Χαρακτηριστικά της επιταξίας του πυριτίου

Επιταξία πυριτίουείναι μια κρίσιμη βασική διαδικασία στη σύγχρονη κατασκευή ημιαγωγών. Αναφέρεται στη διαδικασία καλλιέργειας ενός ή περισσοτέρων στρώσεων λεπτών μεμβρανών πυριτίου μονού κρυστάλλου με συγκεκριμένη κρυσταλλική δομή, πάχος, συγκέντρωση ντόπινγκ και τύπο σε ένα ακριβώς γυαλισμένο υπόστρωμα πυριτίου ενός κρυστάλλου. Αυτή η καλλιεργημένη μεμβράνη ονομάζεται επιταξιακό στρώμα (επιταξιακό στρώμα ή στρώμα EPI) και ένα δισκίο πυριτίου με επιταξιακό στρώμα ονομάζεται επιταξιακό δισκίο πυριτίου. Το βασικό χαρακτηριστικό του είναι ότι το νεοαναγκασμένο επιταξιακό στρώμα πυριτίου είναι μια συνέχεια της δομής του υποστρώματος σε κρυσταλλογραφία, διατηρώντας τον ίδιο κρυσταλλικό προσανατολισμό με το υπόστρωμα, σχηματίζοντας μια τέλεια μονή κρυσταλλική δομή. Αυτό επιτρέπει στο επιταξιακό στρώμα να έχει ακριβώς σχεδιασμένες ηλεκτρικές ιδιότητες που διαφέρουν από εκείνες του υποστρώματος, παρέχοντας έτσι μια βάση για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών υψηλής απόδοσης.

Vertial epitaxial Sensceptor για επιταξία πυριτίου

Ⅰ. Τι είναι η επιταξία πυριτίου;

1) Ορισμός: Η επιταξία πυριτίου είναι μια τεχνολογία που καταθέτει άτομα πυριτίου σε ένα υπόστρωμα πυριτίου ενός κρυστάλλου με χημικές ή φυσικές μεθόδους και τα διαθέτει σύμφωνα με τη δομή του υποστρώματος για να αναπτύξει ένα νέο λεπτό φιλμ με πυρίτιο ενός κρυστάλλου.

2) Αντιστοίχιση πλέγματος: Το βασικό χαρακτηριστικό είναι η τάξη της επιταξιακής ανάπτυξης. Τα κατατεθείσα άτομα πυριτίου δεν στοιβάζονται τυχαία, αλλά διατάσσονται σύμφωνα με τον κρυσταλλικό προσανατολισμό του υποστρώματος υπό την καθοδήγηση του "προτύπου" που παρέχεται από τα άτομα στην επιφάνεια του υποστρώματος, επιτυγχάνοντας ακριβή αντιγραφή ατομικού επιπέδου. Αυτό εξασφαλίζει ότι το επιταξιακό στρώμα είναι ένα μονό κρύσταλλο υψηλής ποιότητας, αντί για πολυκρυσταλλικές ή άμορφες.

3): Η διαδικασία επιταξίας πυριτίου επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο του πάχους του στρώματος ανάπτυξης (από νανόμετρα έως μικρομέτρια), τον τύπο ντόπινγκ (τύπου Ν ή P-τύπου) και τη συγκέντρωση ντόπινγκ. Αυτό επιτρέπει να σχηματίζονται περιοχές με διαφορετικές ηλεκτρικές ιδιότητες στο ίδιο δίσκο πυριτίου, το οποίο είναι το κλειδί για την κατασκευή σύνθετων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

4) Χαρακτηριστικά διασύνδεσης: Σχηματίζεται μια διεπαφή μεταξύ του επιταξιακού στρώματος και του υποστρώματος. Στην ιδανική περίπτωση, αυτή η διεπαφή είναι ατομικά επίπεδη και χωρίς μόλυνση. Ωστόσο, η ποιότητα της διεπαφής είναι κρίσιμη για την απόδοση του επιταξιακού στρώματος και τυχόν ελαττώματα ή μόλυνση μπορεί να επηρεάσουν την τελική απόδοση της συσκευής.

