Χαρακτηριστικά της επιταξίας πυριτίου

Επιτάξιο πυριτίουείναι μια κρίσιμη βασική διαδικασία στη σύγχρονη κατασκευή ημιαγωγών. Αναφέρεται στη διαδικασία ανάπτυξης ενός ή περισσοτέρων στρωμάτων λεπτών μεμβρανών μονοκρυσταλλικού πυριτίου με συγκεκριμένη κρυσταλλική δομή, πάχος, συγκέντρωση ντόπινγκ και τύπο σε ένα με ακρίβεια γυαλισμένο υπόστρωμα μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Αυτή η αναπτυσσόμενη μεμβράνη ονομάζεται επιταξιακή στρώση (Epitaxial Layer ή Epi Layer) και μια γκοφρέτα πυριτίου με επιταξιακή στρώση ονομάζεται επιταξιακή γκοφρέτα πυριτίου. Το βασικό χαρακτηριστικό του είναι ότι το νεοαναπτυγμένο επιταξιακό στρώμα πυριτίου είναι η συνέχεια της δομής του πλέγματος υποστρώματος στην κρυσταλλογραφία, διατηρώντας τον ίδιο κρυσταλλικό προσανατολισμό με το υπόστρωμα, σχηματίζοντας μια τέλεια μονοκρυσταλλική δομή. Αυτό επιτρέπει στο επιταξιακό στρώμα να έχει επακριβώς σχεδιασμένες ηλεκτρικές ιδιότητες που είναι διαφορετικές από αυτές του υποστρώματος, παρέχοντας έτσι τη βάση για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών υψηλής απόδοσης.

Vertial Epitaxial Susceptor for Silicon Epitaxy

Ⅰ. Τι είναι το Silicon Epitaxy;

1) Ορισμός: Η επιταξία πυριτίου είναι μια τεχνολογία που εναποθέτει άτομα πυριτίου σε ένα μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα πυριτίου με χημικές ή φυσικές μεθόδους και τα διατάσσει σύμφωνα με τη δομή του πλέγματος του υποστρώματος για να αναπτυχθεί μια νέα λεπτή μεμβράνη πυριτίου μονοκρυστάλλου.

2) Ταίριασμα δικτυωτού πλέγματος: Το βασικό χαρακτηριστικό είναι η τακτοποίηση της επιταξιακής ανάπτυξης. Τα αποτιθέμενα άτομα πυριτίου δεν στοιβάζονται τυχαία, αλλά είναι διατεταγμένα σύμφωνα με τον κρυσταλλικό προσανατολισμό του υποστρώματος υπό την καθοδήγηση του "προτύπου" που παρέχεται από τα άτομα στην επιφάνεια του υποστρώματος, επιτυγχάνοντας ακριβή αντιγραφή σε ατομικό επίπεδο. Αυτό διασφαλίζει ότι το επιταξιακό στρώμα είναι ένα υψηλής ποιότητας μονοκρύσταλλο, αντί για πολυκρυσταλλικό ή άμορφο.

3) Δυνατότητα ελέγχου: Η διαδικασία επιτάξεως πυριτίου επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο του πάχους του στρώματος ανάπτυξης (από νανόμετρα έως τα μικρόμετρα), του τύπου ντόπινγκ (τύπου Ν ή τύπου Ρ) και της συγκέντρωσης ντόπινγκ. Αυτό επιτρέπει τον σχηματισμό περιοχών με διαφορετικές ηλεκτρικές ιδιότητες στην ίδια γκοφρέτα πυριτίου, η οποία είναι το κλειδί για την κατασκευή πολύπλοκων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

4） Χαρακτηριστικά διεπαφής: 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 κατάλληλης ενέργειας και περιβάλλοντος για τα άτομα πυριτίου να μεταναστεύσουν στην επιφάνεια του υποστρώματος και να βρουν τη χαμηλότερη ενεργειακή θέση πλέγματος για συνδυασμό. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνολογία επί του παρόντος είναι η εναπόθεση χημικών ατμών (CVD).

