Značilnosti silicijeve epitaksije

Silicijeva epitaksijaje ključni osnovni postopek v sodobni proizvodnji polprevodnikov. Nanaša se na postopek gojenja enega ali več plasti enokristalnih silicijevih tankih filmov s specifično kristalno strukturo, debelino, koncentracijo dopinga in tipa na natančno polirani enokristalni silicijevi podlagi. Ta odrasli film se imenuje epitaksialna plast (epitaksialna plast ali EPI plast), silicijeva rezina z epitaksialno plastjo pa se imenuje epitaksialna silicijeva rezina. Njegova temeljna značilnost je, da je na novo zrasla epitaksialna silicijeva plast nadaljevanje strukture rešetke v kristalografiji, ki ohranja isto kristalno orientacijo kot substrat, ki tvori popolno enojno kristalno strukturo. To omogoča, da imajo epitaksialni plasti natančno zasnovane električne lastnosti, ki so drugačne od lastnosti substrata, s čimer so podlaga za izdelavo visokozmogljivih polprevodniških naprav.

Vertialni epitaksialni asiceptor za silicijevo epitaksijo

Ⅰ. Kaj je silicijeva epitaksija?

1) Opredelitev: Silicijeva epitaksija je tehnologija, ki silicijeve atome odloži na enokristalni silicijevi substrat s kemičnimi ali fizikalnimi metodami in jih razporedi v skladu z strukturo rešetke substrata za rast novega enokristalnega silicijevega tankega filma.

2） Ujemanje rešetk: Ključna značilnost je urejenost epitaksialne rasti. Deponirani silicijevi atomi niso naključno zloženi, vendar so razporejeni v skladu s kristalno orientacijo substrata pod vodstvom "predloge", ki jo zagotavljajo atomi na površini substrata in dosegajo natančno podvajanje atomske ravni. To zagotavlja, da je epitaksialna plast visokokakovosten enkratni kristal, ne pa polikristalni ali amorfni.

3） Nadzornost: Proces silicijevega epitaksija omogoča natančen nadzor debeline rastne plasti (od nanometrov do mikrometrov), tipa dopinga (N-tip ali P-tip) in koncentracijo dopinga. To omogoča oblikovanje regij z različnimi električnimi lastnostmi na isti silicijevi rezini, ki je ključ do izdelave kompleksnih integriranih vezij.

4） Značilnosti vmesnika: Vmesnik je oblikovan med epitaksialnim slojem in podlago. V idealnem primeru je ta vmesnik atomsko raven in brez kontaminacije. Vendar pa je kakovost vmesnika ključnega pomena za delovanje epitaksialne plasti, kakršne koli napake ali kontaminacije pa lahko vplivajo na končno delovanje naprave.

Ⅱ. Načela silicijeve epitaksije

Epitaksialna rast silicija je v glavnem odvisna od zagotavljanja prave energije in okolja, da se silicijevi atomi selijo na površino substrata in najdejo najnižji položaj energije za kombinacijo. Trenutno najpogosteje uporabljena tehnologija je kemično odlaganje hlapov (CVD).

Kemična odlaganje hlapov (CVD): To je glavna metoda za doseganje silicijeve epitaksije. Njegova osnovna načela so:

● Prevoz predhodnika: Plin, ki vsebuje silicijev element (predhodnika), kot so Silan (SIH4), diklorosilan (SIH2CL2) ali triklorosilan (SIHCL3), in dopant plin (na primer fosfin pH3 za N-tip doping in diborane B2H6 za P-tip doping) se mešajo v natančnosti.

● Površinska reakcija: Pri visokih temperaturah (običajno med 900 ° C in 1200 ° C) ti plini podvržejo kemični razgradnji ali reakciji na površini ogrevanega silicijevega substrata. Na primer, SIH4 → SI (trdna)+2H2 (plin).

● Površinska migracija in nukleacija: Silicijevi atomi, ki nastanejo z razgradnjokristalna plast. Kakovost silicija epitaksialne rasti je v veliki meri odvisna od nadzora tega koraka.

● Večplastna rast: Na novo odložena atomska plast neprekinjeno ponavlja strukturo rešetke substrata, raste plast za plastjo in tvori epitaksialno silicijevo plast z določeno debelino.

Ključni parametri procesa: Kakovost procesa silicijevega epitaksija je strogo nadzorovana, ključni parametri pa vključujejo:

● Temperatura: vpliva na hitrost reakcije, površinsko mobilnost in oblikovanje napak.

● Pritisk: vpliva na transport plina in reakcijsko pot.

● Pretok in razmerje plina: Določi hitrost rasti in koncentracijo dopinga.

● Čistost površine substrata: Vsak onesnaževalec je lahko izvor napak.

● Druge tehnologije: Čeprav je CVD glavni tok, se lahko tehnologije, kot je epitaksija molekularnega žarka (MBE), uporabljajo tudi za silicijevo epitaksijo, zlasti v raziskavah in razvoju ali posebnih aplikacijah, ki zahtevajo izjemno visoko natančnost.MBE neposredno izhlapi silicijeve vire v zelo visokem vakuumskem okolju, atomski ali molekularni žarki pa se neposredno projicirajo na substrat za rast.

