Kjennetegn på silisium epitaxy

Silisium epitaxyer en avgjørende grunnleggende prosess i moderne halvlederproduksjon. Det refererer til prosessen med å dyrke ett eller flere lag med enkrystall silisiumtynne filmer med spesifikk krystallstruktur, tykkelse, dopingkonsentrasjon og type på et nøyaktig polert enkeltkrystalt silisiumsubstrat. Denne voksne filmen kalles et epitaksialt lag (epitaksialt lag eller Epi -lag), og en silisiumskive med et epitaksialt lag kalles en epitaksial silisiumskive. Dets kjernekarakteristikk er at det ny dyrkede epitaksiale silisiumlaget er en fortsettelse av underlagets gitterstruktur i krystallografi, og opprettholder den samme krystallorienteringen som underlaget, og danner en perfekt enkelt krystallstruktur. Dette gjør at det epitaksiale laget har nøyaktig designet elektriske egenskaper som er forskjellige fra underlaget, og gir dermed et grunnlag for fremstilling av høyytelses halvlederenheter.

Vertial epitaxial sensceptor for silisium epitaxy

Ⅰ. Hva er silisium epitaxy?

1) Definisjon: Silisium epitaxy er en teknologi som avsetter silisiumatomer på et enkeltkrystalls silisiumsubstrat ved kjemiske eller fysiske metoder og ordner dem i henhold til underlagets gitterstruktur for å dyrke en ny enkeltkrystall silisiumtynn film.

2） gittermatching: Kjernefunksjonen er ordnethet av epitaksial vekst. De avsatte silisiumatomer er ikke tilfeldig stablet, men er anordnet i henhold til krystallorienteringen av underlaget under veiledning av "malen" gitt av atomene på overflaten av underlaget, og oppnår atomnivå presis replikasjon. Dette sikrer at det epitaksiale laget er en enkeltkrystall av høy kvalitet, snarere enn polykrystallinsk eller amorf.

3） Kontrollerbarhet: Silisiumpitaksiprosessen tillater presis kontroll av tykkelsen på vekstlaget (fra nanometer til mikrometer), dopingtypen (N-type eller p-type) og dopingkonsentrasjonen. Dette gjør at regioner med forskjellige elektriske egenskaper kan dannes på den samme silisiumskiven, som er nøkkelen til å produsere komplekse integrerte kretsløp.

4） Grensesnittegenskaper: Det dannes et grensesnitt mellom det epitaksiale laget og underlaget. Ideelt sett er dette grensesnittet atomisk flatt og forurensningsfritt. Imidlertid er kvaliteten på grensesnittet avgjørende for ytelsen til det epitaksiale laget, og eventuelle feil eller forurensning kan påvirke den endelige ytelsen til enheten.

Ⅱ. Prinsipper for silisium epitaxy

Epitaksial vekst av silisium avhenger hovedsakelig av å gi riktig energi og miljø for silisiumatomer for å migrere på overflaten av underlaget og finne den laveste energigitterposisjonen for kombinasjon. Den mest brukte teknologien for tiden er kjemisk dampavsetning (CVD).

Kjemisk dampavsetning (CVD): Dette er mainstream -metoden for å oppnå silisiumpitaksi. Dets grunnleggende prinsipper er:

● Forløpertransport: Gass som inneholder silisiumelement (forløper), slik som silan (SIH4), diklorosilan (SIH2CL2) eller triklorosilan (SIHCL3), og dopemiddelgass (slik som fosfin PH3 for N-type) er blanding av p-miks-blanding av p-Tem-type) er miks-blanding av p-Tema-type) er mikset til p-Tem-type) er blanding av p-Tem-mikroproping og diborboran B2H6 for p-Tem-type) som er purping av p-Tem) som er blandet til p-Tem) er purt-p-Tem) som er purping og dibor B2H6 for p-Tem-type. kammer.

● Overflatereaksjon: Ved høye temperaturer (vanligvis mellom 900 ° C og 1200 ° C) gjennomgår disse gassene kjemisk nedbrytning eller reaksjon på overflaten av det oppvarmede silisiumsubstratet. For eksempel SIH4 → Si (fast)+2H2 (gass).

● Overflatemigrasjon og kjernefysning: Silisiumatomene produsert ved nedbrytning adsorberes til underlagsoverflaten og vandrer på overflaten, og finner til slutt riktig gittersted for å kombinere og begynne å danne en ny singelkrystalllag. Kvaliteten på epitaksial vekstsilisium avhenger i stor grad av kontrollen av dette trinnet.

● Laget vekst: Det nyavsatte atomlaget gjentar kontinuerlig gitterstrukturen til underlaget, vokser lag for lag og danner et epitaksialt silisiumlag med en spesifikk tykkelse.

Nøkkelprosessparametere: Kvaliteten på silisiumpitaksiprosessen er strengt kontrollert, og nøkkelparametrene inkluderer:

● Temperatur: påvirker reaksjonshastigheten, overflatemobilitet og defektdannelse.

● Trykk: påvirker gasstransport og reaksjonsvei.

● Gasstrøm og forhold: Bestemmer veksthastigheten og dopingkonsentrasjonen.

● Underlagsoverflate: Enhver forurensning kan være opprinnelsen til feil.

