Caracteristicile epitaxiei de siliciu

Epitaxie de siliciueste un proces de bază crucial în fabricarea modernă a semiconductorilor. Se referă la procesul de creștere a unuia sau mai multor straturi de pelicule subțiri de siliciu cu un singur cristal, cu structură de cristal specifică, grosime, concentrație de dopaj și tip pe un substrat de siliciu cu un singur cristal lustruit. Acest film crescut se numește strat epitaxial (strat epitaxial sau strat EPI), iar o placă de siliciu cu un strat epitaxial se numește o placă de siliciu epitaxial. Caracteristica sa de bază este că stratul de siliciu epitaxial nou crescut este o continuare a structurii de zăpadă a substratului în cristalografie, menținând aceeași orientare a cristalului ca substratul, formând o structură perfectă cu un singur cristal. Acest lucru permite stratului epitaxial să aibă proprietăți electrice proiectate cu precizie, care să fie diferite de cele ale substratului, oferind astfel o bază pentru fabricarea de dispozitive semiconductoare de înaltă performanță.

Susceptor epitaxial verțial pentru epitaxie de siliciu

Ⅰ. Ce este epitaxia de siliciu?

1) definiție: Epitaxia de siliciu este o tehnologie care depune atomi de siliciu pe un substrat de siliciu cu un singur cristal prin metode chimice sau fizice și le aranjează în funcție de structura de zăpadă a substratului pentru a crește o nouă peliculă subțire de siliciu cu un singur cristal.

2） Potrivirea zăbrelei: Caracteristica de bază este ordinea creșterii epitaxiale. Atomii de siliciu depuși nu sunt stivuiți la întâmplare, ci sunt aranjați în funcție de orientarea cristalului a substratului sub îndrumarea „șablonului” oferit de atomii de pe suprafața substratului, obținând o replicare precisă la nivel atomic. Acest lucru asigură că stratul epitaxial este un cristal de înaltă calitate, mai degrabă decât policristalin sau amorf.

3） Controlabilitate: Procesul de epitaxie de siliciu permite un control precis al grosimii stratului de creștere (de la nanometri la micrometri), tipul de dopaj (tip N sau tip P) și concentrația de dopaj. Acest lucru permite ca regiunile cu proprietăți electrice diferite să fie formate pe aceeași placă de siliciu, care este cheia fabricării circuitelor integrate complexe.

4） Caracteristicile interfeței: Se formează o interfață între stratul epitaxial și substrat. În mod ideal, această interfață este atomic plat și fără contaminare. Cu toate acestea, calitatea interfeței este esențială pentru performanța stratului epitaxial, iar orice defecte sau contaminare poate afecta performanța finală a dispozitivului.

Ⅱ. Principiile epitaxiei de siliciu

Creșterea epitaxială a siliconului depinde în principal de furnizarea de energie și mediu adecvat pentru ca atomii de siliciu să migreze pe suprafața substratului și să găsească cea mai mică poziție de rețea energetică pentru combinație. Cea mai utilizată tehnologie în prezent este depunerea de vapori chimici (CVD).

Depunerea de vapori chimici (CVD): Aceasta este metoda principală pentru realizarea epitaxiei de siliciu. Principiile sale de bază sunt:

● Transport precursor: Gazul care conține element de siliciu (precursor), cum ar fi silanul (SIH4), diclorosilanul (SIH2CL2) sau triclorosilanul (SIHCL3) și gazul dopant (cum ar fi fosfina PH3 pentru dopajul de tip N și diboranul B2H6 pentru un chamer de reacție de tip P).

● Reacție de suprafață: La temperaturi ridicate (de obicei între 900 ° C și 1200 ° C), aceste gaze suferă o descompunere chimică sau reacție pe suprafața substratului de siliciu încălzit. De exemplu, SIH4 → Si (solid)+2H2 (gaz).

● Migrația de suprafață și nuclearea: Atomii de siliciu produse prin descompunere sunt adsorbiți pe suprafața substratului și migrează la suprafață, găsind în cele din urmă locul de rețea drept pentru a combina și a începe să formeze un nou singlestrat de cristal. Calitatea siliciului de creștere epitaxială depinde în mare măsură de controlul acestui pas.

● Creștere stratificată: Stratul atomic nou depus repetă continuu structura de rețea a substratului, crește strat prin strat și formează un strat de siliciu epitaxial cu o grosime specifică.

Parametri cheie ai procesului: Calitatea procesului de epitaxie de siliciu este strict controlată, iar parametrii cheie includ:

● Temperatură: afectează rata de reacție, mobilitatea suprafeței și formarea defectelor.

● Presiune: afectează transportul gazelor și calea de reacție.

● Fluxul de gaz și raportul: Determină rata de creștere și concentrația de dopaj.

● Curățarea suprafeței substratului: Orice contaminant poate fi originea defectelor.

● Alte tehnologii: Deși CVD este mainstream, tehnologii precum epitaxia fasciculului molecular (MBE) pot fi, de asemenea, utilizate pentru epitaxia siliciu, în special în cercetare și dezvoltare sau aplicații speciale care necesită un control de precizie extrem de ridicat.MBE evaporează direct surse de siliciu într-un mediu de vid ultra-înalt, iar fascicule atomice sau moleculare sunt proiectate direct pe substrat pentru creștere.

