芯片制程突破驱动半导体材料需求升级
思瀚产业研究院    2022-11-22

随着 5G、人工智能、智慧交通等消费电子、汽车电子、计算机等应用领域先进技术的发展，下游应用场景对于芯片性能提出更高的要求，推动芯片制程升 级。国内外晶圆厂加紧对于半导体新制程的研发，全球晶圆制造龙头企业台积电、 三星等均已向 5nm 以下制程突破；大陆晶圆制造龙头中芯国际也在加紧 12nm 以 下制程工艺的研发。

资料来源：IC Insights（Intel 指英特尔；Samsung 指三星；TSMC 指台积电；Global Foundries 指格罗方德；SMIC 指中芯国际；UMC 指台联电）

而芯片制造技术升级需要半导体设备和材料作为支撑。常见晶圆制造工艺所需半导体材料如下所示：

资料来源：ittbank

近年来集成电路制造技术快速发展，新制程带来新的工艺与材料的变化。集 成电路制造进入 28nm/14nm/7nm 制程后，新的晶体管器件、新的工艺和材料不断引入，新的晶体管器件如高 K 金属栅极（HKMG）晶体管、鳍式场效应晶体 管（FinFET），新的工艺如自对准多重成像工艺等，新的材料如钴金属导电层； 同时，先进半导体制程呈现向三维结构转化的趋势。以上集成电路领域的新变化 对晶圆制造主要工艺薄膜沉积工艺——特别是作为这一工艺核心的先进前驱体 材料——提出了更高的要求。

如上图所示，高 K 金属栅极（HKMG）晶体管是集成电路制程进入 28nm 的 新材料，由于传统二氧化硅栅极晶体管在 28nm 制程后漏电情况大幅增加影响芯片性能，而高 K 金属栅极（HKMG）晶体管则有效解决了这一问题。

双重曝光光刻和鳍式场效应晶体管（FinFET）是集成电路制程进入 14nm 的 新工艺和新器件，其中在双重曝光光刻工艺结合 ArF 浸没式光刻胶可以达到 14nm 以下的集成电路制程；3D 结构的 FinFET 工艺相对于传统的平面晶体管而言减小了晶体管的短沟道效应，同时能够更好地对沟道进行静电控制，FiFET 工艺也需要薄膜沉积工艺及半导体前驱体材料能够填充更小、更高纵深比的沟槽。 进入集成电路 7nm 后，自对准二重/四重曝光成像技术和钴元素等新金属材 料制成的薄膜得到应用。

自对准二重/四重曝光成像技术系通过多重曝光实现小 尺寸工艺，需要在低温环境下活性好且镀膜均匀的前驱体材料；钴元素则是在新 的技术需求下替代钨元素的新材料，具体表现在含钴的金属前驱体材料等。

此外，更高端的制程工艺需要更加先进薄膜沉积技术（如原子层薄膜沉积 ALD 技术），该技术的先进性以先进 ALD 前驱体材料作为核心支撑；7nm 以下 集成电路制程也需要 EUV 光刻胶作为必备的生产材料。

编制：诸葛御

责任编辑：赵皋

来源： 思瀚产业研究院 南大光电