Charakteristika křemíkové epitaxe

Silikonová epitaxeje zásadní základní proces v moderní výrobě polovodičů. Jedná se o proces narůstání jedné nebo více vrstev monokrystalických křemíkových tenkých filmů se specifickou krystalovou strukturou, tloušťkou, koncentrací dopingu a typem na přesně leštěném monokrystalickém křemíkovém substrátu. Tento narostlý film se nazývá epitaxní vrstva (Epitaxial Layer nebo Epi Layer) a křemíkový plátek s epitaxní vrstvou se nazývá epitaxní křemíkový plátek. Jeho základní charakteristikou je, že nově narostlá epitaxní vrstva křemíku je pokračováním substrátové mřížkové struktury v krystalografii, zachovává si stejnou krystalovou orientaci jako substrát a vytváří dokonalou monokrystalickou strukturu. To umožňuje, aby epitaxní vrstva měla přesně navržené elektrické vlastnosti, které se liší od vlastností substrátu, a poskytuje tak základ pro výrobu vysoce výkonných polovodičových součástek.

Vertikální epitaxní susceptor pro křemíkovou epitaxi

Ⅰ. Co je křemíková epitaxe?

1) Definice: Křemíková epitaxe je technologie, která ukládá atomy křemíku na monokrystalický křemíkový substrát chemickými nebo fyzikálními metodami a uspořádává je podle mřížkové struktury substrátu za účelem růstu nového tenkého filmu monokrystalického křemíku.

2) Přizpůsobení mřížky: Základním rysem je řádnost epitaxního růstu. Uložené atomy křemíku nejsou náhodně naskládány, ale jsou uspořádány podle krystalové orientace substrátu pod vedením "šablony" poskytované atomy na povrchu substrátu, čímž je dosaženo přesné replikace na atomové úrovni. To zajišťuje, že epitaxní vrstva je vysoce kvalitní monokrystal, spíše než polykrystalický nebo amorfní.

3) ovladatelnost: Proces křemíkové epitaxe umožňuje přesnou kontrolu tloušťky růstové vrstvy (od nanometrů po mikrometry), typu dopingu (typu N nebo typu P) a koncentrace dopingu. To umožňuje vytvářet oblasti s různými elektrickými vlastnostmi na stejném křemíkovém plátku, což je klíčem k výrobě složitých integrovaných obvodů.

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

Ⅱ. Principy křemíkové epitaxe

Epitaxní růst křemíku závisí hlavně na poskytnutí správné energie a prostředí pro atomy křemíku k migraci na povrchu substrátu a nalezení nejnižší energetické polohy mřížky pro kombinaci. Nejpoužívanější technologií v současnosti je chemická depozice z plynné fáze (CVD).

Chemická depozice z plynné fáze (CVD): Toto je hlavní metoda k dosažení křemíkové epitaxe. Jeho základní principy jsou:

● Doprava prekurzorů: Plyn obsahující křemíkový prvek (prekurzor), jako je silan (SiH4), dichlorsilan (SiH2Cl2) nebo trichlorsilan (SiHCl3), a dopovací plyn (jako je fosfin PH3 pro dotování typu N a diboran B2H6 pro dopování typu P) jsou smíchány v přesných poměrech a převedeny do reakční komory s vysokou teplotou.

● Povrchová reakce: Při vysokých teplotách (obvykle mezi 900 °C a 1200 °C) tyto plyny podléhají chemickému rozkladu nebo reakci na povrchu zahřátého křemíkového substrátu. Například SiH4→Si(pevná látka)+2H2(plyn).

● Povrchová migrace a nukleace: Atomy křemíku produkované rozkladem se adsorbují na povrch substrátu a migrují po povrchu, případně najdou správné místo mřížky, aby se spojily a začaly tvořit nový singlkrystalová vrstva. Kvalita epitaxního růstového křemíku do značné míry závisí na kontrole tohoto kroku.

● Vrstvený růst: Nově nanesená atomová vrstva nepřetržitě opakuje mřížkovou strukturu substrátu, roste vrstvu po vrstvě a tvoří epitaxní křemíkovou vrstvu o specifické tloušťce.

Klíčové parametry procesu: Kvalita procesu křemíkové epitaxe je přísně kontrolována a mezi klíčové parametry patří:

● Teplota: ovlivňuje rychlost reakce, pohyblivost povrchu a tvorbu defektů.

● Tlak: ovlivňuje transport plynu a reakční cestu.

● Průtok a poměr plynu: určuje rychlost růstu a koncentraci dopingu.

● Čistota povrchu podkladu: Původem závad může být jakákoli kontaminace.

● Jiné technologie: Ačkoli je CVD hlavním proudem, technologie jako Molecular Beam Epitaxy (MBE) lze také použít pro křemíkovou epitaxi, zejména ve výzkumu a vývoji nebo speciálních aplikacích, které vyžadují extrémně vysokou přesnost řízení.MBE přímo odpařuje zdroje křemíku v prostředí ultra vysokého vakua a atomové nebo molekulární paprsky jsou přímo promítány na substrát pro růst.

