Egenskaper hos kiselpitaxi

Kiselepitaxiär en avgörande grundprocess i modern halvledartillverkning. Det hänvisar till processen att odla ett eller flera lager av enkristall kiseltunna filmer med specifik kristallstruktur, tjocklek, dopingkoncentration och typ på ett exakt polerat enkristall kiselsubstrat. Denna odlade film kallas ett epitaxialskikt (epitaxialskikt eller EPI -skikt), och en kiselskiva med ett epitaxialt lager kallas en epitaxial kiselskiva. Dess kärnkarakteristik är att det nyodlade epitaxiella kiselskiktet är en fortsättning på substratgitterstrukturen i kristallografi, vilket upprätthåller samma kristallorientering som substratet och bildar en perfekt enkelkristallstruktur. Detta gör det möjligt för det epitaxiella skiktet att ha exakt utformade elektriska egenskaper som skiljer sig från underlaget, vilket ger en grund för tillverkning av högpresterande halvledarenheter.

Vertial Epitaxial Susceptor for Silicon Epitaxy

Ⅰ. Vad är Silicon Epitaxy?

1) Definition: Silikonepitaxi är en teknik som avsätter kiselatomer på ett enkelkristallsilikonunderlag med kemiska eller fysiska metoder och ordnar dem enligt substratgitterstrukturen för att odla en ny enkelkristall kisel tunn film.

2） Gittermatchning: Kärnfunktionen är ordningen för epitaxiell tillväxt. De avsatta kiselatomerna är inte slumpmässigt staplade, men är arrangerade enligt kristallorienteringen av substratet under ledning av "mallen" som tillhandahålls av atomerna på ytan av substratet, vilket uppnår exakta replikering på atomnivå. Detta säkerställer att det epitaxiella skiktet är en högkvalitativ enkelkristall, snarare än polykristallin eller amorf.

3） Kontrollbarhet: Silikonepitaxiprocessen möjliggör exakt kontroll av tjockleken på tillväxtskiktet (från nanometrar till mikrometer), dopningstypen (n-typ eller p-typ) och dopingkoncentrationen. Detta gör att regioner med olika elektriska egenskaper kan bildas på samma kiselskiva, som är nyckeln till tillverkning av komplexa integrerade kretsar.

4） Gränssnittsegenskaper: Ett gränssnitt bildas mellan det epitaxiella skiktet och underlaget. Helst är detta gränssnitt atomiskt platt och föroreningsfritt. Kvaliteten på gränssnittet är emellertid avgörande för det epitaxiella skiktets prestanda, och eventuella defekter eller föroreningar kan påverka enhetens slutliga prestanda.

Ⅱ. Principer för kiselpitaxi

Epitaxiell tillväxt av kisel beror främst på att tillhandahålla rätt energi och miljö för kiselatomer att migrera på ytan av substratet och hitta den lägsta energilitterpositionen för kombination. Den mest använda tekniken för närvarande är kemisk ångavsättning (CVD).

Chemical Vapor Deposition (CVD): Detta är mainstream -metoden för att uppnå kiselepitaxi. Dess grundläggande principer är:

● Föregångare: Gas som innehåller kiselelement (föregångare), såsom silan (SIH4), diklorosilan (SIH2CL2) eller triklorosilan (SIHCL3) och dopantgas (såsom fosfin-pH3 för n-typ doping och diboran B2H6 för p-typ doping) är blandade i exponeringsföretag och en hög-TEM-TEM-TEM-TEM-TEM-CHAM.

● Ytreaktion: Vid höga temperaturer (vanligtvis mellan 900 ° C och 1200 ° C) genomgår dessa gaser kemisk sönderdelning eller reaktion på ytan av det uppvärmda kiselsubstratet. Till exempel SIH4 → Si (fast)+2H2 (gas).

● Ytmigration och kärnbildning: Kiselatomerna som produceras genom nedbrytning adsorberas till substratytan och migrerar på ytan, och så småningom hittar du rätt gitterplats för att kombinera och börja bilda en ny singelCrystal Layer. Kvaliteten på epitaxial tillväxtkisel beror till stor del på kontrollen av detta steg.

● Skiktad tillväxt: Det nyligen avsatta atomskiktet upprepar kontinuerligt gitterstrukturen för underlaget, växer skikt för skikt och bildar ett epitaxialt kiselskikt med en specifik tjocklek.

Nyckelprocessparametrar: Kvaliteten på kiselpitaxprocessen är strikt kontrollerad, och nyckelparametrarna inkluderar:

● Temperatur: påverkar reaktionshastigheten, ytmobiliteten och defektbildning.

● Tryck: påverkar gastransport och reaktionsväg.

● Gasflöde och förhållande: bestämmer tillväxthastigheten och dopingkoncentrationen.

● Substratytan renlighet: Alla föroreningar kan vara ursprunget till defekter.