Chemical Vapor Deposition (CVD): Αυτή είναι η κύρια μέθοδος για την επίτευξη επιταξίας πυριτίου. Οι βασικές αρχές του είναι:

● Μεταφορά προδρόμου: Αέριο που περιέχει στοιχείο πυριτίου (πρόδρομος), όπως σιλάνιο (SiH4), διχλωροσιλάνιο (SiH2Cl2) ή τριχλωροσιλάνιο (SiHCl3) και πρόσθετο αέριο (όπως φωσφίνη PH3 για ντόπινγκ τύπου Ν και διβοράνιο B2H6 για ντόπινγκ τύπου P) αναμιγνύονται σε αναλογίες υψηλής ακρίβειας.

● 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)+2H2(αέριο).

● Επιφανειακή μετανάστευση και πυρήνωση: Τα άτομα πυριτίου που παράγονται με αποσύνθεση προσροφούνται στην επιφάνεια του υποστρώματος και μεταναστεύουν στην επιφάνεια, βρίσκοντας τελικά τη σωστή θέση πλέγματος για να συνδυαστούν και να αρχίσουν να σχηματίζουν ένα νέο ενιαίοκρυσταλλικό στρώμα. Η ποιότητα του πυριτίου επιταξιακής ανάπτυξης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον έλεγχο αυτού του σταδίου.

● Πολυεπίπεδη ανάπτυξη: Το νεοαποτιθέμενο ατομικό στρώμα επαναλαμβάνει συνεχώς την δικτυωτή δομή του υποστρώματος, αναπτύσσεται στρώμα προς στρώμα και σχηματίζει ένα επιταξιακό στρώμα πυριτίου με συγκεκριμένο πάχος.

Βασικές παράμετροι διαδικασίας: Η ποιότητα της διαδικασίας επιταξίας πυριτίου ελέγχεται αυστηρά και οι βασικές παράμετροι περιλαμβάνουν:

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

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

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

● Καθαριότητα επιφάνειας υποστρώματος: Οποιοσδήποτε ρύπος μπορεί να είναι η πηγή ελαττωμάτων.

● Άλλες τεχνολογίες: Παρόλο που το CVD είναι το κύριο ρεύμα, τεχνολογίες όπως το Molecular Beam Epitaxy (MBE) μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για επιταξία πυριτίου, ειδικά σε Ε&Α ή ειδικές εφαρμογές που απαιτούν έλεγχο εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας.Το MBE εξατμίζει απευθείας πηγές πυριτίου σε περιβάλλον εξαιρετικά υψηλού κενού και ατομικές ή μοριακές δέσμες προβάλλονται απευθείας στο υπόστρωμα για ανάπτυξη.

Ⅲ. Ειδικές εφαρμογές της τεχνολογίας επιταξίας πυριτίου στην κατασκευή ημιαγωγών

Η τεχνολογία επιτάξεως πυριτίου έχει επεκτείνει σημαντικά το φάσμα εφαρμογών των υλικών πυριτίου και αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της κατασκευής πολλών προηγμένων συσκευών ημιαγωγών.

● Τεχνολογία CMOS: Σε λογικά τσιπ υψηλής απόδοσης (όπως CPU και GPU), ένα στρώμα επιταξιακού πυριτίου χαμηλής πρόσμιξης (P− ή N−) αναπτύσσεται συχνά σε ένα υπόστρωμα με μεγάλη πρόσμειξη (P+ ή N+). Αυτή η επιταξιακή δομή πλακιδίων πυριτίου μπορεί να καταστείλει αποτελεσματικά το φαινόμενο μανδάλωσης (Latch-up), να βελτιώσει την αξιοπιστία της συσκευής και να διατηρήσει τη χαμηλή αντίσταση του υποστρώματος, η οποία ευνοεί την αγωγιμότητα του ρεύματος και την απαγωγή 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 ντόπινγκ και το πάχος του επιταξιακού στρώματος.

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

● Προηγμένοι κόμβοι διεργασιών: Καθώς το μέγεθος της συσκευής συνεχίζει να συρρικνώνεται, οι απαιτήσεις για ιδιότητες υλικού γίνονται όλο και μεγαλύτερες. Η τεχνολογία επιταξίας πυριτίου, συμπεριλαμβανομένης της επιλεκτικής επιταξιακής ανάπτυξης (SEG), χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη στραγγισμένων επιταξιακών στρωμάτων πυριτίου ή γερμανίου πυριτίου (SiGe) σε συγκεκριμένες περιοχές για τη βελτίωση της κινητικότητας του φορέα και συνεπώς την αύξηση της ταχύτητας των τρανζίστορ.