● Andre teknologier: Selv om CVD er mainstream, kan også teknologier som Molecular Beam Epitaxy (MBE) brukes til silisiumpitaksi, spesielt i FoU eller spesielle applikasjoner som krever ekstremt høy presisjonskontroll.MBE fordamper direkte silisiumkilder i et ultrahøyt vakuummiljø, og atom- eller molekylære bjelker er direkte projisert på underlaget for vekst.

Ⅲ. Spesifikke anvendelser av silisiumpitakseteknologi i halvlederproduksjon

Silicon Epitaxy -teknologi har utvidet applikasjonsområdet for silisiummaterialer i stor grad og er en uunnværlig del av produksjonen av mange avanserte halvlederenheter.

● CMOS -teknologi: I høyytelseslogiske brikker (som CPUer og GPUer) dyrkes ofte et lavt dopet (P− eller n−) epitaksialt silisiumlag på et tungt dopet (P+ eller N+) underlag. Denne epitaksiale silisiumskivestrukturen kan effektivt undertrykke innløpseffekten (lås opp), forbedre enhetens pålitelighet og opprettholde den lave motstanden til underlaget, noe som bidrar til gjeldende ledning og varmeavvisning.

● Bipolare transistorer (BJT) og Bicmos: I disse enhetene brukes silisiumpitaksi til å konstruere strukturer som base eller samlerområdet nøyaktig, og transistorens gevinst, hastighet og andre egenskaper er optimalisert ved å kontrollere dopingkonsentrasjonen og tykkelsen på det epitaksiale laget.

● Bildesensor (CIS): I noen bildesensorapplikasjoner kan epitaksiale silisiumskiver forbedre den elektriske isolasjonen av piksler, redusere kryss og optimalisere den fotoelektriske konverteringseffektiviteten. Det epitaksiale laget gir et renere og mindre mangelfullt aktivt område.

● Avanserte prosessnoder: Når enhetsstørrelsen fortsetter å krympe, blir kravene til materialegenskaper høyere og høyere. Silisiumpitaksi -teknologi, inkludert selektiv epitaksial vekst (SEG), brukes til å vokse anstrengt silisium eller silisium germanium (SIGE) epitaksiale lag i spesifikke områder for å forbedre bærermobiliteten og dermed øke hastigheten på transistorer.

Horisonal epitaksialstensator for silisium epitaxy

Ⅳ.Problemer og utfordringer med silisium epitaxyteknologi

Selv om silisium epitaxy -teknologi er moden og mye brukt, er det fortsatt noen utfordringer og problemer i den epitaksiale veksten av silisiumprosess:

● Defektkontroll: Ulike krystallfeil som stabling av feil, dislokasjoner, glidelinjer osv. Kan genereres under epitaksial vekst. Disse feilene kan påvirke den elektriske ytelsen, påliteligheten og utbyttet på enheten alvorlig. Kontrollfeil krever et ekstremt rent miljø, optimaliserte prosessparametere og underlag av høy kvalitet.

● Enhetlighet: Å oppnå perfekt ensartethet av epitaksial lagtykkelse og dopingkonsentrasjon på silisiumskiver i stor størrelse (for eksempel 300mm) er en pågående utfordring. Ikke-ensartethet kan føre til forskjeller i enhetens ytelse på samme skive.

● Autodoping: Under den epitaksiale vekstprosessen kan doping med høy konsentrasjon i underlaget komme inn i det voksende epitaksiale laget gjennom gassfasediffusjon eller faststoffdiffusjon, noe som fører til at den epitaksiale lagdopingkonsentrasjonen avviker fra den forventede verdien, spesielt nær grensesnittet mellom det epitaksiale laget og underlaget. Dette er et av problemene som må løses i silisiumpitaksiprosessen.

● Overflatemorfologi: Overflaten til det epitaksiale laget må forbli svært flat, og eventuelle ruhet eller overflatedefekter (for eksempel dis) vil påvirke påfølgende prosesser som litografi.

● Koste: Sammenlignet med vanlige polerte silisiumskiver, legger produksjonen av epitaksiale silisiumskiver ytterligere prosesstrinn og utstyrsinvesteringer, noe som resulterer i høyere kostnader.

● Utfordringer med selektiv epitaxy: I avanserte prosesser setter selektiv epitaksial vekst (bare vekst i spesifikke områder) høyere krav til prosesskontroll, for eksempel selektivitet av veksthastighet, kontroll av lateral gjengroing, etc.

Ⅴ.Konklusjon

Som en nøkkel halvledermateriell forberedelsesteknologi, kjernefunksjonen isilisium epitaxyer muligheten til å vokse høykvalitets enkeltkrystall epitaksiale silisiumlag med spesifikke elektriske og fysiske egenskaper på enkeltkrystalls silisiumsubstrater. Gjennom presis kontroll av parametere som temperatur, trykk og luftstrøm i silisiumpitaksiprosessen, kan lagtykkelsen og dopingfordelingen tilpasses for å imøtekomme behovene til forskjellige halvlederapplikasjoner som CMOS, Power Devices og sensorer.

Selv om epitaksial vekst av silisium står overfor utfordringer som defektkontroll, ensartethet, selvdoping og kostnader, med kontinuerlig fremgang av teknologi, er silisiumpitaksi fremdeles en av de viktigste drivkreftene for å fremme ytelsesforbedring og funksjonell innovasjon av halvledere-enheter, og den