Карактеристики на силиконската епитаксија

Силиконска епитаксијае клучен основен процес во современото производство на полупроводници. Се однесува на процес на одгледување на еден или повеќе слоеви на еднокристални силиконски тенки фолии со специфична кристална структура, дебелина, допинг концентрација и тип на прецизно полиран еднокристален силиконски супстрат. Овој израснат филм се нарекува епитаксијален слој (Епитаксијален слој или Епи слој), а силиконската обланда со епитаксијален слој се нарекува епиаксијална силиконска нафора. Неговата основна карактеристика е што новоизраснатиот епитаксијален силиконски слој е продолжение на структурата на решетката на подлогата во кристалографијата, одржувајќи ја истата кристална ориентација како подлогата, формирајќи совршена еднокристална структура. Ова му овозможува на епитаксијалниот слој да има прецизно дизајнирани електрични својства кои се различни од оние на подлогата, со што се обезбедува основа за производство на полупроводнички уреди со високи перформанси.

Вертикален епитаксијален суцептор за силиконска епитаксија

Ⅰ. Што е силиконска епитаксија?

1) Дефиниција: Силиконската епитаксија е технологија која депонира силициумски атоми на еднокристална силициумска подлога со хемиски или физички методи и ги распоредува според структурата на решетката на подлогата за да се развие нов еднокристален силиконски тенок филм.

2) Поклопување на решетки: Основната карактеристика е уредноста на епитаксијалниот раст. Депонираните силициумски атоми не се случајно наредени, туку се распоредени според кристалната ориентација на подлогата под водство на „шаблонот“ обезбеден од атомите на површината на подлогата, со што се постигнува прецизна репликација на атомско ниво. Ова осигурува дека епитаксијалниот слој е висококвалитетен еднокристал, наместо поликристален или аморфен.

3) Контролабилност: Процесот на силициумска епитаксија овозможува прецизна контрола на дебелината на слојот за раст (од нанометри до микрометри), типот на допинг (N-тип или P-тип) и концентрацијата на допинг. Ова овозможува да се формираат региони со различни електрични својства на истиот силиконски нафора, што е клучот за производство на сложени интегрирани кола.

4) Карактеристики на интерфејсот: Се формира интерфејс помеѓу епитаксијалниот слој и подлогата. Идеално, овој интерфејс е атомски рамен и без контаминација. Сепак, квалитетот на интерфејсот е критичен за перформансите на епитаксијалниот слој, а сите дефекти или контаминација може да влијаат на конечните перформанси на уредот.

Ⅱ. Принципи на силиконска епитаксија

Епитаксијалниот раст на силиконот главно зависи од обезбедувањето на вистинската енергија и средина за атомите на силиконот да мигрираат на површината на подлогата и да ја најдат најниската енергетска решетка за комбинација. Најчесто користената технологија во моментов е Хемиско таложење на пареа (CVD).

Хемиско таложење на пареа (CVD): Ова е мејнстрим метод за постигнување силициумска епитаксија. Нејзините основни принципи се:

● Транспорт на претходници: Гас кој содржи силициумски елемент (прекурсор), како што се силиан (SiH4), дихлоросилан (SiH2Cl2) или трихлоросилан (SiHCl3) и допантен гас (како фосфин PH3 за допинг од N-тип и диборан B2H6 за P-тип на допинг) се мешаат и се мешаат во висок пропорционален допинг.

● Површинска реакција: При високи температури (обично помеѓу 900°C и 1200°C), овие гасови се подложени на хемиско распаѓање или реакција на површината на загреаната силициумска подлога. На пример, SiH4→Si(цврст)+2H2(гас).

● Површинска миграција и нуклеација: Атомите на силициум произведени со распаѓање се адсорбираат на површината на подлогата и мигрираат на површината, на крајот наоѓајќи го вистинското место на решетка за да се комбинираат и да започнат да формираат нов синглкристален слој. Квалитетот на силиконот за епитаксијален раст во голема мера зависи од контролата на овој чекор.

● Слоевит раст: Новодепонираниот атомски слој континуирано ја повторува решетката структура на подлогата, расте слој по слој и формира епитаксијален силиконски слој со специфична дебелина.

Клучни параметри на процесот: Квалитетот на процесот на силиконска епитаксија е строго контролиран, а клучните параметри вклучуваат:

● Температура: влијае на брзината на реакцијата, подвижноста на површината и формирањето на дефекти.

● Притисок: влијае на транспортот на гасот и патеката на реакција.

● Проток и однос на гас: ја одредува стапката на раст и концентрацијата на допинг.

● Чистота на површината на подлогата: Секој загадувач може да биде потеклото на дефектите.

● Други технологии: Иако CVD е мејнстрим, технологиите како Molecular Beam Epitaxy (MBE) може да се користат и за силициумска епитаксија, особено во R&D или специјални апликации кои бараат контрола со исклучително висока прецизност.MBE директно испарува силициумски извори во средина со ултра висок вакуум, а атомските или молекуларните зраци директно се проектираат на подлогата за раст.

