Karakteristika ved silicium epitaxy

Silicium epitaxyer en afgørende grundlæggende proces i moderne halvlederfremstilling. Det henviser til processen med at dyrke et eller flere lag med en-krystal siliciumtynde film med specifik krystalstruktur, tykkelse, dopingkoncentration og type på en nøjagtigt poleret enkelt-krystalsiliciumsubstrat. Denne dyrkede film kaldes et epitaksialt lag (epitaksialt lag eller epi -lag), og en siliciumskive med et epitaksialt lag kaldes en epitaksial siliciumskive. Dets kerneegenskab er, at det nyligt dyrkede epitaksiale siliciumlag er en fortsættelse af substratgitterstrukturen i krystallografi, hvilket opretholder den samme krystalorientering som underlaget og danner en perfekt enkelt krystalstruktur. Dette gør det muligt for det epitaksiale lag at have nøjagtigt designet elektriske egenskaber, der er forskellige fra underlaget, hvilket giver et grundlag for fremstilling af højtydende halvlederindretninger.

Vertial Epitaxial Sceptor for Silicon Epitaxy

Ⅰ. Hvad er silicium epitaxy?

1) Definition: Silicium Epitaxy er en teknologi, der deponerer siliciumatomer på et enkeltkrystallsiliciumsubstrat ved hjælp af kemiske eller fysiske metoder og arrangerer dem i henhold til substratgitterstrukturen for at dyrke en ny enkelt-krystal siliciumtynd film.

2） Gitter Matching: Kernefunktionen er ordenen for epitaksial vækst. De deponerede siliciumatomer er ikke tilfældigt stablet, men er arrangeret i henhold til krystalorienteringen af ​​substratet under vejledning af "skabelonen" leveret af atomerne på overfladen af ​​underlaget og opnå præcis replikation på atomniveau. Dette sikrer, at det epitaksiale lag er en enkelt krystal i høj kvalitet snarere end polykrystallinsk eller amorf.

3） Kontrolbarhed: Silicium-epitaxy-processen tillader præcis kontrol af vækstlagets tykkelse (fra nanometre til mikrometer), dopingtypen (N-type eller P-type) og dopingkoncentrationen. Dette gør det muligt at danne regioner med forskellige elektriske egenskaber på den samme siliciumskive, som er nøglen til fremstilling af komplekse integrerede kredsløb.

4） Interfaceegenskaber: Der dannes en grænseflade mellem det epitaksiale lag og underlaget. Ideelt set er denne grænseflade atomisk flad og kontamineringsfri. Kvaliteten af ​​grænsefladen er imidlertid kritisk for ydelsen af ​​det epitaksiale lag, og eventuelle defekter eller kontaminering kan påvirke enhedens endelige ydelse.

Ⅱ. Principper for silicium epitaxy

Epitaksial vækst af silicium afhænger hovedsageligt af at tilvejebringe den rigtige energi og miljø for siliciumatomer til at migrere på overfladen af ​​underlaget og finde den laveste energisgitterposition for kombination. Den mest almindeligt anvendte teknologi på nuværende tidspunkt er kemisk dampaflejring (CVD).

Kemisk dampaflejring (CVD): Dette er mainstream -metoden til at opnå siliciumpitaxy. Dens grundlæggende principper er:

● Forløbertransport: Gas indeholdende siliciumelement (forløber), såsom silan (SIH4), dichlorosilan (SiH2Cl2) eller trichlorosilan (SiHCl3) og dopantgas (såsom phosphin pH3 for N-type doping og diboran B2H6 for p-type doping) er blandede i præcise proportioner og vedtages til en høj tæller reaktionskam.

● Overfladeaktion: Ved høje temperaturer (normalt mellem 900 ° C og 1200 ° C) gennemgår disse gasser kemisk nedbrydning eller reaktion på overfladen af ​​det opvarmede siliciumsubstrat. F.eks. SiH4 → Si (fast)+2H2 (gas).

● Overflademigration og nucleation: Siliciumatomer produceret ved nedbrydning adsorberes til underlagets overflade og migrerer på overfladen og finder til sidst det rigtige gittersted for at kombinere og begynde at danne en ny enkeltkrystallag. Kvaliteten af ​​epitaksial vækstsilicium afhænger stort set af kontrol af dette trin.

● Lagdelt vækst: Det nyligt deponerede atomlag gentager kontinuerligt gitterstrukturen i underlaget, vokser lag for lag og danner et epitaksialt siliciumlag med en bestemt tykkelse.

Nøgleprocesparametre: Kvaliteten af ​​siliciumpitaxy -processen styres strengt, og de vigtigste parametre inkluderer:

● Temperatur: påvirker reaktionshastigheden, overflademobilitet og defektdannelse.

● Tryk: påvirker gastransport og reaktionsvej.

● Gasstrøm og forhold: bestemmer vækstraten og dopingkoncentrationen.

● Substratoverflade: Enhver forurening kan være oprindelsen af ​​defekter.

● Andre teknologier: Selvom CVD er mainstream, kan teknologier såsom molekylærbjælkepitaxy (MBE) også bruges til siliciumpitaxy, især i F&U eller specielle anvendelser, der kræver ekstremt høj præcisionskontrol.MBE fordamper direkte siliciumkilder i et ultrahøjt vakuummiljø, og atomiske eller molekylære bjælker projiceres direkte på underlaget for vækst.

