Charakteristiky kremíkovej epitaxie

Kremíková epitaxiaje kľúčovým základným procesom v modernej výrobe polovodičov. Vzťahuje sa na proces pestovania jednej alebo viacerých vrstiev jednorazových kremíkových tenkých filmov so špecifickou kryštálovou štruktúrou, hrúbkou, dopingovou koncentráciou a typom na presne leštenom substráte kremíkového kremíka. Tento pestovaný film sa nazýva epitaxiálna vrstva (epitaxiálna vrstva alebo vrstva EPI) a kremíková doštička s epitaxickou vrstvou sa nazýva epitaxiálna kremíková doštička. Jeho jadrovou charakteristikou je, že novo pestovaná epitaxná kremíková vrstva je pokračovanie štruktúry mriežky substrátu v kryštalografii, ktorá udržiava rovnakú kryštálovú orientáciu ako substrát, čím vytvára perfektnú jednovrstrát. To umožňuje epitaxiálnej vrstve mať presne navrhnuté elektrické vlastnosti, ktoré sa líšia od vlastností substrátu, čím poskytuje základ pre výrobu vysokovýkonných polovodičových zariadení.

Vertial Epitaxial Sustor pre kremíkovú epitaxiu

Ⅰ. Čo je kremíková epitaxia?

1) Definícia: Silikónová epitaxia je technológia, ktorá usadzuje atómy kremíka na jednomerkryštálovom kremíkovom substráte chemickými alebo fyzikálnymi metódami a usporiada ich podľa štruktúry substrátu mriežky na pestovanie nového tenkého filmu s jedným kokryštálom.

2） Zodpovedanie mriežky: Hlavnou vlastnosťou je usporiadanie epitaxného rastu. Uložené atómy kremíka nie sú náhodne naskladané, ale sú usporiadané podľa kryštálovej orientácie substrátu pod vedením „šablóny“ poskytovanej atómami na povrchu substrátu, čím sa dosiahne presná replikácia atómovej úrovne. To zaisťuje, že epitaxiálna vrstva je skôr kvalitný jednokryštál, a nie polykryštalický alebo amorfný.

3） Ovládateľnosť: Proces kremíka epitaxie umožňuje presnú kontrolu hrúbky rastovej vrstvy (od nanometrov po mikrometre), dopingový typ (typu N alebo typ P) a koncentráciu dopingu. To umožňuje tvorbu regiónov s rôznymi elektrickými vlastnosťami na rovnakej kremíkovej oblátke, ktorá je kľúčom k výrobe komplexných integrovaných obvodov.

4） Charakteristiky rozhrania: Rozhranie je vytvorené medzi epitaxiálnou vrstvou a substrátom. V ideálnom prípade je toto rozhranie atómovo ploché a bez kontaminácie. Kvalita rozhrania je však rozhodujúca pre výkon epitaxnej vrstvy a akékoľvek defekty alebo kontaminácia môžu ovplyvniť konečný výkon zariadenia.

Ⅱ. Princípy kremíkovej epitaxie

Epitaxiálny rast kremíka závisí hlavne od poskytnutia správnej energie a prostredia pre atómy kremíka, ktoré migrujú na povrchu substrátu a nájdu najnižšiu pozíciu mriežky energie pre kombináciu. Najbežnejšie používanou technológiou je v súčasnosti chemické ukladanie pár (CVD).

Chemické ukladanie pary (CVD): Toto je metóda hlavného prúdu na dosiahnutie kremíkovej epitaxie. Jeho základné princípy sú:

● Predchodca: Silikónový prvok obsahujúci plyn (prekurzor), ako je silán (SIH4), dichlórozilán (SIH2CL2) alebo trichlórsilan (SIHCL3) a plynný plynný plyn (ako je fosfín PH3 pre Doping typu N a Diboran B2H6 pre P-type Doping) sú zmiešané v precíznej propácii a preniknutí do A A Puspans do A A Puspans do s vysokým obsahom A.

● Povrchová reakcia: Pri vysokých teplotách (zvyčajne medzi 900 ° C a 1200 ° C) tieto plyny podliehajú chemickému rozkladu alebo reakcii na povrchu zahrievaného kremíkového substrátu. Napríklad SIH4 → Si (tuhá látka)+2H2 (plyn).

● Migrácia a nukleacia: Atómy kremíka produkované rozkladom sú adsorbované na povrch substrátu a migrujú na povrchu, nakoniec nájdenie pravého miesta mriežky na kombinovanie a začatie nového singlukryštálová vrstva. Kvalita kremíka epitaxného rastu do značnej miery závisí od kontroly tohto kroku.

● Vrstvené rast: Novo uložená atómová vrstva nepretržite opakuje mriežkovú štruktúru substrátu, rastie vrstvou po vrstve a tvorí epitaxiálnu kremíkovú vrstvu so špecifickou hrúbkou.

Kľúčové parametre procesu: Kvalita procesu kremíkovej epitaxie je prísne kontrolovaná a kľúčové parametre zahŕňajú:

● Teplota: ovplyvňuje rýchlosť reakcie, povrchovú mobilitu a tvorbu defektov.

● Tlak: ovplyvňuje transport plynu a reakčnú cestu.

● Prietok plynu a pomer: určuje rýchlosť rastu a koncentráciu dopingu.

● Čistota povrchu substrátu: Akýkoľvek kontaminant môže byť pôvodom defektov.

● Ďalšie technológie: Aj keď je CVD hlavným prúdom, technológie, ako je epitaxia molekulárneho lúča (MBE), sa môžu použiť aj na kremíkovú epitaxiu, najmä v výskume a vývoji alebo v špeciálnych aplikáciách, ktoré si vyžadujú extrémne vysokú kontrolu.MBE priamo odparuje zdroje kremíka v ultra vysokom vákuovom prostredí a atómové alebo molekulárne lúče sa priamo premietajú na substrát pre rast.

