Карактеристики на силиконската епитаксика

Силиконска епитаксие клучен основен процес во современото производство на полупроводници. Се однесува на процесот на одгледување на еден или повеќе слоеви на еднокристални силиконски тенки филмови со специфична кристална структура, дебелина, концентрација на допинг и тип на прецизно полиран единечен кристален силиконски супстрат. Овој одгледуван филм е наречен епитаксијален слој (епитаксичен слој или EPI слој), а силиконски нафта со епитаксичен слој се нарекува епитаксичен силиконски нафора. Неговата основна карактеристика е дека новорастениот епитаксијален силиконски слој е продолжение на структурата на решетките на подлогата во кристалографијата, одржувајќи ја истата кристална ориентација како подлогата, формирајќи совршена единечна кристална структура. Ова им овозможува на епитаксијалниот слој да има точно дизајнирани електрични својства кои се различни од оние на подлогата, со што се обезбедува основа за производство на полупроводнички уреди со високи перформанси.

Верцијален епитаксијален подлотор за силиконска епитаксика

Ⅰ. Што е силиконска епитакси?

1) Дефиниција: Силиконската епитакси е технологија која ги депонира силиконските атоми на еднокристална силиконска подлога со хемиски или физички методи и ги организира според структурата на решетките на подлогата за да расте нов силиконски силиконски тенок филм.

2） Совпаѓање на решетките: Основната карактеристика е уредноста на епитаксилниот раст. Депонираните силиконски атоми не се случајно наредени, но се распоредени според кристалната ориентација на подлогата под водство на „образецот“ обезбеден од атомите на површината на подлогата, постигнувајќи прецизна репликација на атомско ниво. Ова осигурува дека епитаксијалниот слој е висококвалитетен единечен кристал, наместо поликристален или аморфен.

3） Контролабилноста: Процесот на силиконска епитаксијата овозможува прецизна контрола на дебелината на слојот за раст (од нанометри до микрометри), тип на допинг (n-тип или p-тип) и концентрација на допинг. Ова им овозможува на регионите со различни електрични својства да се формираат на истата силиконска нафора, што е клучот за производство на комплексни интегрирани кола.

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

Ⅱ. Принципи на силиконска епитаксика

Епитаксијалниот раст на силиконот главно зависи од обезбедување на вистинската енергија и околина за силиконските атоми да мигрираат на површината на подлогата и да ја пронајдат најниската позиција на енергетска решетка за комбинација. Најчесто користената технологија во моментов е таложење на хемиска пареа (CVD).

Депонирање на хемиска пареа (CVD): Ова е методот на мејнстрим за да се постигне силиконска епитакси. Неговите основни принципи се:

● Превоз на претходник: Гас кој содржи силиконски елемент (претходник), како што се Silane (SIH4), дихлорозилан (SIH2Cl2) или трихлорозилан (SIHCL3), и допантен гас (како што е фосфин pH3 за допинг од типот N-тип и диборан B2H6 за P-Type DOP) Комора.

● Реакција на површината: На високи температури (обично помеѓу 900 ° C и 1200 ° C), овие гасови се подложени на хемиско распаѓање или реакција на површината на загреаната подлога на силикон. На пример, SIH4 → Si (цврст)+2H2 (гас).

● Површинска миграција и нуклеација: Силиконските атоми произведени со распаѓање се adsorbed на површината на подлогата и мигрираат на површината, на крајот да ја пронајдат вистинската решетка за комбинирање и да започнат да формираат нов синглкристален слој. Квалитетот на силиконот за епитаксичен раст во голема мерка зависи од контролата на овој чекор.

● Слоевит раст: Ново депонираниот атомски слој постојано ја повторува решетната структура на подлогата, расте слој по слој и формира епитаксичен силиконски слој со специфична дебелина.

Клучни параметри на процесот: Квалитетот на силиконскиот процес на епитакси е строго контролиран, а клучните параметри вклучуваат:

● Температура: влијае на стапката на реакција, мобилноста на површината и формирањето на дефекти.

● Притисок: влијае на транспортот на гас и патеката за реакција.

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

● Чистота на површината на подлогата: Секоја загадувачка може да биде потеклото на дефектите.

● Други технологии: Иако CVD е мејнстрим, технологиите како што е молекуларната зрак епитакси (MBE) можат да се користат и за силиконска епитакси, особено во R&D или специјални апликации за кои е потребна екстремно контрола на прецизност.MBE директно испарува извори на силикон во ултра-висока вакуумска околина, а атомските или молекуларните греди се директно проектирани на подлогата за раст.

