Charakteristiky epitaxy křemíku

Silikonová epitaxyje klíčovým základním procesem moderní výroby polovodičů. Týká se procesu pěstování jedné nebo více vrstev tenkých filmů s jedním krystalem se specifickou krystalovou strukturou, tloušťkou, koncentrací dopingu a typu na přesně leštěném jednokrystalovém křemíkovém substrátu. Tento dospělý film se nazývá epitaxiální vrstva (epitaxiální vrstva nebo vrstva EPI) a křemíkový oplatk s epitaxiální vrstvou se nazývá epitaxiální křemíkový oplatka. Její základní charakteristikou je, že nově pěstovaná epitaxiální křemíková vrstva je pokračováním substrátové mřížkové struktury v krystalografii, přičemž zachovává stejnou krystalovou orientaci jako substrát a vytváří dokonalou jednotlivou krystalovou strukturu. To umožňuje epitaxiální vrstvě mít přesně navržené elektrické vlastnosti, které se liší od vlastností substrátu, a tak poskytují základ pro výrobu vysoce výkonných polovodičových zařízení.

Svislý epitaxiální susceptor pro silikonovou epitaxii

Ⅰ. Co je silikonová epitaxy?

1) Definice: Silicon Epitaxy je technologie, která ukládá atomy křemíku na jednokrystalovém křemíkovém substrátu chemickými nebo fyzikálními metodami a uspořádá je podle substrátové mřížkové struktury tak, aby rostla nový ten tenký tenký film Silicon.

2） Srovnání mřížky: Hlavním rysem je řádnost epitaxiálního růstu. Usazené atomy křemíku nejsou náhodně naskládány, ale jsou uspořádány podle krystalové orientace substrátu pod vedením „šablony“ poskytnuté atomy na povrchu substrátu a dosahují přesné replikace na atomové úrovni. Tím je zajištěno, že epitaxiální vrstva je vysoce kvalitní jediný krystal, spíše než polykrystalický nebo amorfní.

3） Říditelnost: Proces silikonové epitaxy umožňuje přesnou kontrolu tloušťky růstové vrstvy (od nanometrů po mikrometry), typ dopingu (typ N nebo typu P) a koncentraci dopingu. To umožňuje vytvoření oblastí s různými elektrickými vlastnostmi na stejném křemíkovém oplatku, což je klíč k výrobním komplexním integrovaným obvodům.

4） Charakteristiky rozhraní: Mezi epitaxiální vrstvou a substrátem je vytvořeno rozhraní. V ideálním případě je toto rozhraní atomicky ploché a bez kontaminace. Kvalita rozhraní je však kritická pro výkon epitaxiální vrstvy a jakékoli defekty nebo kontaminace mohou ovlivnit konečný výkon zařízení.

Ⅱ. Principy epitaxy křemíku

Epitaxiální růst křemíku hlavně závisí na poskytnutí správné energie a prostředí pro atomy křemíku, aby migrovaly na povrchu substrátu a nalezly nejnižší energetickou mřížku pro kombinaci. Nejčastěji používanou technologií v současné době je chemická depozice par (CVD).

Chemická depozice par (CVD): Toto je metoda mainstreamu k dosažení epitaxy křemíku. Jeho základní principy jsou:

● Přeprava prekurzorů: Plyn obsahující křemíkový prvek (prekurzor), jako je silan (SIH4), dichlorosilan (SIH2Cl2) nebo trichlorosilan (SIHCL3), a dopantský plyn (jako je fosfin pH3 pro doping-typ a doping s vysokým teritem a dopingem pro p-typu) pro p-typu) a prochází dopingem s vysokým tericí.

● Povrchová reakce: Při vysokých teplotách (obvykle mezi 900 ° C a 1200 ° C) tyto plyny podléhají chemickému rozkladu nebo reakci na povrchu vyhřívaného křemíkového substrátu. Například SIH4 → SI (pevná látka)+2H2 (plyn).

● Povrchová migrace a nukleace: Atomy křemíku produkované rozkladem jsou adsorbovány na povrch substrátu a migrují na povrchu, nakonec naleznou správnou mřížku, aby se kombinovala a začala tvořit nový singlKřišťálová vrstva. Kvalita epitaxiálního růstového křemíku do značné míry závisí na kontrole tohoto kroku.

● Vrstvený růst: Nově uložená atomová vrstva nepřetržitě opakuje mřížkovou strukturu substrátu, roste vrstvu po vrstvě a tvoří epitaxiální křemíkovou vrstvu se specifickou tloušťkou.

Klíčové parametry procesu: Kvalita procesu epitaxy silikonu je přísně kontrolována a klíčové parametry zahrnují:

● Teplota: ovlivňuje reakční rychlost, povrchovou mobilitu a tvorbu vad.

● Tlak: ovlivňuje transport plynu a reakční cestu.

● Tok plynu a poměr: určuje míru růstu a koncentraci dopingu.

● Čistota povrchu substrátu: Jakýkoli kontaminanta může být původem defektů.

● Jiné technologie: Ačkoli CVD je hlavní proud, technologie, jako je epitaxy molekulárního paprsku (MBE), lze také použít pro epitaxii křemíku, zejména ve výzkumu a vývoji nebo speciálních aplikacích, které vyžadují extrémně vysokou přesnost.MBE přímo odpařuje zdroje křemíku v ultra vysokém vakuovém prostředí a atomové nebo molekulární paprsky jsou přímo promítnuty na substrát pro růst.

