Характеристики кремниевой эпитаксии

Силиконовая эпитаксияявляется важным основным процессом в современном производстве полупроводников. Это относится к процессу выращивания одного или нескольких слоев тонких пленок с кремниевой кремниевой кремния с определенной кристаллической структурой, толщиной, допинговой концентрацией и типом на точно полированном кремниевом подложке с однокристаллическим. Эта взрослая пленка называется эпитаксиальным слоем (эпитаксиальный слой или EPI -слой), а кремниевая пластина с эпитаксиальным слоем называется эпитаксиальной кремниевой пластиной. Его основная характеристика заключается в том, что недавно выращенный эпитаксиальный кремниевый слой является продолжением структуры подложки решетки в кристаллографии, поддерживая ту же ориентацию кристаллов, что и субстрат, образуя идеальную монокристаллическую структуру. Это позволяет эпитаксиальному слою иметь точно разработанные электрические свойства, которые отличаются от свойств субстрата, что обеспечивает основу для производства высокопроизводительных полупроводниковых устройств.

Вертиальный эпитаксиальный восприимчик для кремниевой эпитаксии

Ⅰ. Что такое кремниевая эпитаксия?

1) Определение: Кремниевая эпитаксия-это технология, которая откладывает атомы кремния на подложке кремния с одним кристаллом химическими или физическими методами и располагает их в соответствии с структурой решетки субстрата, чтобы выращивать новую тонкую тонкую пленку из кремния с однокристаллическим кремнивом.

2) Соответствие решетки: Основной особенностью является упорядоченность эпитаксиального роста. Осажденные атомы кремния не являются случайным образом сложены, но расположены в соответствии с ориентацией кристаллов субстрата под руководством «шаблона», обеспеченного атомами на поверхности подложки, достигая точной репликации уровня атомного уровня. Это гарантирует, что эпитаксиальный слой является высококачественным монокристаллическим, а не поликристаллическим или аморфным.

3) управляемость: Процесс эпитаксии кремния позволяет точно контролировать толщину слоя роста (от нанометров до микрометров), типа легирования (N-тип или P-тип) и концентрацию легирования. Это позволяет сформировать области с различными электрическими свойствами на одной и той же кремниевой пластине, которая является ключом к производству сложных интегрированных цепей.

4) Характеристики интерфейса: Между эпитаксиальным слоем и субстратом образуется интерфейс. В идеале этот интерфейс атомно плоский и без загрязнения. Тем не менее, качество интерфейса имеет решающее значение для производительности эпитаксиального слоя, и любые дефекты или загрязнение могут повлиять на конечную производительность устройства.

Ⅱ. Принципы кремниевой эпитаксии

Эпитаксиальный рост кремния в основном зависит от обеспечения правильной энергии и среды для атомов кремния для мигрирования на поверхности субстрата и найти наименьшее положение решетки энергии для комбинации. Наиболее часто используемая технология в настоящее время - химическое осаждение паров (ССЗ).

Химическое осаждение паров (CVD): это основной метод достижения кремниевой эпитаксии. Его основные принципы:

● ПРЕДУПРЕЗОР ТРАНСЕ: Газ, содержащий кремниевый элемент (предшественник), такой как силан (SIH4), дихлорзилан (SIH2CL2) или трихлорзилан (SIHCL3), и легированный газ (такие как фосфин PH3 для легирования N-типа и диборан B2H6 для легирования P-типа), смешивают в PRECTERESTEMPRETION PRECEMBER.

● Поверхностная реакция: При высоких температурах (обычно между 900 ° C до 1200 ° C) эти газы подвергаются химическому разложению или реакции на поверхности нагретого кремниевого субстрата. Например, SIH4 → Si (твердый)+2H2 (газ).

● Поверхностная миграция и зарождение: Атомы кремния, продуцируемые разложением, адсорбируются на поверхность субстрата и мигрируют на поверхности, в конечном итоге обнаружив правильное место для сочетания и начать сформировать новый синглКристаллический слой. Качество эпитаксиального роста кремния в значительной степени зависит от контроля этого этапа.

● Многоуровневый рост: Недавно осажденный атомный слой непрерывно повторяет структуру решетки субстрата, увеличивает слой за слоем и образует эпитаксиальный кремниевый слой с определенной толщиной.

Ключевые параметры процесса: качество процесса кремниевой эпитаксии строго контролируется, и ключевые параметры включают в себя:

● Температура: влияет на скорость реакции, подвижность поверхности и образование дефектов.

● Давление: влияет на путь транспортировки газа и реакции.

● Поток газа и соотношение: Определяет скорость роста и допинг.

● Чистота поверхности субстрата: Любой загрязнитель может быть происхождением дефектов.

● Другие технологии: Хотя сердечно -сосудистые заболевания являются основным потоком, такие технологии, как молекулярная эпитаксия луча (MBE), также могут использоваться для кремниевой эпитаксии, особенно в R & D или специальных приложениях, которые требуют чрезвычайно высокого контроля точности.MBE непосредственно испаряет кремниевые источники в сверхвысокой вакуумной среде, а атомные или молекулярные лучи прямо проецируются на подложку для роста.