Horizonal Epitaxial Susceptor for Silicon Epitaxy

Ⅳ.Προβλήματα και προκλήσεις της τεχνολογίας επιταξίας πυριτίου

Αν και η τεχνολογία επιταξίας πυριτίου είναι ώριμη και χρησιμοποιείται ευρέως, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις και προβλήματα στην επιταξιακή ανάπτυξη της διεργασίας πυριτίου:

● Έλεγχος ελαττωμάτων: Διάφορα ελαττώματα κρυστάλλου, όπως σφάλματα στοίβαξης, εξαρθρώσεις, γραμμές ολίσθησης κ.λπ. μπορεί να δημιουργηθούν κατά την επιταξιακή ανάπτυξη. Αυτά τα ελαττώματα μπορεί 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 τέλειας ομοιομορφίας του πάχους της επιταξιακής στρώσης και της συγκέντρωσης ντόπινγκ σε γκοφρέτες πυριτίου μεγάλου μεγέθους (όπως 300 mm) είναι μια διαρκής πρόκληση. Η μη ομοιομορφία μπορεί να οδηγήσει σε διαφορές στην απόδοση της συσκευής στην ίδια γκοφρέτα.

● Autodoping: Κατά τη διαδικασία επιταξιακής ανάπτυξης, προσμείξεις υψηλής συγκέντρωσης στο υπόστρωμα μπορεί να εισέλθουν στο αναπτυσσόμενο επιταξιακό στρώμα μέσω διάχυσης αέριας φάσης ή διάχυσης στερεάς κατάστασης, προκαλώντας την απόκλιση της συγκέντρωσης ντόπινγκ επιταξιακής στρώσης από την αναμενόμενη τιμή, ειδικά κοντά στη διεπιφάνεια μεταξύ της επιταξιακής στρώσης και του υποστρώματος. Αυτό είναι ένα από τα ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν στη διαδικασία της επιταξίας πυριτίου.

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

● Κόστος: Σε σύγκριση με τις συνηθισμένες γκοφρέτες γυαλισμένου πυριτίου, η παραγωγή επιταξιακών πλακών πυριτίου προσθέτει πρόσθετα στάδια διαδικασίας και επένδυση εξοπλισμού, με αποτέλεσμα υψηλότερο κόστος.

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

Ⅴ.Σύναψη

Ως βασική τεχνολογία προετοιμασίας υλικού ημιαγωγών, το βασικό χαρακτηριστικό τουπυριτική επιταξίαείναι η ικανότητα να αναπτύσσονται με ακρίβεια στρώσεις μονοκρυσταλλικού επιταξιακού πυριτίου υψηλής ποιότητας με συγκεκριμένες ηλεκτρικές και φυσικές ιδιότητες σε υποστρώματα μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Μέσω ακριβούς ελέγχου παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, η πίεση και η ροή αέρα στη διαδικασία επιταξίας πυριτίου, το πάχος του στρώματος και η κατανομή του ντόπινγκ μπορούν να προσαρμοστούν για να ανταποκρίνονται στις ανάγκες διαφόρων εφαρμογών ημιαγωγών όπως CMOS, συσκευές ισχύος και αισθητήρες.

Αν και η επιταξιακή ανάπτυξη του πυριτίου αντιμετωπίζει προκλήσεις όπως ο έλεγχος ελαττωμάτων, η ομοιομορφία, η αυτο-ντόπινγκ και το κόστος, με τη συνεχή πρόοδο της τεχνολογίας, η επιταξία πυριτίου εξακολουθεί να είναι μια από τις βασικές κινητήριες δυνάμεις για την προώθηση της βελτίωσης της απόδοσης και της λειτουργικής καινοτομίας των συσκευών ημιαγωγών και η θέση της στην κατασκευή επιταξιακών πλακιδίων πυριτίου είναι αδιανόητη.