Ⅲ. Специфични примени на технологијата на силиконска епитаксија во производството на полупроводници

Технологијата на силиконска епитаксија во голема мера го прошири опсегот на примена на силиконските материјали и е незаменлив дел од производството на многу напредни полупроводнички уреди.

● CMOS технологија: Во логичките чипови со високи перформанси (како што се процесорите и графичките процесори), епитаксијален силиконски слој со ниска допирање (P− или N−) често се одгледува на силно допирана (P+ или N+) супстрат. Оваа епиаксијална структура на силиконски нафора може ефикасно да го потисне ефектот на заклучување (Latch-up), да ја подобри доверливоста на уредот и да го одржи нискиот отпор на подлогата, што е погодно за тековната спроводливост и дисипација на топлина.

● Биполарни транзистори (BJT) и BiCMOS: Кај овие уреди, силициумската епитаксија се користи за прецизно конструирање на структури како што е основата или колекторскиот регион, а засилувањето, брзината и другите карактеристики на транзисторот се оптимизирани со контролирање на концентрацијата на допинг и дебелината на епитаксијалниот слој.

● Сензор за слика (CIS): Во некои апликации со сензор за слика, епитаксијалните силиконски наполитанки можат да ја подобрат електричната изолација на пикселите, да го намалат разговорот и да ја оптимизираат ефикасноста на фотоелектричната конверзија. Епитаксијалниот слој обезбедува почиста и помалку неисправна активна област.

● Напредни процесни јазли: Како што големината на уредот продолжува да се намалува, барањата за својствата на материјалот стануваат се поголеми и повисоки. Технологијата на силиконска епитаксија, вклучително и селективен епитаксијален раст (SEG), се користи за одгледување на затегнати силициум или силикон германиум (SiGe) епитаксијални слоеви во одредени области за да се подобри мобилноста на носачот и на тој начин да се зголеми брзината на транзисторите.

Хоризонтален епитаксијален сусцептор за силиконска епитаксија

Ⅳ.Проблеми и предизвици на технологијата на силиконска епитаксија

Иако технологијата на силиконска епитаксија е зрела и широко користена, сè уште има некои предизвици и проблеми во епитаксиалниот раст на силиконскиот процес:

● Контрола на дефекти: Различни дефекти на кристалите, како што се дефекти на натрупување, дислокации, линии на лизгање итн., може да се генерираат за време на епитаксијалниот раст. Овие дефекти може сериозно да влијаат на електричните перформанси, доверливоста и изведбата на уредот. Контролирањето на дефектите бара исклучително чиста околина, оптимизирани параметри на процесот и висококвалитетни подлоги.

● Униформност: Постигнувањето на совршена униформност на дебелината на епитаксијалниот слој и концентрацијата на допинг на силиконски наполитанки со големи димензии (како 300 mm) е тековен предизвик. Нерамномерноста може да доведе до разлики во перформансите на уредот на истиот нафора.

● Автодопинг: За време на процесот на епитаксијален раст, допанти со висока концентрација во подлогата може да навлезат во растечкиот епитаксијален слој преку дифузија на гасна фаза или дифузија во цврста состојба, предизвикувајќи концентрацијата на допинг на епитаксијалниот слој да отстапи од очекуваната вредност, особено во близина на интерфејсот помеѓу епитаксијалниот слој и подлогата. Ова е едно од прашањата што треба да се решат во процесот на силиконска епитаксија.

● Морфологија на површината: Површината на епитаксијалниот слој мора да остане многу рамна, а секоја грубост или површински дефекти (како магла) ќе влијае на последователните процеси како што е литографијата.

● Цена: Во споредба со обичните полирани силиконски наполитанки, производството на епитаксијални силиконски наполитанки додава дополнителни процесни чекори и инвестиции во опремата, што резултира со повисоки трошоци.

● Предизвици на селективна епитаксија: Во напредните процеси, селективниот епитаксијален раст (раст само во одредени области) поставува повисоки барања за контрола на процесот, како што се селективност на стапката на раст, контрола на страничен прекумерен раст итн.

Ⅴ.Заклучок

Како клучна технологија за подготовка на полупроводнички материјали, основна карактеристика насиликонска епитаксијае способност за прецизно растење на висококвалитетни еднокристални епитаксијални силиконски слоеви со специфични електрични и физички својства на еднокристални силиконски подлоги. Преку прецизна контрола на параметрите како што се температурата, притисокот и протокот на воздух во процесот на силиконска епитаксија, дебелината на слојот и дистрибуцијата на допинг може да се прилагодат за да се задоволат потребите на различни апликации за полупроводници како што се CMOS, уреди за напојување и сензори.

Иако епитаксијалниот раст на силиконот се соочува со предизвици како што се контрола на дефекти, униформност, самодопинг и цена, со континуираниот напредок на технологијата, силиконската епитаксија сè уште е една од основните движечки сили за промовирање на подобрување на перформансите и функционалните иновации на полупроводнички уреди, а нејзината позиција во производството на епитаксиални силиконски нафора е незаменлива.