Ⅲ. Aplicații specifice ale tehnologiei de epitaxie de siliciu în fabricarea semiconductorilor

Tehnologia de epitaxie de siliciu a extins foarte mult gama de aplicații de materiale de siliciu și este o parte indispensabilă a fabricării multor dispozitive cu semiconductor avansat.

● Tehnologia CMOS: În jetoane logice de înaltă performanță (cum ar fi procesoare și GPU), un strat de siliciu epitaxial dopat cu un nivel scăzut (p-sau n-) este adesea cultivat pe un substrat puternic dopat (P+ sau N+). Această structură de placă de siliciu epitaxial poate suprima în mod eficient efectul de blocare (blocare), poate îmbunătăți fiabilitatea dispozitivului și poate menține rezistența scăzută a substratului, care este favorabilă conducerii curente și disiparea căldurii.

● Tranzistoare bipolare (BJT) și BICMOS: În aceste dispozitive, epitaxia de siliciu este utilizată pentru a construi cu exactitate structuri, cum ar fi regiunea de bază sau colector, iar câștigul, viteza și alte caracteristici ale tranzistorului sunt optimizate prin controlul concentrației de dopaj și grosimea stratului epitaxial.

● Senzor de imagine (CSI): În unele aplicații de senzori de imagine, napolitane de siliciu epitaxial pot îmbunătăți izolarea electrică a pixelilor, pot reduce intersecția și pot optimiza eficiența conversiei fotoelectrice. Stratul epitaxial oferă o zonă activă mai curată și mai puțin defectă.

● Noduri avansate de proces: Pe măsură ce dimensiunea dispozitivului continuă să se micșoreze, cerințele pentru proprietățile materialelor sunt din ce în ce mai mari. Tehnologia de epitaxie de siliciu, inclusiv creșterea epitaxială selectivă (SEG), este utilizată pentru a crește straturi epitaxiale de siliciu sau siliciu germanium (SIGE) în anumite zone pentru a îmbunătăți mobilitatea purtătorului și, astfel, pentru a crește viteza tranzistorilor.

Susceptor epitaxial orizont pentru epitaxie de siliciu

Ⅳ.Probleme și provocări ale tehnologiei de epitaxie de siliciu

Deși tehnologia de epitaxie de siliciu este matură și utilizată pe scară largă, există totuși unele provocări și probleme în creșterea epitaxială a procesului de siliciu:

● Controlul defectelor: Diverse defecte de cristal, cum ar fi defecțiuni de stivuire, luxații, linii de alunecare, etc. pot fi generate în timpul creșterii epitaxiale. Aceste defecte pot afecta serios performanța electrică, fiabilitatea și randamentul dispozitivului. Controlul defectelor necesită un mediu extrem de curat, parametri de proces optimizat și substraturi de înaltă calitate.

● Uniformitate: Realizarea uniformității perfecte a grosimii stratului epitaxial și a concentrației de dopaj pe napolitane de siliciu de dimensiuni mari (cum ar fi 300mm) este o provocare continuă. Non-uniformitatea poate duce la diferențe de performanță a dispozitivului pe aceeași placă.

● Autodoparea: În timpul procesului de creștere epitaxială, dopanții de concentrare ridicată în substrat pot intra în stratul epitaxial în creștere prin difuzia fazei gazelor sau difuzia în stare solidă, determinând concentrația de dopaj a stratului epitaxial să se abat de la valoarea așteptată, în special în apropierea interfeței dintre stratul epitaxial și substrat. Aceasta este una dintre problemele care trebuie abordate în procesul de epitaxie de siliciu.

● Morfologie de suprafață: Suprafața stratului epitaxial trebuie să rămână extrem de plană, iar orice rugozitate sau defecte de suprafață (cum ar fi ceata) va afecta procesele ulterioare, cum ar fi litografia.

● Cost: Comparativ cu napolitane obișnuite de siliciu lustruit, producția de napolitane de siliciu epitaxial adaugă pași suplimentari de proces și investiții pentru echipamente, ceea ce duce la costuri mai mari.

● Provocări ale epitaxiei selective: În procese avansate, creșterea epitaxială selectivă (creșterea numai în zone specifice) pune cerințe mai mari la controlul procesului, cum ar fi selectivitatea ratei de creștere, controlul supraaglomerării laterale, etc.

Ⅴ.Concluzie

Ca tehnologie cheie de pregătire a materialelor cu semiconductor, caracteristica de bază aEpitaxie de siliciueste capacitatea de a crește cu exactitate straturi de siliciu epitaxial de înaltă calitate, cu proprietăți electrice și fizice specifice pe substraturi de siliciu cu un singur cristal. Prin controlul precis al parametrilor, cum ar fi temperatura, presiunea și fluxul de aer în procesul de epitaxie de siliciu, grosimea stratului și distribuția dopajului pot fi personalizate pentru a răspunde nevoilor diferitelor aplicații semiconductoare, cum ar fi CMOS, dispozitive de alimentare și senzori.

Deși creșterea epitaxială a siliciului se confruntă cu provocări, cum ar fi controlul defectelor, uniformitatea, auto-doparea și costurile, odată cu avansarea continuă a tehnologiei, epitaxia de siliciu este încă una dintre forțele motrice de bază pentru promovarea îmbunătățirii performanței și inovația funcțională a dispozitivelor semiconductoare, iar poziția sa în fabricarea de wafer-uri de silicon epitaxial este ireprosabilă.