Характеристики кремнієвої епітаксії

Кремнієва епітаксіяє вирішальним основним процесом у сучасному напівпровідниковому виробництві. Це стосується процесу вирощування одного або декількох шарів монокристалічних тонких плівок кремнію з специфічною кристалічною структурою, товщиною, концентрацією допінгу та типом на точно відшліфованій монокристалічній кремнієвій субстраті. Ця доросла плівка називається епітаксіальним шаром (епітаксіальний шар або шар EPI), а кремнієва пластина з епітаксіальним шаром називається епітаксіальною кремнієвою пластиною. Його основна характеристика полягає в тому, що нещодавно вирощений епітаксіальний кремній шар - це продовження структури решітки субстрату в кристалографії, підтримуючи ту саму кристалічну орієнтацію, що і підкладка, утворюючи ідеальну монокристалічну структуру. Це дозволяє епітаксіальному шару мати точно розроблені електричні властивості, які відрізняються від властивостей підкладки, тим самим забезпечуючи основу для виготовлення високопродуктивних напівпровідникових пристроїв.

Верховний епітаксіальний чутник для кремнієвої епітаксії

Ⅰ. Що таке кремнієва епітаксія?

1) Визначення: Кремнієва епітаксія-це технологія, яка відкладає атоми кремнію на однокристалічну кремнієву підкладку хімічними або фізичними методами, і влаштовує їх відповідно до структури субстрату для вирощування нової тонкої плівки кремнію.

2） відповідність решітки: Основна особливість - впорядкованість епітаксіального зростання. Основні атоми кремнію не є випадковим чином складеним, але розташовані відповідно до кристалічної орієнтації субстрату під керівництвом "шаблону", що надаються атомами на поверхні субстрату, досягаючи точної реплікації атомного рівня. Це гарантує, що епітаксіальний шар є високоякісним монокристалом, а не полікристалічним або аморфним.

3） Керованість: Процес епітакси кремнію дозволяє точно контролювати товщину шару росту (від нанометрів до мікрометрів), допінгового типу (N-типу або P-типу) та концентрації допінгу. Це дозволяє утворювати регіони з різними електричними властивостями на одній пластині кремнію, що є ключем для виготовлення комплексних інтегрованих схем.

4） Характеристики інтерфейсу: Інтерфейс утворюється між епітаксіальним шаром та підкладкою. В ідеалі цей інтерфейс атомно рівний і без забруднення. Однак якість інтерфейсу має вирішальне значення для продуктивності епітаксіального шару, і будь -які дефекти або забруднення можуть впливати на остаточну продуктивність пристрою.

Ⅱ. Принципи кремнієвої епітаксії

Епітаксіальний ріст кремнію в основному залежить від забезпечення правильної енергії та навколишнього середовища для атомів кремнію, щоб мігрують від поверхні субстрату та знайти найнижчу енергетичну решітку для комбінації. В даний час найбільш часто використовувана технологія - це хімічне осадження пари (ССЗ).

Хімічне осадження пари (CVD): це основний метод досягнення кремнієвої епітаксії. Його основними принципами є:

● Транспорт -попередник: Газ, що містить кремній (попередник), такі як силан (SIH4), дихлорсилан (SIH2CL2) або трихлорсилан (SiHCl3) та допант-газ (наприклад, фосфін pH3 для допінгу N-типу N для допінгу P-типу) змішані в точній пропорції та пропорції, що проходять у висоту.

● Поверхнева реакція: При високих температурах (як правило, від 900 ° С і 1200 ° С), ці гази зазнають хімічного розкладання або реакції на поверхні нагрітого кремнієвого субстрата. Наприклад, SIH4 → SI (твердий)+2H2 (газ).

● Поверхнева міграція та зародження: Атоми кремнію, що утворюються за допомогою розкладання, адсорбовані до поверхні підкладки та мігрують на поверхню, врешті -решт, знайшовши потрібне місце решітки для поєднання та почне утворювати новий синглкристалічний шар. Якість епітаксіального кремнію росту багато в чому залежить від контролю цього кроку.

● Шаруватого зростання: Нещодавно осаджений атомний шар постійно повторює структуру решітки підкладки, росте шар по шару і утворює епітаксіальний кремній шар з питомою товщиною.

Ключові параметри процесу: Якість процесу епітакси кремнію суворо контролюється, а основні параметри включають:

● Температура: впливає на швидкість реакції, рухливість поверхні та утворення дефектів.

● Тиск: впливає на транспорт газу та шлях реакції.

● Потік газу та співвідношення: Визначає темпи зростання та концентрацію допінгу.

● Чистота поверхні підкладки: Будь -який забруднювач може бути походженням дефектів.

● Інші технології: Хоча CVD є основним, такі технології, як епітаксія молекулярного променя (MBE), також можуть використовуватися для епітаксії кремнію, особливо в НДДКР або спеціальних додатках, які потребують надзвичайно високого контролю точності.MBE безпосередньо випаровує силіконові джерела в ультра-високому вакуумному середовищі, а атомні або молекулярні промені безпосередньо проектуються на субстрат для росту.

