Silicio epitaksijos savybės

Silicio epitaksijayra esminis pagrindinis šiuolaikinės puslaidininkių gamybos procesas. Tai reiškia vieno ar kelių vieno kristalinio silicio plonų plėvelių, turinčių specifinę kristalų struktūrą, storio, dopingo koncentracijos ir tipo tiksliai šlifuoto vieno kristalo silicio substrato, vienos ar kelių sluoksnių sluoksnių auginimo procesą. Ši išaugusi plėvelė vadinama epitaksiniu sluoksniu (epitaksiniu arba EPI sluoksniu), o silicio plokštelė su epitaksiniu sluoksniu vadinamas epitaksiniu silicio plokštele. Pagrindinė jo savybė yra ta, kad naujai išaugęs epitaksinis silicio sluoksnis yra substrato gardelės struktūros tęsinys kristalografijoje, palaikantis tą pačią kristalų orientaciją kaip ir substratas, sudarantis puikią vieno kristalų struktūrą. Tai leidžia epitaksiniam sluoksniui turėti tiksliai suprojektuotų elektrinių savybių, kurios skiriasi nuo substrato, taigi sudaro pagrindą gaminti aukštos kokybės puslaidininkių įtaisus.

Vertialinis epitaksinis jautrininkas silicio epitaksijai

Ⅰ. Kas yra silicio epitaksija?

1) Apibrėžimas: Silicio epitaksija yra technologija, kuri cheminiais ar fiziniais metodais nusodina silicio atomus ant vieno kristalo silicio substrato ir išdėsto juos pagal substrato gardelės struktūrą, kad būtų galima užauginti naują vieno kristalų silicio ploną ploną plėvelę.

2） LATTICE suderinimas: Pagrindinė savybė yra epitaksinio augimo tvarka. Deponuoti silicio atomai nėra atsitiktinai sukrauti, tačiau yra išdėstyti pagal substrato kristalų orientaciją, vadovaujant „šablonui“, kurį atomai pateikia ant substrato paviršiaus, pasiekiant atominio lygio tikslų replikaciją. Tai užtikrina, kad epitaksinis sluoksnis yra aukštos kokybės pavienis kristalas, o ne polikristalinis ar amorfinis.

3） Valdomumas: Silicio epitaksijos procesas leidžia tiksliai valdyti augimo sluoksnio storio (nuo nanometrų iki mikrometrų), dopingo tipo (N-tipo arba p tipo) ir dopingo koncentracijos. Tai leidžia tame pačiame silicio plokštele suformuoti skirtingas elektrines savybes, o tai yra raktas į gamybos komplekso integruotas grandines.

4） Sąsajos charakteristikos: Tarp epitaksinio sluoksnio ir substrato susidaro sąsaja. Idealiu atveju ši sąsaja yra atomiškai plokščia ir be užteršimo. Tačiau sąsajos kokybė yra labai svarbi epitaksinio sluoksnio našumui, o visi defektai ar užterštumas gali paveikti galutinį įrenginio našumą.

Ⅱ. Silicio epitaksijos principai

Epitaksinis silicio augimas daugiausia priklauso nuo to, ar silicio atomų reikiamos energijos ir aplinkos tiekimas gali migruoti ant substrato paviršiaus ir rasti mažiausią energijos gardelės padėtį derinant. Šiuo metu dažniausiai naudojama technologija yra cheminio garų nusėdimas (CVD).

Cheminis garų nusėdimas (CVD): Tai yra pagrindinis būdas pasiekti silicio epitaksiją. Pagrindiniai jo principai yra:

● Pirmtakas transportas: Dujos, turinčios silicio elementą (pirmtaką), tokius kaip silanas (SIH4), dichlorosilanas (SIH2CL2) arba trichlorozilanas (SIHCL3) ir dopantinės dujos (tokios kaip fosfino pH3, kad N-tipo dopingo ir diborano B2H6, kad p-tipo doping) būtų sumaišytos ir diborano B2H6.

● Paviršiaus reakcija: Esant aukštai temperatūrai (paprastai nuo 900 ° C iki 1200 ° C), šios dujos yra cheminės skilimo ar reakcijos į šildomo silicio substrato paviršių. Pavyzdžiui, SIH4 → Si (kietas)+2H2 (dujos).

● Paviršiaus migracija ir branduolys: Silicio atomai, gaminami skiliantkrištolo sluoksnis. Epitaksinio augimo kokybė silicio kokybė daugiausia priklauso nuo šio žingsnio kontrolės.

● Sluoksniuotas augimas: Naujai deponuotas atominis sluoksnis nuolat pakartoja substrato gardelės struktūrą, užauga sluoksniu pagal sluoksnį ir sudaro specifinio storio epitaksinį silicio sluoksnį.

Pagrindiniai proceso parametrai: Silicio epitaksijos proceso kokybė yra griežtai kontroliuojama, o pagrindiniai parametrai apima:

● Temperatūra: daro įtaką reakcijos greičiui, paviršiaus mobilumui ir defektų formavimui.

● Spaudimas: daro įtaką dujų transportavimo ir reakcijos keliui.

● Dujų srautas ir santykis: nustato augimo greitį ir dopingo koncentraciją.

● Substrato paviršiaus švara: Bet koks teršalas gali būti defektų kilmė.

● Kitos technologijos: Nors CVD yra pagrindinė, tokios technologijos kaip molekulinės pluošto epitaksija (MBE) taip pat gali būti naudojamos silicio epitaksijai, ypač MTEP arba specialiose programose, kurioms reikalingas ypač aukštas tikslumas.MBE tiesiogiai išgaruoja silicio šaltinius ypač aukštoje vakuuminėje aplinkoje, o atominės ar molekulinės sijos yra tiesiogiai projektuojamos ant substrato augimui.