Ⅲ. Specifické aplikace technologie křemíkové epitaxe ve výrobě polovodičů

Technologie křemíkové epitaxe značně rozšířila aplikační rozsah křemíkových materiálů a je nepostradatelnou součástí výroby mnoha pokročilých polovodičových součástek.

● Technologie CMOS: Ve vysoce výkonných logických čipech (jako jsou CPU a GPU) se často na silně dopovaném (P+ nebo N+) substrátu pěstuje vrstva epitaxního křemíku s nízkou dotací (P– nebo N–). Tato epitaxní struktura křemíkové destičky může účinně potlačit efekt latch-up (Latch-up), zlepšit spolehlivost zařízení a udržet nízký odpor substrátu, což vede k vedení proudu a odvodu tepla.

● Bipolární tranzistory (BJT) a BiCMOS: V těchto zařízeních se křemíková epitaxe používá k přesné konstrukci struktur, jako je oblast báze nebo kolektoru, a zisk, rychlost a další charakteristiky tranzistoru jsou optimalizovány řízením koncentrace dopingu a tloušťky epitaxní vrstvy.

● Obrazový snímač (CIS): V některých aplikacích obrazových snímačů mohou epitaxní křemíkové destičky zlepšit elektrickou izolaci pixelů, snížit přeslechy a optimalizovat účinnost fotoelektrické konverze. Epitaxní vrstva poskytuje čistší a méně defektní aktivní oblast.

● Pokročilé procesní uzly: Jak se velikost zařízení stále zmenšuje, požadavky na vlastnosti materiálu jsou stále vyšší a vyšší. Technologie křemíkové epitaxe, včetně selektivního epitaxního růstu (SEG), se používá k růstu napjatých křemíkových nebo křemíkových germaniových (SiGe) epitaxních vrstev ve specifických oblastech, aby se zlepšila mobilita nosičů a tím se zvýšila rychlost tranzistorů.

Horizontální epitaxní susceptor pro křemíkovou epitaxi

Ⅳ.Problémy a výzvy technologie křemíkové epitaxe

Přestože technologie křemíkové epitaxe je vyspělá a široce používaná, stále existují určité výzvy a problémy v epitaxním růstu procesu křemíku:

● Kontrola defektů: Během epitaxního růstu mohou vznikat různé krystalové defekty, jako jsou stohovací chyby, dislokace, skluzové čáry atd. Tyto závady mohou vážně ovlivnit elektrický výkon, spolehlivost a výtěžnost zařízení. Kontrola defektů vyžaduje extrémně čisté prostředí, optimalizované parametry procesu a vysoce kvalitní substráty.

● Jednotnost: Dosažení dokonalé stejnoměrnosti tloušťky epitaxní vrstvy a koncentrace dopingu na velkých křemíkových plátcích (např. 300 mm) je trvalou výzvou. Nejednotnost může vést k rozdílům ve výkonu zařízení na stejném waferu.

● Autodoping: Během procesu epitaxního růstu mohou dopující látky s vysokou koncentrací v substrátu vstupovat do rostoucí epitaxní vrstvy difúzí v plynné fázi nebo difúzí v pevné fázi, což způsobí, že se koncentrace dopingu epitaxní vrstvy odchyluje od očekávané hodnoty, zejména v blízkosti rozhraní mezi epitaxní vrstvou a substrátem. Toto je jeden z problémů, který je třeba řešit v procesu křemíkové epitaxe.

● Morfologie povrchu: Povrch epitaxní vrstvy musí zůstat vysoce plochý a jakákoli drsnost nebo povrchové defekty (jako je zákal) ovlivní následné procesy, jako je litografie.

● Náklady: Ve srovnání s běžnými leštěnými silikonovými destičkami přidává výroba epitaxních silikonových destiček další procesní kroky a investice do zařízení, což vede k vyšším nákladům.

● Výzvy selektivní epitaxe: V pokročilých procesech klade selektivní epitaxní růst (růst pouze ve specifických oblastech) vyšší nároky na řízení procesu, jako je selektivita rychlosti růstu, kontrola laterálního přerůstání atp.

Ⅴ.Závěr

Jako klíčová technologie přípravy polovodičového materiálu, hlavní ryssilikonová epitaxeje schopnost přesně pěstovat vysoce kvalitní monokrystalické epitaxní křemíkové vrstvy se specifickými elektrickými a fyzikálními vlastnostmi na monokrystalických křemíkových substrátech. Přesným řízením parametrů, jako je teplota, tlak a proudění vzduchu v procesu křemíkové epitaxe, lze tloušťku vrstvy a distribuci dopingu přizpůsobit tak, aby vyhovovaly potřebám různých polovodičových aplikací, jako jsou CMOS, napájecí zařízení a senzory.

Ačkoli epitaxní růst křemíku čelí výzvám, jako je kontrola defektů, uniformita, vlastní dopování a náklady, s neustálým pokrokem v technologii je křemíková epitaxe stále jednou z hlavních hnacích sil pro podporu zlepšování výkonu a funkční inovace polovodičových zařízení a její pozice ve výrobě epitaxních křemíkových plátků je nenahraditelná.