Charakterystyka epitaksji krzemu

Epitaksja krzemowajest kluczowym podstawowym procesem we współczesnej produkcji półprzewodników. Odnosi się do procesu uprawy jednej lub większej liczby warstw cienkich folii z pojedynczych kryształów o specyficznej strukturze krystalicznej, grubości, stężeniu domieszkowania i rodzaju na precyzyjnie wypolerowanym podłożu krzemowym z pojedynczym kryształem. Ta dorosła folia nazywana jest warstwą epitaksjalną (warstwa epitaksjalna lub warstwa EPI), a wafel krzemowy z warstwą epitaksjalną nazywa się epitaksjalnym wafel krzemowy. Jego podstawową cechą jest to, że nowo wyhodowana epitaksjalna warstwa krzemowa jest kontynuacją struktury sieci podłoża w krystalografii, utrzymującą taką samą orientację kryształową co podłoże, tworząc idealną strukturę pojedynczych krystalicznych. Umożliwia to warstwę epitaksjalną precyzyjnie zaprojektowaną właściwości elektryczne, które różnią się od właściwości podłoża, zapewniając w ten sposób podstawę do produkcji wysokowydajnych urządzeń półprzewodników.

Nawżyste epitaksjalne podatnik na epitaksję krzemową

Ⅰ. Co to jest epitaksja krzemowa?

1) Definicja: Epitaksja krzemowa jest technologią, która osadza atomy krzemu na jednokrystalicznym podłożu krzemowym metodami chemicznymi lub fizycznymi i układa je zgodnie ze strukturą sieci podłoża w celu wyhodowania nowej cienkiej warstwy krzemu.

2） Dopasowanie sieci: Podstawową cechą jest porządek wzrostu epitaksjalnego. Zdeponowane atomy krzemowe nie są losowo ustawione, ale są ułożone zgodnie z orientacją kryształową podłoża pod kierunkiem „matrycy” dostarczonego przez atomy na powierzchni podłoża, osiągając precyzyjną replikację poziomu atomowego. Zapewnia to, że warstwa epitaksjalna jest wysokiej jakości pojedynczym kryształem, a nie polikrystaliczną lub amorficzną.

3） Kontrola: Proces epitaksji silikonowej umożliwia precyzyjną kontrolę grubości warstwy wzrostu (od nanometrów do mikrometrów), typu domieszkowania (typ N lub typu p) i stężenie domieszkowania. Umożliwia to tworzenie regionów o różnych właściwościach elektrycznych na tym samym waflu krzemowym, co jest kluczem do produkcji złożonych obwodów zintegrowanych.

4） Charakterystyka interfejsu: Powstaje interfejs między warstwą epitaksjalną a podłożem. Idealnie, ten interfejs jest atomowo płaski i wolny od zanieczyszczenia. Jednak jakość interfejsu ma kluczowe znaczenie dla wydajności warstwy epitaksjalnej, a wszelkie wady lub zanieczyszczenie mogą wpływać na ostateczną wydajność urządzenia.

Ⅱ. Zasady epitaksji krzemu

Wzrost epitaksalny krzemu zależy głównie od zapewnienia odpowiedniej energii i środowiska dla atomów krzemowych do migracji na powierzchni podłoża i znalezienia pozycji sieci najniższej energii do kombinacji. Najczęściej stosowaną technologią jest chemiczne osadzanie pary (CVD).

Chemiczne odkładanie pary (CVD): Jest to metoda głównego nurtu do osiągnięcia epitaksji krzemu. Jego podstawowe zasady to:

● Transport prekursorowy: Gaz zawierający element krzemowy (prekursor), taki jak Silan (SIH4), dichlorosilan (SIH2CL2) lub trichlorosilan (SIHCL3), a gaz domieszkowy (taki jak pH3 fosfina dla dopingu typu N i dyboranu B2H6 są mieszane w stosunku phise i przekazywane do reakcji t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-rodowej.

