储市场销售额能 够达到2500亿美元，期间以期间以年复合13.33%的速度增长。亚洲与欧洲越来越多的数据中心建设，游戏与娱乐业的存储需求，中国与美国对SSD的需求增长，越来越多的RAM在汽车领域中的使用预计将会创造更多的市场机会，同时越来越多的采用可穿戴 设备将推动消费电子产品市场份额，而消费电子占有着半导体存储市场的主要份

23、额。2019年，中国半导体存储器市场收入占全球存储市场份额22%左右,预计到2026年将达到约650亿美元，期间以年复合17%的增速 增长。预计中国由于较低的价格等优势能为销售额带来较大的增速。图：全球存储市场规模预测（亿美元）图：全球存储市场规模预测（亿美元）图：中国存储市场规模预测图：中国存储市场规模预测(亿 美 元）亿 美 元）2500700600200020192020202120222023202420252026CAGR=17%60资料来源：Global Market Insights,国元证券研究中心资料来源：Global Market Insights，国元证券研究中心3.5拉

24、姆研究与中微公司对比分析拉姆研究与中微公司对比分析用于后段低k介质层，存储高深宽比孔洞、沟槽、接触孔，自对准接触孔，电容单元FLEX系列ALE/RIE硅刻蚀用于前段STI，S/D，高k/金属栅 极，FinFET和三态栅极，多重图案化工艺KIYO系列ALE/RIE硅&介电质SENSE.I系列ALE/RIE用于存储和WLP的深沟槽、TSV等HAR结构，使用快速交替工艺使深宽比高达100:1SYNDION系列DRIETiN金属硬掩膜、高密度铝线、铝焊盘VERSYSMETAL系列RIEDSiE系列深硅刻蚀用于MEMS、功率器件、无源元件 和传感器DRIERELIANT系列导体、介电质、金属、特种膜（G

25、aN、AIGaN、SiC等）等特殊工艺DRIE金属布金属布 线层线层存储叠层存储叠层 及电容及电容MEMS逻辑电路逻辑电路 外围电路外围电路去胶去胶 清洗清洗质量质量计量计量CORONUS DV-PRIME DA VINCI EOS GAMMA RELIANTMETRYX完整刻蚀完整刻蚀 加工工艺加工工艺NMC612G集成去胶模块，用于12寸后道金属Al 刻蚀NMC508M用于350-110nm 8英寸Al/W金属CCP刻 蚀NMC612M TiN HM用于28-14nm节点后道双大马士革工 艺中的TiN金属硬掩膜刻蚀Primo CCP 系列共四代介质刻蚀产品适于65-7nm制程，主要用 于逻

26、辑、存储后道中高深宽比沟槽及深孔刻蚀Primo ICP nanova1X纳米及以下存储和逻辑器件前道ICP刻蚀前道硅前道硅 刻蚀刻蚀存储存储HAR 结构结构Cu互联互联 硬掩模硬掩模Al互联互联 刻蚀刻蚀北方华创中微公司中微中微Primo iDEA将刻蚀和等离子体源除胶器（DsA）反应腔整合在一个平台NMC612 C/D61ICP Si用于90-14nm节点逻辑和存储前道硅 刻蚀，并具备10/7纳米工艺延伸能力3.6国产刻蚀设备企业总结国产刻蚀设备企业总结刻蚀刻蚀ICPCCP干干 法法湿湿 法法中微中微M attson屹唐半导体屹唐半导体中微中微北北京创京创世世威威纳纳科科技技M attson

27、屹唐半导体屹唐半导体623.7小结小结刻蚀刻蚀设备设备市市场需场需求求主要主要受受两部两部分分影响影响，1）尺缩尺缩+3D化化使高使高深深宽比宽比刻刻蚀设蚀设备备需求需求增增多；多；2）多）多重重曝光曝光工工艺等艺等更更复杂复杂的的制程制程导导致刻致刻蚀蚀加加 工步骤工步骤增增多。多。目前刻蚀工艺设备龙头是美国公司泛林半导体，产品布局可实现除光刻外全薄膜工艺环节布局，与应用材料一样实现 平台化。中微公司和北方华创是国产刻蚀设备龙头，产品实用范围分别是介质和硅刻蚀。1）目前中微在介质刻蚀进展很快，技术已经进入7/5nm节点，而且主攻方向是高深宽比刻蚀。由于3D NAND和DRAM对高深宽比介质刻蚀设备需求更大，我们认为随着国产存储 技术的突破和产能释放，将拉动国产介质刻蚀设备的需求。2）随着中芯国际14nm先进制程告捷，以及华虹进展飞快，国内逻辑芯 片制造将迎来历史拐点，我们认为逻辑芯片将拉动国产硅刻蚀设备的需求。供给供给端：端：国内刻蚀设备技术储备已达到14nm及以下；需求需求端：端：长江存储+合肥长鑫为代表的存储芯片，中芯国际+华虹半导体为代表的逻辑芯片，为国产刻蚀设备提供需求。63