Ⅲ. Конкретні застосування технології епітакси кремнію в напівпровідниковому виробництві

Технологія кремнієвої епітакси значно розширила діапазон застосування кремнієвих матеріалів і є незамінною частиною виробництва багатьох передових напівпровідникових пристроїв.

● Технологія CMOS: У високоефективних логічних мікросхемах (таких як процесори та графічні процесори) низькокваліфікований (p− або n−) епітаксіальний кремнійний шар часто вирощують на сильно допедованій (p+ або n+) підкладці. Ця епітаксіальна структура вафельної кремнію може ефективно придушити ефект засувки (засувки), підвищити надійність пристрою та підтримувати низьку опір субстрату, що сприяє провідності та розсіювання тепла.

● Біполярні транзистори (BJT) та BICMOS: У цих пристроях епітаксія кремнію використовується для точного побудови структур, таких як основа або колекторна область, а також посилення, швидкість та інші характеристики транзистора оптимізуються шляхом контролю концентрації допінгу та товщини епітаксіального шару.

● Датчик зображення (СНД): У деяких програмах датчиків зображення епітаксіальні вафлі кремнію можуть покращити електричну ізоляцію пікселів, зменшити перехрестя та оптимізувати ефективність перетворення фотоелектрики. Епітаксіальний шар забезпечує більш чисту та менш несправну активну площу.

● Вдосконалені вузли процесів: Оскільки розмір пристрою продовжує скорочуватися, вимоги до властивостей матеріалу стають все вище і вище. Технологія епітакси кремнію, включаючи селективний епітаксіальний ріст (SEG), використовується для вирощування напружених шарів кремнію або кремнію (SIGE) епітаксіальних шарів у конкретних областях для поліпшення рухливості носіїв і, таким чином, збільшення швидкості транзисторів.

Горизональний епітаксіальний чутник для кремнієвої епітактики

Ⅳ.Проблеми та виклики технології епітакси кремнію

Хоча технологія епітакси кремнію зріла і широко використовується, все ще існують певні проблеми та проблеми в епітаксіальному зростанні кремнієвого процесу:

● Контроль дефектів: Різні дефекти кристалів, такі як укладання несправностей, дислокації, лінії ковзання тощо, можуть генеруватися під час епітаксіального росту. Ці дефекти можуть серйозно вплинути на електричні показники, надійність та вихід пристрою. Контроль дефектів вимагає надзвичайно чистого середовища, оптимізованих параметрів процесу та високоякісних субстратів.

● Рівномірність: Досягнення ідеальної рівномірності товщини епітаксіального шару та концентрації допінгу на вафлях кремнію великого розміру (наприклад, 300 мм) є постійним викликом. Нормінальність може призвести до відмінностей у продуктивності пристрою на одній вафлі.

● Автополодка: Під час процесу епітаксіального росту допанти з високою концентрацією в субстраті можуть вносити зростаючий епітаксіальний шар через дифузію газової фази або твердотільну дифузію, що спричиняє концентрацію допінгу епітаксіального шару від очікуваного значення, особливо поблизу інтерфейсу між епітаксіальним шаром та субстратом. Це одне з питань, які потрібно вирішити в процесі епітакси кремнію.

● Морфологія поверхні: Поверхня епітаксіального шару повинна залишатися дуже рівною, а будь -яка шорсткість або поверхневі дефекти (такі як імла) впливатимуть на наступні процеси, такі як літографія.

● Вартість: Порівняно зі звичайними відшліфованими вафлями кремнію, виробництво епітаксіальних вафель кремнію додає додаткових етапів процесів та інвестицій у обладнання, що призводить до більш високих витрат.

● Виклики селективної епітаксії: У передових процесах селективне епітаксіальне зростання (зростання лише в конкретних областях) ставить більш високі вимоги до контролю процесів, таких як селективність темпів зростання, контроль бічного зростання тощо.

Ⅴ.Висновок

Як ключова технологія підготовки матеріалів, основна особливістьКремнієва епітаксія-це здатність точно вирощувати високоякісні однокристалічні епітаксіальні кремнієві шари з специфічними електричними та фізичними властивостями на однокристалічних кремнієвих субстратах. Завдяки точному контролю параметрів, таких як температура, тиск та потік повітря в процесі епітакси кремнію, товщина шару та допінгу можуть бути налаштовані для задоволення потреб різних напівпровідникових застосувань, таких як CMO, пристрої живлення та датчики.

Хоча епітаксіальне зростання кремнію стикається з такими проблемами, як контроль дефектів, рівномірність, самодопідія та витрати, з постійним просуванням технологій, епітаксії кремнію все ще є однією з основних рушійних сил для підвищення продуктивності та функціональної інновації напівпровідникових пристроїв, а його позиція в епітаксіальному виробництві валютних вафельних виробів є тривожною.