● Reakcja powierzchniowa: W wysokich temperaturach (zwykle między 900 ° C a 1200 ° C) gazy te ulegają rozkładowi chemicznemu lub reakcji na powierzchni podgrzewanego substratu krzemu. Na przykład SIH4 → SI (stałe)+2H2 (gaz).

● Migracja powierzchniowa i zarodkowanie: Atomy krzemu wytwarzane przez rozkład są adsorbowane na powierzchni podłoża i migrują na powierzchni, ostatecznie znajdując właściwe miejsce sieci, aby połączyć się i zacząć tworzyć nowy singielwarstwa kryształowa. Jakość krzemowego wzrostu epitaksjalnego zależy w dużej mierze od kontroli tego kroku.

● Wzrost warstwowy: Nowo osadzona warstwa atomowa w sposób ciągły powtarza strukturę sieci podłoża, rośnie warstwę po warstwie i tworzy epitaksjalną warstwę krzemową o specyficznej grubości.

Kluczowe parametry procesu: Jakość procesu epitaksji krzemu jest ściśle kontrolowana, a kluczowe parametry obejmują:

● Temperatura: wpływa na szybkość reakcji, mobilność powierzchni i tworzenie wad.

● Ciśnienie: wpływa na transport gazu i ścieżkę reakcji.

● Przepływ i stosunek gazu: Określa tempo wzrostu i stężenie domieszkowania.

● Czystość powierzchni podłoża: Każde zanieczyszczenie może być pochodzeniem wad.

● Inne technologie: Chociaż CVD jest głównym nurtem, technologie takie jak epitaxia wiązki molekularnej (MBE) można również stosować do epitaksji krzemu, szczególnie w badaniach i rozwoju lub specjalnych zastosowaniach, które wymagają wyjątkowo wysokiej kontroli precyzyjnej.MBE bezpośrednio odparowuje źródła krzemu w ultra-wysokim środowisku próżniowym, a wiązki atomowe lub molekularne są bezpośrednio rzutowane na podłoże w celu wzrostu.

Ⅲ. Specyficzne zastosowania technologii epitaksji krzemu w produkcji półprzewodników

Technologia Epitaksji Krzemowej znacznie rozszerzyła zakres aplikacji materiałów krzemowych i jest niezbędną częścią produkcji wielu zaawansowanych urządzeń półprzewodników.

● Technologia CMOS: W wysokowydajnych układach logicznych (takich jak procesory i GPU) nisko domieszkowana (P− lub N−) warstwa krzemowa epitaksjalna jest często uprawiana na mocno domieszkowanym podłożu (P+ lub N+). Ta epitaksjalna struktura płytki krzemu może skutecznie tłumić efekt zatrzasku (zatrzask), poprawić niezawodność urządzenia i utrzymać niską oporność podłoża, która sprzyja prądowi przewodnictwu i rozpraszaniu ciepła.

● Tranzystory dwubiegunowe (BJT) i Bicmos: W tych urządzeniach epitaksja krzemowa służy do dokładnego konstruowania struktur, takich jak region podstawowy lub kolekcjonerski, a wzmocnienie, prędkość i inne cechy tranzystora są zoptymalizowane poprzez kontrolowanie stężenia domieszkowania i grubości warstwy epitaxialnej.

● Czujnik obrazu (CIS): W niektórych zastosowaniach czujników obrazu epitaksjalne płytki krzemu mogą poprawić izolację elektryczną pikseli, zmniejszyć przesłuch i zoptymalizować wydajność konwersji fotoelektrycznej. Warstwa epitaksjalna zapewnia czystszy i mniej wadliwy obszar aktywny.