Ⅱ. Αρχές επιταξίας πυριτίου

Η επιταξιακή ανάπτυξη του πυριτίου εξαρτάται κυρίως από την παροχή της σωστής ενέργειας και του περιβάλλοντος για τα άτομα του πυριτίου να μεταναστεύσουν στην επιφάνεια του υποστρώματος και να βρουν τη χαμηλότερη θέση πλέγματος ενέργειας για συνδυασμό. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνολογία είναι σήμερα χημική εναπόθεση ατμών (CVD).

Χημική εναπόθεση ατμών (CVD): Αυτή είναι η μέθοδος mainstream για την επίτευξη επιταξίας πυριτίου. Οι βασικές αρχές του είναι:

● Πρόδρομος μεταφορά: Το αέριο που περιέχει το στοιχείο πυριτίου (πρόδρομος), όπως το σιλάνη (SiH4), το διχλωροσιλάνιο (SIH2CL2) ή το τριχλωροσίνιο (SIHCL3) και το αέριο του dopant (όπως η φωσφίνη pH3 για το doping-type και το diborane B2H6 για doping p-type) αναμιγνύονται σε ακριβείς εγκληματικές τάσεις και περαστικά αέριο (όπως η αντίδραση p-temperature.

● Επιφανειακή αντίδραση: Σε υψηλές θερμοκρασίες (συνήθως μεταξύ 900 ° C και 1200 ° C), αυτά τα αέρια υφίστανται χημική αποσύνθεση ή αντίδραση στην επιφάνεια του θερμαινόμενου υποστρώματος πυριτίου. Για παράδειγμα, SIH4 → SI (στερεό)+2Η2 (αέριο).

● Μετανάστευση και πυρήνωση επιφάνειας: Τα άτομα πυριτίου που παράγονται με αποσύνθεση προσροφούνται στην επιφάνεια του υποστρώματος και μεταναστεύουν στην επιφάνεια, βρίσκοντας τελικά το σωστό σημείο πλέγματος για να συνδυάσουν και να αρχίσουν να σχηματίζουν ένα νέο singleστρώμα κρυστάλλου. Η ποιότητα του επιταξιακού πυριτίου ανάπτυξης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον έλεγχο αυτού του βήματος.

● Στρωματοποιημένη ανάπτυξη: Το πρόσφατα κατατεθειμένο ατομικό στρώμα επαναλαμβάνει συνεχώς τη δομή του πλέγματος του υποστρώματος, αναπτύσσει το στρώμα με στρώμα και σχηματίζει ένα επιταξιακό στρώμα πυριτίου με συγκεκριμένο πάχος.

Παράμετροι βασικών διαδικασιών: Η ποιότητα της διαδικασίας επιταξίας πυριτίου ελέγχεται αυστηρά και οι βασικές παράμετροι περιλαμβάνουν:

● Θερμοκρασία: επηρεάζει τον ρυθμό αντίδρασης, την κινητικότητα της επιφάνειας και τον σχηματισμό ελαττωμάτων.

● Πίεση: επηρεάζει τη μεταφορά αερίου και τη διαδρομή αντίδρασης.

● Ροή και αναλογία αερίου: Καθορίζει τον ρυθμό ανάπτυξης και τη συγκέντρωση του ντόπινγκ.

● Η καθαριότητα της επιφάνειας του υποστρώματος: Οποιαδήποτε μολυσματική μπορεί να είναι η προέλευση των ελαττωμάτων.

● Άλλες τεχνολογίες: Αν και η CVD είναι το mainstream, οι τεχνολογίες όπως η επιταξία μοριακής δέσμης (MBE) μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για επιταξία πυριτίου, ειδικά σε Ε & Α ή ειδικές εφαρμογές που απαιτούν εξαιρετικά υψηλό έλεγχο ακρίβειας.Το MBE εξατμίζει άμεσα πηγές πυριτίου σε ένα εξαιρετικά υψηλό περιβάλλον κενού και οι ατομικές ή μοριακές δοκοί προβάλλονται άμεσα στο υπόστρωμα για ανάπτυξη.