Ⅲ. Špecifické aplikácie technológie kremíkovej epitaxie vo výrobe polovodičov

Technológia Silicon Epitaxy výrazne rozšírila rozsah aplikácií kremíkových materiálov a je nevyhnutnou súčasťou výroby mnohých pokročilých polovodičových zariadení.

● Technológia CMOS: Vo vysokovýkonných logických čipoch (ako sú CPU a GPU), nízko dotknutá (p-alebo N-) epitaxiálna kremíková vrstva sa často pestuje na silne doprednom (P+ alebo N+) substráte. Táto epitaxná štruktúra kremíkových doštičiek môže účinne potlačiť efekt západky (západky nahor), zlepšiť spoľahlivosť zariadenia a udržať nízky odpor substrátu, ktorý vedie k prúdu vedenia a rozptylu tepla.

● Bipolárne tranzistory (BJT) a bicmos: V týchto zariadeniach sa kremíková epitaxia používa na presné konštrukcie štruktúr, ako je oblasť základne alebo zberateľa, a zisk, rýchlosť a ďalšie charakteristiky tranzistora sú optimalizované regulovaním dopingovej koncentrácie a hrúbky epitaxiálnej vrstvy.

● Snímač obrazu (CIS): V niektorých aplikáciách snímača snímača môžu epitaxiálne kremíkové doštičky zlepšiť elektrickú izoláciu pixelov, znížiť presluch a optimalizovať účinnosť fotoelektrickej konverzie. Epitaxiálna vrstva poskytuje čistejšiu a menej defektnú aktívnu plochu.

● Pokročilé uzly: Keď sa veľkosť zariadenia neustále zmenšuje, požiadavky na vlastnosti materiálu sa zvyšujú a vyššie. Technológia kremíkovej epitaxie, vrátane selektívneho epitaxného rastu (SEG), sa používa na pestovanie napínaného kremíka alebo kremíka germánia (SIGE) epitaxiálnych vrstiev v špecifických oblastiach na zlepšenie mobility nosiča a tým zvýši rýchlosť tranzistorov.

Horizonálny epitaxiálny spúcňovač pre kremíkovú epitaxiu

Ⅳ.Problémy a výzvy technológie kremíkovej epitaxie

Aj keď je technológia epitaxie kremíka zrelá a široko sa používa, v epitaxiálnom raste procesu kremíka stále existujú určité výzvy a problémy:

● Kontrola defektov: Počas epitaxného rastu sa môžu generovať rôzne defekty kryštálov, ako sú poruchy stohovania, dislokácie, klzné čiary atď. Tieto defekty môžu vážne ovplyvniť elektrický výkon, spoľahlivosť a výťažok zariadenia. Ovládanie defektov vyžaduje mimoriadne čisté prostredie, optimalizované parametre procesu a vysokokvalitné substráty.

● Rovnomernosť: Dosiahnutie perfektnej uniformity hrúbky epitaxnej vrstvy a dopingovej koncentrácie na kremíkových doštičkách vo veľkom veľkosti (napríklad 300 mm) je pretrvávajúcou výzvou. Nejednotnosť môže viesť k rozdielom vo výkone zariadenia na rovnakej oblátke.

● Autodopovanie: Počas procesu epitaxného rastu môžu dopanty s vysokou koncentráciou v substráte vstúpiť do rastúcej epitaxnej vrstvy prostredníctvom difúzie plynovej fázy alebo difúzie tuhého stavu, čo spôsobí, že koncentrácia dopingovej vrstvy epitaxnej vrstvy sa odchyľuje od očakávanej hodnoty, najmä v blízkosti rozhrania medzi epitaxiálnou vrstvou a substrátom. Toto je jeden z problémov, ktoré je potrebné riešiť v procese epitaxie kremíka.

● Morfológia povrchu: Povrch epitaxnej vrstvy musí zostať vysoko plochý a akékoľvek drsnosť alebo povrchové defekty (napríklad opar) ovplyvnia následné procesy, ako je litografia.

● Náklady: V porovnaní s bežnými leštenými kremíkovými doštičkami dodáva výroba epitaxiálnych kremíkových doštičiek ďalšie kroky procesu a investície do zariadení, čo vedie k vyšším nákladom.

● Výzvy selektívnej epitaxie: V pokročilých procesoch kladie selektívny epitaxiálny rast (rast iba v konkrétnych oblastiach) vyššie požiadavky na kontrolu procesov, ako je selektivita rýchlosti rastu, kontrola laterálneho nadmerného rastu atď.

Ⅴ. Záver

Ako kľúčová technológia prípravy materiálov polovodičov, hlavná vlastnosťkremíková epitaxiaje schopnosť presne pestovať vysoko kvalitné jednosokryštálové epitaxiálne kremíkové vrstvy so špecifickými elektrickými a fyzikálnymi vlastnosťami na substrátoch kremíka s jedným kryštálom. Prostredníctvom presnej regulácie parametrov, ako je teplota, tlak a prietok vzduchu v procese kremíkovej epitaxie, je možné prispôsobiť hrúbku vrstvy a distribúciu dopingu tak, aby vyhovovala potrebám rôznych polovodičových aplikácií, ako sú CMO, výkonové zariadenia a senzory.

Aj keď epitaxiálny rast kremíka čelí výzvam, ako sú kontrola defektov, uniformita, sebapostupovanie a náklady, s nepretržitým pokrokom v technológii, kremíková epitaxia je stále jednou z hlavných hnacích síl na podporu zlepšovania výkonu a funkčnú inováciu polovodičových zariadení je nevyužiteľná.