Ⅲ. Konkretūs silicio epitaksijos technologijos pritaikymai puslaidininkių gamyboje

Silicio epitaksijos technologija labai išplėtė silicio medžiagų taikymo asortimentą ir yra nepakeičiama daugelio pažangių puslaidininkių prietaisų gamybos dalis.

● CMOS technologija: Esant aukšto našumo loginiams lustai (pvz., CPU ir GPU), mažai loginis (P− arba N−) epitaksinis silicio sluoksnis dažnai auginamas ant smarkiai suplanuoto (P+ arba N+) substrato. Ši epitaksinė silicio plokštelių struktūra gali efektyviai slopinti užrakto efektą (užrakto), pagerinti prietaiso patikimumą ir išlaikyti mažą substrato atsparumą, kuris palankiai vertina dabartinį laidumą ir šilumos išsklaidymą.

● Bipoliniai tranzistoriai (BJT) ir BICMOS: Šiuose prietaisuose silicio epitaksija naudojama tiksliai konstruojant struktūras, tokias kaip bazė ar kolektoriaus sritis, o tranzistoriaus stiprinimas, greitis ir kitos savybės yra optimizuotos kontroliuojant epitaksinio sluoksnio dopingo koncentraciją ir storis.

● Vaizdo jutiklis (CIS): Kai kuriuose vaizdo jutiklių pritaikymuose epitaksiniai silicio vafliai gali pagerinti taškų elektrinę izoliaciją, sumažinti skerspjūvį ir optimizuoti fotoelektrinio konversijos efektyvumą. Epitaksinis sluoksnis suteikia švaresnę ir mažiau sugedusią aktyvią plotą.

● Pažangios proceso mazgai: Didėjant įrenginio dydžiui, medžiagų savybių reikalavimai tampa vis didesni. Silicio epitaksijos technologija, įskaitant selektyvų epitaksinį augimą (SEG), naudojama įtemptam silicio ar silicio germanio (SIGE) epitaksiniams sluoksniams auginti tam tikrose vietose, siekiant pagerinti nešiklio mobilumą ir taip padidinti tranzistorių greitį.

Horizonalinis epitaksinis jautrininkas silicio epitaksijai

Ⅳ.Silicio epitaksijos technologijos problemos ir iššūkiai

Nors silicio epitaksijos technologija yra subrendusi ir plačiai naudojama, vis dar yra keletas iššūkių ir problemų epitaksiniame silicio proceso augime:

● Defektų valdymas: Įvairių kristalų defektų, tokių kaip kaupimo gedimai, dislokacijos, slydimo linijos ir kt., Gali būti sugeneruoti epitaksinio augimo metu. Šie defektai gali rimtai paveikti įrenginio elektrinį efektyvumą, patikimumą ir išeigą. Norint kontroliuoti defektus, reikia ypač švarios aplinkos, optimizuotų proceso parametrų ir aukštos kokybės substratų.

● Vienodumas: Tobulas epitaksinio sluoksnio storio ir dopingo koncentracijos vienodumas didelio dydžio silicio plokštelėms (tokioms kaip 300 mm) yra nuolatinis iššūkis. Dėl nevienalyčio gali būti skirtumų su tuo pačiu vafliu įrenginio veikimo skirtumais.

● Autodopingas: Epitaksinio augimo proceso metu aukštos koncentracijos dopantai substrate gali patekti į augantį epitaksinį sluoksnį per dujų fazės difuziją arba kietojo kūno difuziją, todėl epitaksinis sluoksnio dopingo koncentracija nukrypsta nuo numatomos vertės, ypač šalia epitaksinio sluoksnio ir substrato. Tai yra viena iš klausimų, kuriuos reikia išspręsti Silicio epitaksijos procese.

● Paviršiaus morfologija: Epitaksinio sluoksnio paviršius turi išlikti labai plokščias, o bet kokie šiurkštumo ar paviršiaus defektai (tokie kaip migla) paveiks vėlesnius procesus, tokius kaip litografija.

● Kaina: Palyginti su įprastais poliruotais silicio vafliais, epitaksinių silicio plokštelių gamyba prideda papildomų proceso žingsnių ir investicijų į įrangą, todėl padidėja išlaidos.

● Selektyvios epitaksijos iššūkiai: Pažangiems procesams selektyvus epitaksinis augimas (augimas tik tam tikrose vietose) kelia didesnius proceso kontrolės poreikius, tokius kaip augimo greičio selektyvumas, šoninio pervargimo kontrolė ir kt.

Ⅴ.Išvada

Kaip pagrindinė puslaidininkių medžiagų paruošimo technologija, pagrindinė savybėSilicio epitaksijayra gebėjimas tiksliai užauginti aukštos kokybės vieno kristalų epitaksinius silicio sluoksnius su specifinėmis elektrinėmis ir fizinėmis savybėmis vieno kristalinio silicio substratuose. Tikslai valdant tokius parametrus kaip temperatūra, slėgis ir oro srautas silicio epitaksijos procese, sluoksnio storis ir dopingo pasiskirstymas gali būti pritaikytas atsižvelgiant į įvairių puslaidininkių programų, tokių kaip CMO, maitinimo įtaisai ir jutikliai, poreikiams.

Nors epitaksinis silicio augimas susiduria su tokiais iššūkiais, kaip defektų kontrolė, vienodumas, savęs ir išlaidos, nuolat tobulėjant technologijoms, silicio epitaksija vis dar yra viena iš pagrindinių varomųjų jėgų, skatinančių veiklos gerinimą ir funkcinės inovacijos, yra ir yra ir yra ir yra ir yra ir yra ir yra ir yra.