Ⅲ. Специфични апликации на силиконска епитаксична технологија во производството на полупроводници

Силиконската епитаксиска технологија во голема мерка го прошири опсегот на апликации на силиконски материјали и е неопходен дел од производството на многу напредни уреди за полупроводници.

● CMOS технологија: Во логички чипови со високи перформанси (како што се процесорот и графичкиот процесор), епитаксијалниот силиконски слој со низок допиран (P− или N−) често се одгледува на силно допиран (P+ или N+) подлога. Оваа епитаксична структура на силиконски нафора може ефикасно да го потисне ефектот на заклучување (заклучување), да ја подобри сигурноста на уредот и да ја одржи ниската отпорност на подлогата, што е погодно за тековната спроводливост и дисипација на топлина.

● Биполарни транзистори (БЈТ) и Бикмос: Во овие уреди, силиконската епитакси се користи за прецизно конструирање на структури како што е основата или регионот на колекторот, а добивката, брзината и другите карактеристики на транзисторот се оптимизираат со контролирање на концентрацијата на допинг и дебелината на епитаксилниот слој.

● Сензор за слика (ЗНД): Во некои апликации за сензори за слика, епитаксијалните силиконски нафора можат да ја подобрат електричната изолација на пикселите, да ја намалат крстосницата и да ја оптимизираат ефикасноста на фотоелектричната конверзија. Епитаксијалниот слој обезбедува почиста и помалку дефектна активна област.

● Напредни процесни јазли: Бидејќи големината на уредот продолжува да се намалува, барањата за материјални својства стануваат повисоки и повисоки. Силиконска епитаксична технологија, вклучително и селективен епитаксијален раст (SEG), се користи за одгледување на затегнати силиконски или силиконски германиум (SIGE) епитаксијални слоеви во специфични области за подобрување на подвижноста на превозникот и со тоа да се зголеми брзината на транзисторите.

Хоризонтален епитаксичен подлотор за силиконска епитаксика

Ⅳ.Проблеми и предизвици на силиконска епитаксична технологија

Иако технологијата на силиконската епитакси е зрела и широко користена, сепак има некои предизвици и проблеми во епитаксилниот раст на силиконскиот процес:

● Контрола на дефекти: Различни дефекти на кристалот, како што се грешки во редење, дислокации, линии за лизгање, итн. Може да се генерираат за време на епитаксилниот раст. Овие дефекти можат сериозно да влијаат на електричните перформанси, сигурноста и приносот на уредот. Контрола на дефекти бара исклучително чиста околина, оптимизирани параметри на процесот и висококвалитетни подлоги.

● Униформност: Постигнување совршена униформност на дебелината на епитаксијалниот слој и концентрацијата на допинг на силиконски нафори со голема големина (како што е 300мм) е тековен предизвик. Не-униформноста може да доведе до разлики во перформансите на уредот на истиот нафора.

● Автопропирање: За време на процесот на епитаксијален раст, допанти со висока концентрација во подлогата може да влезат во растечкиот епитаксичен слој преку дифузија на гас фаза или дифузија на цврста состојба, предизвикувајќи концентрацијата на допинг на епитаксичниот слој да отстапи од очекуваната вредност, особено во близина на интерфејсот помеѓу епитаксичниот слој и подлогата. Ова е едно од проблемите што треба да се решат во процесот на силиконска епитакси.

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

● Цена: Во споредба со обичните полирани силиконски нафора, производството на епитаксични силиконски нафора додава дополнителни чекори на процесите и инвестиции во опрема, што резултира во повисоки трошоци.

● Предизвици на селективна епитаксија: Во напредните процеси, селективниот епитаксијален раст (раст само во специфични области) става поголеми побарувања за контрола на процесите, како што е селективност на стапката на раст, контрола на латералниот пораст, итн.

Ⅴ.Заклучок

Како клучна технологија за подготовка на полупроводнички материјали, основната карактеристика наСиликонска епитаксие можност за прецизно раст на висококвалитетни еднокристални епитаксични 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 епитакси, дебелината на слојот и дистрибуцијата на допинг може да се прилагоди за да се задоволат потребите на разни апликации за полупроводници, како што се CMO, енергетски уреди и сензори.

Иако епитаксијалниот раст на силиконот се соочува со предизвици како што се контрола на дефекти, униформност, само-допинг и цена, со континуиран напредок на технологијата, силиконската епитаксија сè уште е една од основните движечки сили за промовирање на перформансите и функционална иновација на уредите за полупроводници на полупроводници, а неговата позиција во епитаксијалните силиконски валци е избркан.