Ⅲ. Specifické aplikace technologie silikonové epitaxy ve výrobě polovodičů

Technologie Silicon Epitaxy Technology výrazně rozšířila rozsah aplikací křemíkových materiálů a je nezbytnou součástí výroby mnoha pokročilých polovodičových zařízení.

● Technologie CMOS: U vysoce výkonných logických čipů (jako jsou CPU a GPU) se epitaxiální křemíková vrstva s nízkým dotovým (p- nebo n−) často pěstuje na silně dopovaném (p+ nebo n+) substrátu. Tato struktura epitaxiálního křemíku může účinně potlačit účinek západky (západka), zlepšit spolehlivost zařízení a udržovat nízkou odolnost substrátu, který vede k proudovému vedení a rozptylu tepla.

● Bipolární tranzistory (BJT) a Bicmos: V těchto zařízeních se silikonová epitaxy používá k přesné konstrukci struktur, jako je základní nebo sběratelská oblast, a zisk, rychlost a další vlastnosti tranzistoru jsou optimalizovány kontrolou koncentrace dopingu a tloušťky epitaxiální vrstvy.

● Senzor obrázku (cis): V některých aplikacích obrazových senzorů mohou epitaxiální křemíkové oplatky zlepšit elektrickou izolaci pixelů, snížit přeslech a optimalizovat účinnost fotoelektrické konverze. Epitaxiální vrstva poskytuje čistší a méně vadnou aktivní plochu.

● Pokročilé procesní uzly: Vzhledem k tomu, že se velikost zařízení stále zmenšuje, požadavky na vlastnosti materiálu se zvyšují a vyšší. Technologie křemíku epitaxy, včetně selektivního epitaxiálního růstu (SEG), se používá k růstu epitaxiálních vrstev na napjaté křemík nebo křemík (SIGE) ve specifických oblastech, aby se zlepšila pohyblivost nosiče, a tím se zvýšila rychlost tranzistorů.

Horizonský epitaxiální susceptor pro epitaxy křemíku

Ⅳ.Problémy a výzvy technologie silikonové epitaxy

Ačkoli technologie silikonové epitaxy je zralá a široce používána, stále existují určité výzvy a problémy v epitaxiálním růstu procesu křemíku:

● Kontrola vady: Během epitaxiálního růstu mohou být generovány různé defekty krystalů, jako jsou poruchy stohování, dislokace, skluzové linie atd. Tyto vady mohou vážně ovlivnit elektrický výkon, spolehlivost a výnos zařízení. Řízení vad vyžaduje extrémně čisté prostředí, optimalizované parametry procesu a vysoce kvalitní substráty.

● Jednotnost: Dosažení dokonalé uniformity tloušťky epitaxiální vrstvy a dopingové koncentrace na velké křemíkové oplatky (jako je 300 mm) je trvalou výzvou. Nejednotnost může vést k rozdílům ve výkonu zařízení na stejné oplatce.

● Autodoping: Během procesu epitaxiálního růstu mohou dopanty s vysokou koncentrací v substrátu vstoupit do rostoucí epitaxiální vrstvy pomocí difúze plynové fáze nebo difúze pevného stavu, což způsobuje, že se koncentrace dopingu epitaxiální vrstvy odchyluje od očekávané hodnoty, zejména v blízkosti rozhraní epitaxiální vrstvy a substrátem. Toto je jeden z problémů, které je třeba řešit v procesu silikonové epitaxy.

● Morfologie povrchu: Povrch epitaxiální vrstvy musí zůstat vysoce plochý a jakékoli drsnost nebo povrchové vady (jako je zákar) ovlivní následné procesy, jako je litografie.

● Náklady: Ve srovnání s běžnými leštěnými křemíkovými destičkami přidává výroba epitaxiálních křemíkových destiček další kroky a investice do zařízení, což vede k vyšším nákladům.

● Výzvy selektivní epitaxy: V pokročilých procesech klade selektivní epitaxiální růst (růst pouze ve specifických oblastech) vyšší požadavky na kontrolu procesů, jako je selektivita rychlosti růstu, kontrola bočního přerůstání atd.

Ⅴ.Závěr

Jako klíčová technologie přípravy polovodičového materiálu, hlavním rysemSilikonová epitaxyje schopnost přesně pěstovat vysoce kvalitní jednokrystalové epitaxiální křemíkové vrstvy se specifickými elektrickými a fyzikálními vlastnostmi na substrátech s jedním krystalem křemíku. Přesnou kontrolou parametrů, jako je teplota, tlak a proudění vzduchu v procesu silikonové epitaxy, může být tloušťka vrstvy a dopingová rozdělení přizpůsobena tak, aby vyhovovala potřebám různých polovodičových aplikací, jako jsou CMO, napájecí zařízení a senzory.

Ačkoli epitaxiální růst křemíkového obličeje čelí výzvám, jako je kontrola vad, uniformita, sebepovídání a náklady, s neustálým rozvojem technologie, silikonová epitaxy je stále jednou z hlavních hnacích sil pro podporu zlepšování výkonu a funkční inovace semiconductor zařízení a jeho poloha epitaxiální silikonové vařiče.