Ⅲ. Specifikke anvendelser af silicium epitaxy -teknologi i halvlederfremstilling

Silicon Epitaxy -teknologi har i høj grad udvidet applikationsområdet for siliciummaterialer og er en uundværlig del af fremstillingen af ​​mange avancerede halvlederenheder.

● CMOS -teknologi: I højtydende logiske chips (såsom CPU'er og GPU'er) dyrkes ofte et lavt-dopet (p− eller n−) epitaksialt siliciumlag på et stærkt dopet (p+ eller n+) substrat. Denne epitaksiale siliciumskiverstruktur kan effektivt undertrykke låseffekten (låse-up), forbedre enhedens pålidelighed og opretholde den lave modstand af substratet, hvilket er befordrende for den aktuelle ledning og varmeafledning.

● Bipolære transistorer (BJT) og Bicmos: I disse enheder bruges siliciumpitaxy til nøjagtigt at konstruere strukturer såsom basis- eller samlerregionen, og forstærkningen, hastigheden og andre egenskaber ved transistoren optimeres ved at kontrollere dopingkoncentrationen og tykkelsen af ​​det epitaksiale lag.

● Billedsensor (CIS): I nogle billedsensorapplikationer kan epitaksiale siliciumskiver forbedre den elektriske isolering af pixels, reducere krydstale og optimere den fotoelektriske konverteringseffektivitet. Det epitaksiale lag giver et renere og mindre defekt aktivt område.

● Avancerede procesnoder: Efterhånden som enhedsstørrelsen fortsætter med at krympe, bliver kravene til materialegenskaber højere og højere. Silicium epitaxy -teknologi, herunder selektiv epitaksial vækst (SEG), bruges til at dyrke anstrengt silicium eller siliciumgysk (SIGE) epitaksiale lag i specifikke områder for at forbedre bærermobiliteten og øge således transistorernes hastighed.

Horisontal Epitaxial Sceptor for Silicon Epitaxy

Ⅳ.Problemer og udfordringer ved silicium epitaxy -teknologi

Selvom siliciumpitaxy -teknologi er moden og vidt brugt, er der stadig nogle udfordringer og problemer i den epitaksiale vækst af siliciumprocessen:

● Defekt kontrol: Forskellige krystaldefekter såsom stabling af fejl, dislokationer, glidelinjer osv. Kan genereres under epitaksial vækst. Disse defekter kan alvorligt påvirke den elektriske ydelse, pålidelighed og udbytte af enheden. Kontrol af defekter kræver et ekstremt rent miljø, optimerede procesparametre og underlag af høj kvalitet.

● Ensartethed: Opnåelse af perfekt ensartethed af epitaksial lagtykkelse og dopingkoncentration på siliciumskiver i stor størrelse er en løbende udfordring. Ikke-ensartethed kan føre til forskelle i enhedsydelse på den samme skive.

● Autodoping: Under den epitaksiale vækstproces kan dopingmidler med høj koncentration i substratet komme ind i det voksende epitaksiale lag gennem gasfasediffusion eller faststofdiffusion, hvilket får det epitaksiale lagdopingkoncentration til at afvige fra den forventede værdi, især nær grænsefladen mellem det epitaksiale lag og substratet. Dette er et af de spørgsmål, der skal løses i siliciumpitaxy -processen.

● Overflademorfologi: Overfladen af ​​det epitaksiale lag skal forblive meget flad, og enhver ruhed eller overfladefejl (såsom dis) vil påvirke efterfølgende processer såsom litografi.

● Koste: Sammenlignet med almindelige polerede siliciumskiver tilføjer produktionen af ​​epitaksiale siliciumskiver yderligere processtrin og udstyrsinvesteringer, hvilket resulterer i højere omkostninger.

● Udfordringer ved selektiv epitaxy: I avancerede processer stiller selektiv epitaksial vækst (kun vækst i specifikke områder) højere krav til processtyring, såsom selektivitet af væksthastighed, kontrol af lateral overvækst osv.

Ⅴ.Konklusion

Som en nøglepræparationsteknologi til halvledermateriale, kernefunktionen vedSilicium epitaxyer evnen til nøjagtigt at dyrke enkelt-krystal-epitaksiale siliciumlag i høj kvalitet med specifikke elektriske og fysiske egenskaber på enkeltkrystallsiliciumsubstrater. Gennem præcis kontrol af parametre, såsom temperatur, tryk og luftstrøm i siliciumpitaxy -processen, kan lagtykkelsen og dopingfordelingen tilpasses til at imødekomme behovene i forskellige halvlederanvendelser, såsom CMOS, strømenheder og sensorer.

Selvom epitaksial vækst af silicium står over for udfordringer som defektstyring, ensartethed, selvdoping og omkostninger, med den kontinuerlige fremme af teknologi, er siliciumpitaxy stadig en af ​​de centrale drivkræfter til at fremme ydelsesforbedring og funktionel innovation af halvlederindretninger, og dens placering i epitaxial silicon wafer fremstilling er irreplacerbar.