Ⅲ. Ειδικές εφαρμογές τεχνολογίας επιταξίας πυριτίου στην κατασκευή ημιαγωγών

Η τεχνολογία επιταξίας πυριτίου έχει επεκτείνει σημαντικά το εύρος εφαρμογών υλικών πυριτίου και αποτελεί απαραίτητο μέρος της κατασκευής πολλών προηγμένων συσκευών ημιαγωγών.

● Τεχνολογία CMOS: Σε τσιπ λογικής υψηλής απόδοσης (όπως CPU και GPU), συχνά αναπτύσσεται ένα επίστρωμα πυριτίου (P+ ή N+). Αυτή η επιταξιακή δομή πλακιδίων πυριτίου μπορεί να καταστείλει αποτελεσματικά το φαινόμενο μανδάλωσης (μανδάλωση), να βελτιώσει την αξιοπιστία των συσκευών και να διατηρήσει τη χαμηλή αντίσταση του υποστρώματος, γεγονός που ευνοεί την τρέχουσα αγωγιμότητα και τη διάχυση της θερμότητας.

● Διπολικά τρανζίστορ (BJT) και Bicmos: Σε αυτές τις συσκευές, η επιταξία πυριτίου χρησιμοποιείται για την ακριβή κατασκευή δομών όπως η περιοχή βάσης ή συλλέκτη και το κέρδος, η ταχύτητα και άλλα χαρακτηριστικά του τρανζίστορ βελτιστοποιούνται ελέγχοντας τη συγκέντρωση και το πάχος του ντόπινγκ του επιταξιακού στρώματος.

● Αισθητήρας εικόνας (CIS): Σε ορισμένες εφαρμογές αισθητήρων εικόνων, επιταξιακές πλακές πυριτίου μπορούν να βελτιώσουν την ηλεκτρική απομόνωση των εικονοστοιχείων, να μειώσουν τη διαστρέβλωση και να βελτιστοποιήσουν την απόδοση μετατροπής φωτοηλεκτρικής μετατροπής. Το επιταξιακό στρώμα παρέχει μια καθαρότερη και λιγότερο ελαττωματική ενεργή περιοχή.

● Προχωρημένοι κόμβοι διαδικασίας: Καθώς το μέγεθος της συσκευής συνεχίζει να συρρικνώνεται, οι απαιτήσεις για τις ιδιότητες των υλικών αυξάνονται και υψηλότερες. Η τεχνολογία επιταξίας πυριτίου, συμπεριλαμβανομένης της επιλεκτικής επιταξιακής ανάπτυξης (SEG), χρησιμοποιείται για την καλλιέργεια επιταξιακών στρωμάτων σιλικόνης ή πυριτίου γερμανίου (Sige) σε συγκεκριμένες περιοχές για τη βελτίωση της κινητικότητας των φορέων και έτσι την αύξηση της ταχύτητας των τρανζίστορ.

Οριζόντιος επιταξιακός ευαισθητής για επιταξία πυριτίου

Ⅳ.Προβλήματα και προκλήσεις της τεχνολογίας επιταξίας πυριτίου

Παρόλο που η τεχνολογία επιταξίας πυριτίου είναι ώριμη και ευρέως χρησιμοποιούμενη, εξακολουθούν να υπάρχουν κάποιες προκλήσεις και προβλήματα στην επιταξιακή ανάπτυξη της διαδικασίας πυριτίου:

● Έλεγχος ελαττωμάτων: Διάφορα κρυστάλλινα ελαττώματα, όπως σφάλματα στοίβαξης, εξάρσεις, γραμμές ολίσθησης κ.λπ., μπορούν να δημιουργηθούν κατά τη διάρκεια της επιταξιακής ανάπτυξης. Αυτά τα ελαττώματα μπορούν να επηρεάσουν σοβαρά την ηλεκτρική απόδοση, την αξιοπιστία και την απόδοση της συσκευής. Ο έλεγχος των ελαττωμάτων απαιτεί εξαιρετικά καθαρό περιβάλλον, βελτιστοποιημένες παραμέτρους διεργασίας και υποστρώματα υψηλής ποιότητας.

