Kenmerken van silicium epitaxie

Silicium epitaxieis een cruciaal basisproces in de moderne halfgeleiderproductie. Het verwijst naar het proces van het kweken van een of meer lagen siliciumdunne films met één kristal met specifieke kristalstructuur, dikte, doteringsconcentratie en type op een precies gepolijst siliciumsubstraat met één kristal. Deze volwassen film wordt een epitaxiale laag (epitaxiale laag of EPI -laag) genoemd, en een siliciumwafel met een epitaxiale laag wordt een epitaxiale siliciumwafel genoemd. Het kernkenmerk is dat de nieuw geteelde epitaxiale siliciumlaag een voortzetting is van de substraatroosterstructuur in kristallografie, waardoor dezelfde kristaloriëntatie wordt gehandhaafd als het substraat, waardoor een perfecte enkele kristalstructuur wordt gevormd. Hierdoor kan de epitaxiale laag nauwkeurig ontworpen elektrische eigenschappen hebben die verschillen van die van het substraat, waardoor een basis biedt voor de productie van krachtige halfgeleiderapparaten.

Vertial epitaxiale susceptor voor silicium epitaxie

Ⅰ. Wat is silicium epitaxy?

1) Definitie: Silicium-epitaxie is een technologie die siliciumatomen afziet op een siliciumsubstraat met één kristal door chemische of fysische methoden en deze rangschikt volgens de substraatroosterstructuur om een ​​nieuwe silicium met één kristal siliciumdunne film te laten groeien.

2） Lattice matching: De kernfunctie is de ordelijkheid van epitaxiale groei. De afgezette siliciumatomen worden niet willekeurig gestapeld, maar zijn gerangschikt volgens de kristaloriëntatie van het substraat onder leiding van de "sjabloon" die worden geleverd door de atomen op het oppervlak van het substraat, waardoor atoomniveau precieze replicatie wordt bereikt. Dit zorgt ervoor dat de epitaxiale laag een hoogwaardig enkel kristal is, in plaats van polykristallijn of amorf.

3） Controleerbaarheid: Het silicium-epitaxieproces maakt precieze controle mogelijk van de dikte van de groeimaag (van nanometers tot micrometers), het dopingtype (N-type of P-type) en de dopingconcentratie. Hierdoor kunnen regio's met verschillende elektrische eigenschappen worden gevormd op dezelfde siliciumwafel, wat de sleutel is tot productiecomplex geïntegreerde circuits.

4） Interface -kenmerken: Een interface wordt gevormd tussen de epitaxiale laag en het substraat. In het ideale geval is deze interface atomisch vlak en vervuild vrij. De kwaliteit van de interface is echter van cruciaal belang voor de prestaties van de epitaxiale laag en eventuele defecten of verontreiniging kunnen de uiteindelijke prestaties van het apparaat beïnvloeden.

Ⅱ. Principes van silicium epitaxie

Epitaxiale groei van silicium hangt voornamelijk af van het bieden van de juiste energie en omgeving voor siliciumatomen om op het oppervlak van het substraat te migreren en de laagste energieroosterspositie voor combinatie te vinden. De meest gebruikte technologie op dit moment is chemische dampafzetting (CVD).

Chemische dampafzetting (CVD): dit is de mainstream -methode om silicium -epitaxie te bereiken. De basisprincipes zijn:

● Voorlopertransport: Gas met siliciumelement (voorloper), zoals silaan (SIH4), dichlorosilaan (SIH2CL2) of trichlorosilaan (Sihcl3), en dopant gas (zoals fosfine pH3 voor n-type doping en doping en doping en doping en doping en doping met een hoog-temperatuur en een hoog-tempere-reactiekamer.

● Oppervlakte -reactie: Bij hoge temperaturen (meestal tussen 900 ° C en 1200 ° C), ondergaan deze gassen chemische ontleding of reactie op het oppervlak van het verwarmde siliciumsubstraat. Bijvoorbeeld SIH4 → Si (vast)+2H2 (gas).

● Oppervlakte -migratie en nucleatie: De siliciumatomen geproduceerd door ontleding worden geadsorbeerd naar het substraatoppervlak en migreren op het oppervlak, uiteindelijk vinden ze de rechter roosterplaats om te combineren en een nieuwe single te vormenkristallaag. De kwaliteit van epitaxiale groei silicium hangt grotendeels af van de controle van deze stap.

● Gelaagde groei: De nieuw afgezette atoomlaag herhaalt continu de roosterstructuur van het substraat, groeit laag door laag en vormt een epitaxiale siliciumlaag met een specifieke dikte.

Belangrijkste procesparameters: de kwaliteit van het silicium -epitaxieproces wordt strikt gecontroleerd en de belangrijkste parameters omvatten:

● Temperatuur: beïnvloedt de reactiesnelheid, oppervlaktemobiliteit en defectvorming.

● Druk: beïnvloedt het gastransport- en reactiepad.

● Gasstroom en verhouding: bepaalt de groeisnelheid en dopingconcentratie.

● Substraatoppervlak netheid: Elke verontreiniging kan de oorsprong van defecten zijn.

● Andere technologieën: Hoewel CVD de mainstream is, kunnen technologieën zoals moleculaire bundelpitaxie (MBE) ook worden gebruikt voor silicium -epitaxie, vooral in R&D of speciale toepassingen die een extreem hoge precisiecontrole vereisen.MBE verdampt direct siliciumbronnen in een ultrahoge vacuümomgeving, en atomaire of moleculaire balken worden direct geprojecteerd op het substraat voor groei.