● Annan teknik: Även om CVD är mainstream, kan teknologier såsom molekylär strålepitaxi (MBE) också användas för kiselpitaxi, särskilt i FoU eller speciella applikationer som kräver extremt hög precisionskontroll.MBE avdunstar direkt kiselkällor i en ultrahög vakuummiljö, och atom- eller molekylstrålar projiceras direkt på underlaget för tillväxt.

Ⅲ. Specifika tillämpningar av kiselpitaxteknologi vid halvledartillverkning

Silicon Epitaxy Technology har kraftigt utökat applikationsintervallet för kiselmaterial och är en oundgänglig del av tillverkningen av många avancerade halvledarenheter.

● CMOS -teknik: I högpresterande logikchips (såsom CPU: er och GPU: er) odlas ofta ett lågdopat (P− eller N−) epitaxialt kiselskikt på ett kraftigt dopat (P+ eller N+) -substrat. Denna epitaxiala kiselskivstruktur kan effektivt undertrycka den spärreffekten (spärr), förbättra enhetens tillförlitlighet och bibehålla underlagets låga motstånd, vilket bidrar till strömledning och värmeavledning.

● Bipolära transistorer (BJT) och BICMOS: I dessa anordningar används kiselepitaxi för att exakt konstruera strukturer såsom bas- eller samlarområdet, och förstärkningen, hastigheten och andra egenskaper hos transistorn optimeras genom att kontrollera dopingkoncentrationen och tjockleken på epitaxialskiktet.

● Bildsensor (CIS): I vissa bildsensorapplikationer kan epitaxiala kiselskivor förbättra den elektriska isoleringen av pixlar, minska övergången och optimera den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten. Epitaxialskiktet ger ett renare och mindre defekt aktivt område.

● Avancerade processnoder: När enhetsstorleken fortsätter att krympa blir kraven för materialegenskaper högre och högre. Kiselpitaxteknologi, inklusive selektiv epitaxial tillväxt (SEG), används för att odla ansträngda kisel- eller kisel Germanium (SIGE) epitaxiala skikt i specifika områden för att förbättra bärarnas rörlighet och därmed öka transistorernas hastighet.

Horisonal epitaxial susceptor för kiselpitaxi

Ⅳ.Problem och utmaningar med kiselpitaxteknologi

Även om kiselpitaxteknologi är mogen och används allmänt, finns det fortfarande några utmaningar och problem i den epitaxiella tillväxten av kiselprocessen:

● Felkontroll: Olika kristalldefekter såsom staplingsfel, dislokationer, glidlinjer etc. kan genereras under epitaxial tillväxt. Dessa defekter kan allvarligt påverka enhetens elektriska prestanda, tillförlitlighet och utbyte. Kontroll av defekter kräver en extremt ren miljö, optimerade processparametrar och högkvalitativa underlag.

● Enhetlighet: Att uppnå perfekt enhetlighet av epitaxial skikttjocklek och dopingkoncentration på storstor kiselskivor (som 300 mm) är en pågående utmaning. Icke-enhetlighet kan leda till skillnader i enhetens prestanda på samma skiva.

● Autodoping: Under den epitaxiella tillväxtprocessen kan högkoncentrationsdopanter i underlaget komma in i det växande epitaxiella skiktet genom gasfasdiffusion eller fast tillståndsdiffusion, vilket orsakar den epitaxiala skiktdopingkoncentrationen att avvika från det förväntade värdet, särskilt nära gränssnittet mellan epitaxialskiktet och substratet. Detta är en av de frågor som måste tas upp i kiselpitaxprocessen.

● Ytmorfologi: Ytan på det epitaxiella skiktet måste förbli mycket platt, och all grovhet eller ytfel (såsom dis) kommer att påverka efterföljande processer såsom litografi.

● Kosta: Jämfört med vanliga polerade kiselskivor lägger produktionen av epitaxiala kiselskivor till ytterligare processsteg och utrustningsinvesteringar, vilket resulterar i högre kostnader.

● Utmaningar med selektiv epitaxi: I avancerade processer ställer selektiv epitaxiell tillväxt (tillväxt endast i specifika områden) högre krav på processkontroll, såsom selektivitet för tillväxthastighet, kontroll av lateral överväxt, etc.

Ⅴ.Slutsats

Som en viktig halvledarmaterialförberedande teknik är kärnfunktionen ikiselepitaxiär förmågan att exakt växa högkvalitativa enkelkristallepitaxiala kiselskikt med specifika elektriska och fysiska egenskaper på enkristall kiselunderlag. Genom exakt kontroll av parametrar såsom temperatur, tryck och luftflöde i kiselpitaxprocessen kan skikttjockleken och dopningsfördelningen anpassas för att tillgodose behoven hos olika halvledarapplikationer som CMO: er, kraftanordningar och sensorer.

Även om epitaxiell tillväxt av kisel står inför utmaningar som defektkontroll, enhetlighet, självdoping och kostnader, med kontinuerlig utveckling av teknik, är kiselpitaxi fortfarande en av de kärnkraftsdrivande krafterna för att främja prestationsförbättring och funktionell innovation av halvledaranordningar och dess position i epitaxial silikon wafer-tillverkning är irrepabel.