Ⅲ. Specifične uporabe tehnologije silicijeve epitaksije v proizvodnji polprevodnikov

Silicijeva tehnologija Epitaxy je močno razširila ponudbo silicijevih materialov in je nepogrešljiv del proizvodnje številnih naprednih polprevodniških naprav.

● Tehnologija CMOS: V visokozmogljivih logičnih čipih (kot sta CPU in GPU) se epitaksialna silicijeva plast z nizko dopirano (P-ali N) pogosto goji na močno dopiran (P+ ali N+) substrat. Ta epitaksialna struktura silicijeve rezine lahko učinkovito zavira učinek zaskoka (zaklep), izboljša zanesljivost naprav in vzdržuje nizko odpornost substrata, ki je naklonjena trenutni prevodu in odvajanju toplote.

● Bipolarni tranzistorji (BJT) in Bicmos: V teh napravah se silicijeva epitaksija uporablja za natančno konstrukcijo struktur, kot sta bazo ali kolektorsko območje, in dobiček, hitrost in druge značilnosti tranzistorja se optimizirajo z nadzorom koncentracije dopinga in debeline epitaksialne plasti.

● Senzor slike (CIS): V nekaterih aplikacijah senzorjev slike lahko epitaksialne silicijeve rezine izboljšajo električno izolacijo slikovnih pik, zmanjšajo prekrivanje in optimizirajo učinkovitost fotoelektrične pretvorbe. Epitaksialna plast zagotavlja čistejše in manj pokvarjeno aktivno območje.

● Napredna procesna vozlišča: Ker se velikost naprave še naprej zmanjšuje, se zahteve za lastnosti materiala postajajo višje in višje. Tehnologija silikonske epitaksije, vključno s selektivno epitaksialno rastjo (SEG), se uporablja za rast napetih epitaksialnih plasti silicijevega ali silicijevega germanijevega (SIGE) na določenih območjih za izboljšanje mobilnosti nosilcev in s tem poveča hitrost tranzistorjev.

Obzorni epitaksialni obstrežnik za silicijevo epitaksijo

Ⅳ.Težave in izzivi tehnologije silicijevega epitaksije

Čeprav je tehnologija silicijevega epitaksija zrela in široko uporabljena, je v epitaksialni rasti silicijevega procesa še vedno nekaj izzivov in težav:

● Nadzor napak: Med epitaksialno rastjo se lahko ustvarijo različne okvare kristalov, kot so napake z zlaganjem, dislokacije, drsne črte itd. Te napake lahko resno vplivajo na električno delovanje, zanesljivost in donos naprave. Nadzor napak zahteva izjemno čisto okolje, optimizirane parametre procesa in kakovostne podlage.

● Enotnost: Doseganje popolne enotnosti debeline epitaksialne plasti in koncentracije dopinga na silicijevih rezinih velikih velikosti (na primer 300 mm) je nenehni izziv. Neenakomernost lahko privede do razlik v zmogljivosti naprave na isti rezini.

● Avtodoping: Med postopkom epitaksialne rasti lahko dopants z visoko koncentracijo v substratu vstopi v rastočo epitaksialno plast z difuzijo plinske faze ali difuzijo trdnega stanja, kar povzroči, da koncentracija dopinga epitaksialne plasti odstopa od pričakovane vrednosti, zlasti blizu vmesnika med epitaksialnim slojem in substratom. To je eno od vprašanj, ki jih je treba obravnavati v procesu silicijevega epitaksije.

● Površinska morfologija: Površina epitaksialne plasti mora ostati zelo ravna, vsakršna hrapavost ali površinske napake (na primer meglica) pa vplivajo na naslednje procese, kot je litografija.

● Stroški: V primerjavi z navadnimi poliranimi silikonskimi rezinami proizvodnja epitaksialnih silicijevih rezin dodaja dodatne procesne korake in naložbe v opremo, kar ima za posledico večje stroške.

● Izzivi selektivne epitaksije: V naprednih procesih selektivna epitaksialna rast (rast samo na določenih območjih) postavlja večje potrebe po nadzoru procesov, kot so selektivnost hitrosti rasti, nadzor stranske zaraščanja itd.

Ⅴ.Zaključek

Kot ključna tehnologija za pripravo polprevodniškega materiala je temeljna značilnostSilicijeva epitaksijaje sposobnost natančno gojenja visokokakovostnih enokristalnih epitaksialnih silicijevih plasti s specifičnimi električnimi in fizikalnimi lastnostmi na enokristalnih silicijevih podlagah. Z natančnim nadzorom parametrov, kot so temperatura, tlak in pretok zraka v procesu silicijevega epitaksija, je mogoče debelino plasti in porazdelitev dopinga prilagoditi potrebam različnih polprevodniških aplikacij, kot so CMO, napajalne naprave in senzorji.

Čeprav se epitaksialna rast silicija sooča z izzivi, kot so nadzor napak, enotnost, samopodoba in stroški, z nenehnim napredkom tehnologije, je silicijeva epitaksija še vedno ena glavnih gonilnih sil za spodbujanje izboljšanja zmogljivosti in funkcionalne inovacije polprevodniških naprav in njegovega položaja v irreplakalnosti.