Ⅲ. Конкретные применения технологии эпитаксии кремния в производстве полупроводников

Технология кремния эпитаксии значительно расширила ассортимент применения кремниевых материалов и является незаменимой частью производства многих передовых полупроводниковых устройств.

● Технология CMOS: В высокопроизводительных логических чипах (таких как процессоры и графические процессоры), низкодопитый (P- или N-) эпитаксиальный кремниевый слой часто выращивается на подложке с сильно легированным (P+ или N+). Эта эпитаксиальная кремниевая структура пластин может эффективно подавить эффект защелки (защелкивание), повысить надежность устройства и поддерживать низкое сопротивление подложки, которое способствует токовой проводимости и рассеиванию тепла.

● Биполярные транзисторы (BJT) и BICMOS: На этих устройствах кремниевая эпитаксия используется для точной конструкции таких структур, как основание или область коллектора, а усиление, скорость и другие характеристики транзистора оптимизируются путем контроля концентрации легирования и толщины эпитаксиального слоя.

● Датчик изображения (CIS): В некоторых приложениях датчиков изображения эпитаксиальные кремниевые пластины могут улучшить электрическую изоляцию пикселей, уменьшить перекрестные помехи и оптимизировать эффективность фотоэлектрического преобразования. Эпитаксиальный слой обеспечивает более чистую и менее дефектную активную область.

● Усовершенствованные узлы процесса: Поскольку размер устройства продолжает сокращаться, требования к свойствам материала становятся все выше и выше. Технология кремниевой эпитаксии, включая селективный эпитаксиальный рост (SEG), используется для выращивания эпитаксиальных слоев кремния или кремния (SIGE) в кремниевых или кремниевых германия (SIGE) в определенных областях для улучшения подвижности носителей и, таким образом, повышения скорости транзисторов.

Горизональный эпитаксиальный восприим к кремниевой эпитаксии

Ⅳ.Проблемы и проблемы технологии эпитаксии кремния

Хотя технология кремния эпитаксии зрелая и широко используется, все еще существуют некоторые проблемы и проблемы в эпитаксиальном росте процесса кремния:

● Контроль дефектов: Различные кристаллические дефекты, такие как неисправности укладки, дислокации, линии скольжения и т. Д. Могут быть получены во время эпитаксиального роста. Эти дефекты могут серьезно повлиять на электрические характеристики, надежность и урожайность устройства. Контролирование дефектов требует чрезвычайно чистой среды, оптимизированных параметров процесса и высококачественных субстратов.

● Единообразие: Достижение идеальной однородности толщины эпитаксиального слоя и концентрации легирования на крупных кремниевых пластинах (таких как 300 мм) является постоянной проблемой. Неравномерность может привести к различиям в производительности устройства на одной пластине.

● Автородство: Во время процесса эпитаксиального роста лечения с высоким содержанием концентрации в субстрате могут попадать в растущий эпитаксиальный слой посредством диффузии газовой фазы или диффузии твердого состояния, вызывая лечевую концентрацию эпитаксиального слоя, чтобы отклоняться от ожидаемого значения, особенно вблизи границы раздела между эпитаксиальным слоем и субстратом. Это одна из проблем, которые необходимо решить в процессе кремниевой эпитаксии.

● Морфология поверхности: Поверхность эпитаксиального слоя должна оставаться очень плоской, и любая шероховатость или поверхностные дефекты (такие как дымка) будут влиять на последующие процессы, такие как литография.

● Расходы: По сравнению с обычными полированными кремниевыми пластинами, производство эпитаксиальных кремниевых пластин добавляет дополнительные этапы процесса и инвестиции в оборудование, что приводит к более высоким затратам.

● Проблемы селективной эпитаксии: В передовых процессах селективный эпитаксиальный рост (рост только в определенных областях) вызывает более высокие потребности в контроле процессов, таких как селективность темпов роста, контроль бокового развития и т. Д.

Ⅴ.Заключение

Как ключевая технология подготовки полупроводниковых материалов, основная особенностьСиликоновая эпитаксияЭто способность точно выращивать высококристаллические эпитаксиальные кремниевые слои с определенными электрическими и физическими свойствами на подложках из однокристаллических кремния. Благодаря точному управлению такими параметрами, как температура, давление и воздушный поток в процессе эпитаксии кремния, толщина слоя и распределение легирования могут быть настроены для удовлетворения потребностей различных полупроводниковых применений, таких как CMOS, силовые устройства и датчики.

Хотя эпитаксиальный рост кремния сталкивается с такими проблемами, как контроль дефектов, однородность, самодопирование и стоимость, с непрерывным развитием технологий, кремниевая эпитаксия по-прежнему является одной из основных движущих сил для продвижения улучшения производительности и функциональных инноваций в полупроводнических устройствах, а его позиция в эпитаксиковом изготовлении Silicon не поддается.