● Zaawansowane węzły procesowe: Ponieważ rozmiar urządzenia nadal kurczy się, wymagania dotyczące właściwości materiału stają się coraz wyższe. Technologia epitaksji silikonowej, w tym selektywny wzrost epitaxialny (SEG), jest wykorzystywana do uprawy warstw epitaksjalnych z napiętej krzemu lub krzemu germanu (SIGE) w określonych obszarach w celu poprawy mobilności nośnika, a tym samym zwiększenia prędkości tranzystorów.

Horyzonalne podatnik epitaksjalny dla epitaksji krzemu

Ⅳ.Problemy i wyzwania związane z technologią epitaksji krzemu

Chociaż technologia epitaksji silikonowej jest dojrzała i szeroko stosowana, nadal istnieją pewne wyzwania i problemy w rozwój epitaksjalnego procesu krzemu:

● Kontrola defektu: Różne wady kryształów, takie jak usterki, zwichnięcia, linie poślizgowe itp., Mogą być wygenerowane podczas wzrostu epitaksjalnego. Wady te mogą poważnie wpływać na wydajność elektryczną, niezawodność i wydajność urządzenia. Kontrolowanie wad wymaga wyjątkowo czystego środowiska, zoptymalizowanych parametrów procesu i wysokiej jakości substratów.

● Jednolitość: Osiągnięcie doskonałej jednolitości grubości warstwy epitaksjalnej i stężenia domieszkowania na dużych waflach krzemu (takich jak 300 mm) jest ciągłym wyzwaniem. Nieprawidłowość może prowadzić do różnic w wydajności urządzenia na tym samym waflu.

● Autodopowanie: Podczas procesu wzrostu epitaksjalnego domieszki o wysokim stężeniu w podłożu mogą wchodzić do rosnącej warstwy epitaksjalnej przez dyfuzję fazy gazowej lub dyfuzję stanu stałego, powodując, że stężenie domieszkowania warstwy epitaksjnej odchyla się od oczekiwanej wartości, szczególnie w pobliżu interfejsu między warstwą epitaxial i podłoża. Jest to jeden z problemów, które należy rozwiązać w procesie epitaksji krzemu.

● Morfologia powierzchni: Powierzchnia warstwy epitaksjalnej musi pozostać wysoce płaska, a wszelkie wady chropowatości lub powierzchni (takie jak mgły) wpłyną na kolejne procesy, takie jak litografia.

● Koszt: W porównaniu ze zwykłymi wypolerowanymi waflami krzemu, produkcja epitaksjalnych płytek krzemowych dodaje dodatkowych kroków procesowych i inwestycji sprzętu, co powoduje wyższe koszty.

● Wyzwania selektywnej epitaxii: W zaawansowanych procesach selektywny wzrost epitaxialny (wzrost tylko w określonych obszarach) stawia wyższe wymagania dotyczące kontroli procesu, takie jak selektywność tempa wzrostu, kontrola przerostu bocznego itp.

Ⅴ.Wniosek

Jako kluczowa technologia przygotowania materiału półprzewodnika, podstawowa cechaEpitaksja krzemowato zdolność do dokładnego uprawy wysokiej jakości pojedynczych krzemowych warstw silikonowych o specyficznych właściwościach elektrycznych i fizycznych na podłożach z pojedynczych krystalicznych krzemowych. Dzięki precyzyjnej kontroli parametrów, takich jak temperatura, ciśnienie i przepływ powietrza w procesie epitaksji krzemu, grubość warstwy i rozkład domieszki można dostosować, aby zaspokoić potrzeby różnych zastosowań półprzewodników, takich jak CMO, urządzenia zasilania i czujniki.

Chociaż wzrost epitaksjalny krzemu stoi przed wyzwaniami, takimi jak kontrola defektów, jednolitość, samopomoc i koszt, wraz z ciągłym postępem technologii, epitaksja krzemu jest nadal jedną z podstawowych sił napędowych do promowania poprawy wydajności i innowacji funkcjonalnej urządzeń półprzewodnikowych, a jej pozycja w produkującym wafle na epitaxial produkującym silikonie.