● Ομοιομορφία: Η επίτευξη τέλεια ομοιομορφία του επιταξιακού πάχους και της συγκέντρωσης του ντόπινγκ σε πλακίδια πυριτίου μεγάλου μεγέθους (όπως 300mm) είναι μια συνεχιζόμενη πρόκληση. Η μη ομοιομορφία μπορεί να οδηγήσει σε διαφορές στην απόδοση της συσκευής στο ίδιο δίσκο.

● Αυτοθεραπεία: Κατά τη διάρκεια της επιταξιακής διαδικασίας ανάπτυξης, τα δωδεκτικά υψηλής συγκέντρωσης στο υπόστρωμα μπορούν να εισέλθουν στο αναπτυσσόμενο επιταξιακό στρώμα μέσω διάχυσης φάσης αερίου ή διάχυσης στερεάς κατάστασης, προκαλώντας τη συγκέντρωση του επιταξιακού στρώματος doping να αποκλίνει από την αναμενόμενη τιμή, ειδικά κοντά στην διεπαφή μεταξύ του επιταξιακού στρώματος και του υποστρώματος. Αυτό είναι ένα από τα ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν στη διαδικασία επιταξίας πυριτίου.

● Μορφολογία επιφάνειας: Η επιφάνεια του επιταξιακού στρώματος πρέπει να παραμείνει εξαιρετικά επίπεδη και τυχόν τραχύτητα ή επιφανειακά ελαττώματα (όπως η θολότητα) θα επηρεάσουν τις επακόλουθες διαδικασίες όπως η λιθογραφία.

● Κόστος: Σε σύγκριση με τα συνηθισμένα γυαλισμένα πλακίδια πυριτίου, η παραγωγή επιφανειακών γκαζιών πυριτίου προσθέτει πρόσθετα βήματα διεργασίας και επενδύσεις εξοπλισμού, με αποτέλεσμα υψηλότερο κόστος.

● Προκλήσεις επιλεκτικής επιταξίας: Σε προηγμένες διαδικασίες, η επιλεκτική επιταξιακή ανάπτυξη (ανάπτυξη μόνο σε συγκεκριμένες περιοχές) θέτει υψηλότερες απαιτήσεις στον έλεγχο των διαδικασιών, όπως η επιλεκτικότητα του ρυθμού ανάπτυξης, ο έλεγχος της πλευρικής υπερανάπτυξης κ.λπ.

Ⅴ.Σύναψη

Ως βασική τεχνολογία προετοιμασίας υλικού ημιαγωγών, το βασικό χαρακτηριστικό τουεπιταξία πυριτίουείναι η ικανότητα να αναπτύσσεται με ακρίβεια υψηλής ποιότητας στρώματα επιταξιακής πυριτίου με ειδικές ηλεκτρικές και φυσικές ιδιότητες σε υποστρώματα πυριτίου ενός κρυστάλλου. Μέσω του ακριβούς ελέγχου των παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, η πίεση και η ροή αέρα στη διαδικασία επιταξίας του πυριτίου, το πάχος του στρώματος και η κατανομή του ντόπινγκ μπορούν να προσαρμοστούν για να καλύψουν τις ανάγκες διαφόρων εφαρμογών ημιαγωγών όπως CMOs, συσκευές ισχύος και αισθητήρες.

Παρόλο που η επιταξιακή ανάπτυξη του πυριτίου αντιμετωπίζει προκλήσεις όπως ο έλεγχος των ελαττωμάτων, η ομοιομορφία, η αυτο-κατάρτιση και το κόστος, με τη συνεχή πρόοδο της τεχνολογίας, η επιταξία πυριτίου εξακολουθεί να είναι μία από τις βασικές κινητήριες δυνάμεις για την προώθηση της βελτίωσης της απόδοσης και της λειτουργικής καινοτομίας των συσκευών ημιαγωγών και η θέση της στην επιταξιακή πυριτίνα Wafer είναι αναμφισβήτητη.