Ⅲ. Specifieke toepassingen van silicium epitaxy -technologie in de productie van halfgeleiders

Silicium Epitaxy -technologie heeft het toepassingsbereik van siliciummaterialen aanzienlijk uitgebreid en is een onmisbaar onderdeel van de productie van vele geavanceerde halfgeleiderapparaten.

● CMOS -technologie: In krachtige logische chips (zoals CPU's en GPU's), wordt een laag gedoteerde (p− of n−) epitaxiale siliciumlaag vaak gekweekt op een zwaar gedoteerd (p+ of n+) substraat. Deze epitaxiale siliciumwaferstructuur kan het opsluitingseffect effectief onderdrukken (opsluiting), de betrouwbaarheid van het apparaat verbeteren en de lage weerstand van het substraat behouden, dat bevorderlijk is voor de huidige geleiding en warmtedissipatie.

● Bipolaire transistors (BJT) en BICMOS: In deze apparaten wordt silicium -epitaxie gebruikt om structuren zoals het basis- of verzamelgebied nauwkeurig te construeren, en de versterking, snelheid en andere kenmerken van de transistor worden geoptimaliseerd door de dopingconcentratie en dikte van de epitaxiale laag te regelen.

● Beeldsensor (cis): In sommige beeldsensor -toepassingen kunnen epitaxiale siliciumwafels de elektrische isolatie van pixels verbeteren, overspraak verminderen en de foto -elektrische conversie -efficiëntie optimaliseren. De epitaxiale laag biedt een schoner en minder defect actief gebied.

● Geavanceerde procesknooppunten: Naarmate de apparaatgrootte blijft krimpen, worden de vereisten voor materiaaleigenschappen steeds hoger. Silicium epitaxy -technologie, inclusief selectieve epitaxiale groei (SEG), wordt gebruikt om gespannen silicium of silicium germanium (SIGE) epitaxiale lagen in specifieke gebieden te kweken in specifieke gebieden om de mobiliteit van de dragers te verbeteren en dus de snelheid van transistoren te verhogen.

Horizonale epitaxiale susceptor voor silicium -epitaxie

Ⅳ.Problemen en uitdagingen van Silicon Epitaxy -technologie

Hoewel silicium epitaxy -technologie volwassen en veel wordt gebruikt, zijn er nog steeds enkele uitdagingen en problemen in de epitaxiale groei van het siliciumproces:

● Defectbesturing: Verschillende kristalafwijkingen zoals stapelfouten, dislocaties, sliplijnen, enz. Kunnen worden gegenereerd tijdens epitaxiale groei. Deze defecten kunnen de elektrische prestaties, betrouwbaarheid en opbrengst van het apparaat ernstig beïnvloeden. Het beheersen van defecten vereist een extreem schone omgeving, geoptimaliseerde procesparameters en hoogwaardige substraten.

● Uniformiteit: Het bereiken van een perfecte uniformiteit van epitaxiale laagdikte en dopingconcentratie op grote siliciumwafels (zoals 300 mm) is een voortdurende uitdaging. Niet-uniformiteit kan leiden tot verschillen in apparaatprestaties op dezelfde wafer.

● Autodoping: Tijdens het epitaxiale groeiproces kunnen doteermiddelen met hoge concentratie in het substraat de groeiende epitaxiale laag binnenkomen door gasfasediffusie of diffusie van vaste toestand, waardoor de epitaxiale laag doteringsconcentratie wordt afgeweken van de verwachte waarde, vooral in de buurt van het interface tussen de epitaxiale laag en de substraat. Dit is een van de problemen die moeten worden aangepakt in het silicium -epitaxie -proces.

● Oppervlaktemorfologie: Het oppervlak van de epitaxiale laag moet zeer vlak blijven en eventuele ruwheid of oppervlaktedefecten (zoals waas) zullen de daaropvolgende processen zoals lithografie beïnvloeden.

● Kosten: Vergeleken met gewone gepolijste siliciumwafels voegt de productie van epitaxiale siliciumwafels extra processtappen en investeringen in apparatuur toe, wat resulteert in hogere kosten.

● Uitdagingen van selectieve epitaxie: In geavanceerde processen stelt selectieve epitaxiale groei (alleen groei op specifieke gebieden) hogere eisen aan procescontrole, zoals selectiviteit van groeisnelheid, controle van laterale overgroei, enz.

Ⅴ.Conclusie

Als een belangrijke voorbereidingstechnologie voor het voorbereiden van halfgeleiders, de kernfunctie vansilicium epitaxieis het vermogen om hoogwaardige single-kristal epitaxiale siliciumlagen nauwkeurig te laten groeien met specifieke elektrische en fysische eigenschappen op siliciumsubstraten met één kristal. Door precieze controle van parameters zoals temperatuur, druk en luchtstroom in het siliciumepitaxieproces, kunnen de laagdikte en dopingverdeling worden aangepast om te voldoen aan de behoeften van verschillende halfgeleidertoepassingen zoals CMO's, vermogensapparaten en sensoren.

Hoewel epitaxiale groei van silicium geconfronteerd wordt met uitdagingen zoals defectcontrole, uniformiteit, zelfdoping en kosten, met de continue vooruitgang van technologie, is silicium epitaxie nog steeds een van de kerndrijvende krachten voor het bevorderen van prestatieverbetering en functionele innovatie van halfgeleiderapparaten, en zijn positie in epitaxiale silicon-productie is irreplanteerbaar.