Характеристики на силициевата епитаксия

Силиконова епитаксияе решаващ основен процес в съвременното производство на полупроводници. Тя се отнася до процеса на отглеждане на един или повече слоеве от еднокристални силиконови тънки филми със специфична кристална структура, дебелина, концентрация на допинг и тип върху прецизно полиран еднокристален силициев субстрат. Този пораснал филм се нарича епитаксиален слой (епитаксиален слой или EPI слой), а силициева вафла с епитаксиален слой се нарича епитаксиална силициева вафла. Основната му характеристика е, че наскоро отглежданият епитаксиален силиконов слой е продължение на структурата на решетката на субстрата в кристалографията, поддържайки същата кристална ориентация като субстрата, образувайки перфектна единична кристална структура. Това позволява на епитаксиалния слой да има точно проектирани електрически свойства, които са различни от тези на субстрата, като по този начин осигуряват основа за производството на високоефективни полупроводникови устройства.

Вертиална епитаксиална чувствителност за силициева епитаксия

Ⅰ. Какво е силициева епитакси?

1) Определение: Silicon Epitaxy е технология, която отлага силициев атоми върху еднокристален силициев субстрат чрез химически или физически методи и ги подрежда според структурата на решетката на субстрата, за да отглежда нов еднокристален силиконов тънък филм.

2） Съпоставяне на решетката: Основната характеристика е подредеността на епитаксиалния растеж. Отложените силициеви атоми не са подредени на случаен принцип, а са подредени според кристалната ориентация на субстрата под ръководството на "шаблона", осигурен от атомите на повърхността на субстрата, постигайки точна репликация на атомно ниво. Това гарантира, че епитаксиалният слой е висококачествен единичен кристал, а не поликристален или аморфен.

3） Контролируемост: Процесът на епитаксия на силиций позволява прецизен контрол на дебелината на растежния слой (от нанометри до микрометри), тип допинг (N-тип или P-тип) и концентрация на допинг. Това позволява да се образуват региони с различни електрически свойства на една и съща силиконова вафла, която е ключът към производството на комплекс интегрирани вериги.

4） Характеристики на интерфейса: Между епитаксиалния слой и субстрата се образува интерфейс. В идеалния случай този интерфейс е атомен плосък и без замърсяване. Качеството на интерфейса обаче е от решаващо значение за работата на епитаксиалния слой и всички дефекти или замърсяване могат да повлияят на крайната производителност на устройството.

Ⅱ. Принципи на силиконовата епитаксия

Епитаксиалният растеж на силиций основно зависи от осигуряването на правилната енергия и среда за силиконови атоми да мигрират на повърхността на субстрата и да намерят най -ниската енергийна решетка за комбинация. Понастоящем най -често използваната технология е химическото отлагане на пари (CVD).

Химическо отлагане на пари (CVD): Това е основният метод за постигане на силиконова епитаксия. Основните му принципи са:

● Транспорт на предшественик: Газът, съдържащ силициев елемент (прекурсор), като силан (SIH4), дихлоросилан (SIH2CL2) или трихлоросилан (SIHCL3) и допинтен газ (като фосфин pH3 за допинг на N-тип.

● Повърхностна реакция: При високи температури (обикновено между 900 ° C и 1200 ° C), тези газове претърпяват химическо разлагане или реакция на повърхността на загрятия силиконов субстрат. Например, SIH4 → Si (твърд)+2H2 (газ).

● Миграция на повърхността и ядреност: Силиконовите атоми, произведени чрез разлаганеКристален слой. Качеството на епитаксиалния силиций за растеж зависи до голяма степен от контрола на тази стъпка.

● Layered growth: Новоположеният атомен слой непрекъснато повтаря решетъчната структура на субстрата, расте слой по слой и образува епитаксиален силиконов слой със специфична дебелина.

Ключови параметри на процеса: Качеството на процеса на силиконова епитаксия е строго контролирано, а ключовите параметри включват:

● Температура: засяга скоростта на реакцията, повърхностната подвижност и образуването на дефекти.

● Налягане: засяга пътя на транспорта и реакцията на газ.

● Поток и съотношение на газ: Определя скоростта на растеж и концентрацията на допинг.

● Чистота на повърхността на субстрата: Всеки замърсител може да бъде произходът на дефектите.

● Други технологии: Въпреки че CVD е основният поток, технологии като молекулярна лъчи епитаксия (MBE) могат да се използват и за силиконова епитаксия, особено в научноизследователска и развойна дейност или специални приложения, които изискват изключително висок контрол на точността.MBE директно изпарява силиконовите източници в ултра-висока вакуумна среда, а атомните или молекулните лъчи се проектират директно върху субстрата за растеж.

Ⅲ. Специфични приложения на технологията на силициева епитаксия в производството на полупроводници

Силиконовата епитаксия технология значително разшири гамата от силиконови материали и е незаменима част от производството на много напреднали полупроводникови устройства.

● CMOS технология: Във високоефективни логически чипове (като процесори и графични процесори), епитаксиалният силиконов слой с нисък легиран (P− или N−) често се отглежда върху силно легиран (P+ или N+) субстрат. Тази епитаксиална структура на силициеви вафли може ефективно да потисне ефекта на закрепването (закрепването), да подобри надеждността на устройството и да поддържа ниската съпротивление на субстрата, което е благоприятно за проводимост и разсейване на топлината.

● Биполярни транзистори (BJT) и бикос: В тези устройства силициевата епитаксия се използва за точно конструиране на структури като основата или колектора, а усилването, скоростта и други характеристики на транзистора се оптимизират чрез контрол на концентрацията на допинг и дебелината на епитаксиалния слой.

● Сензор за изображение (CI): В някои приложения за сензорни изображения епитаксиалните силиконови вафли могат да подобрят електрическата изолация на пикселите, да намалят кръстосаните разговори и да оптимизират ефективността на фотоелектрическата конверсия. Епитаксиалният слой осигурява по -чиста и по -малко дефектна активна зона.

● Разширени възли на процеса: Тъй като размерът на устройството продължава да се свива, изискванията за свойствата на материала стават все по -високи и по -високи. Силиконовата епитаксия технология, включително селективен епитаксиален растеж (SEG), се използва за отглеждане на напрегнати силициеви или силициеви германий (SIGE) епитаксиални слоеве в специфични райони за подобряване на мобилността на носителя и по този начин увеличаване на скоростта на транзисторите.

Хоризонтален епитаксиален чувствител на силициева епитаксия

Ⅳ.Проблеми и предизвикателства на технологията на силициевата епитаксия

Въпреки че технологията на силиконовата епитаксия е зряла и широко използвана, все още има някои предизвикателства и проблеми в епитаксиалния растеж на силиконовия процес:

● Контрол на дефекти: Различни дефекти на кристалите, като разломи за подреждане, дислокации, линии на плъзгане и др. По време на епитаксиален растеж. Тези дефекти могат сериозно да повлияят на електрическата характеристика, надеждността и добива на устройството. Контролът на дефекти изисква изключително чиста среда, оптимизирани параметри на процеса и висококачествени субстрати.

● Еднообразие: Постигането на перфектна равномерност на дебелината на епитаксиалния слой и концентрацията на допинг върху силиконови вафли с голям размер (като 300 мм) е непрекъснато предизвикателство. Неравномерността може да доведе до разлики в работата на устройството на една и съща вафла.

● Автодопиране: По време на процеса на епитаксиален растеж, високоцентриращите допанти в субстрата могат да влязат в нарастващия епитаксиален слой чрез дифузия на газова фаза или дифузия на твърдо състояние, причинявайки епитаксиалния слой допинг концентрация да се отклони от очакваната стойност, особено в близост до интерфейса между епитаксиалния слой и субстрата. Това е един от проблемите, които трябва да бъдат разгледани в процеса на силиконова епитаксия.

● Повърхностна морфология: Повърхността на епитаксиалния слой трябва да остане изключително плоска и всяка грапавост или повърхностни дефекти (като мъгла) ще повлияе на последващи процеси като литография.

● Разходи: В сравнение с обикновените полирани силиконови вафли, производството на епитаксиални силиконови вафли добавя допълнителни стъпки на процеса и инвестиции в оборудване, което води до по -високи разходи.

● Предизвикателства на селективната епитаксия: В напредналите процеси селективният епитаксиален растеж (растеж само в специфични области) поставя по -високи изисквания към контрола на процесите, като селективност на темповете на растеж, контрол на страничния свръхрастеж и др.

Ⅴ.Заключение

Като ключова технология за подготовка на полупроводникови материали, основната характеристика наСиликонова епитаксияе способността за точно растеж на висококачествени еднокристални епитаксиални силиконови слоеве със специфични електрически и физични свойства върху еднокристални силициеви субстрати. Чрез прецизно управление на параметри като температура, налягане и въздушен поток в процеса на епитаксия на силиций, дебелината на слоя и разпределението на допинг могат да бъдат персонализирани, за да отговарят на нуждите на различни полупроводникови приложения като CMO, захранващи устройства и сензори.

Въпреки че епитаксиалният растеж на силиций е изправен пред предизвикателства като контрол на дефекти, равномерност, самодопинг и разходи, с непрекъснатото развитие на технологиите, силиконовата епитаксия все още е една от основните движещи сили за насърчаване на подобряването на ефективността и функционалните иновации на полупроводниците и позицията му в епитаксиална силициева вафла е безпроблемно.