Eigenschaften der Silizium -Epitaxie

Silizium -Epitaxieist ein entscheidender Grundprozess in der modernen Halbleiterherstellung. Es bezieht sich auf den Prozess des Anbaus einer oder mehrere Schichten von Einzelkristall-Silizium-Dünnfilmen mit spezifischer Kristallstruktur, Dicke, Dopingkonzentration und Typ auf einem präzise polierten Einzelkristall-Silizium-Substrat. Dieser erwachsene Film wird als epitaxiale Schicht (epitaxiale Schicht oder EPI -Schicht) bezeichnet, und ein Siliziumwafer mit einer epitaxialen Schicht wird als epitaxiale Siliziumwafer bezeichnet. Das Kerncharakteristik ist, dass die neu angebaute epitaxiale Siliziumschicht eine Fortsetzung der Substratgitterstruktur in der Kristallographie ist und die gleiche Kristallorientierung wie das Substrat aufrechterhalten und eine perfekte Einkristallstruktur bildet. Dies ermöglicht es der epitaxialen Schicht, präzise entworfene elektrische Eigenschaften zu haben, die sich von denen des Substrats unterscheiden und somit eine Grundlage für die Herstellung von Hochleistungs-Halbleiter-Geräten für Hochleistungs-Halbleiter bieten.

Vertiale epitaxiale Suszeptor für die Silizium -Epitaxie

Ⅰ. Was ist Silizium -Epitaxie?

1) Definition: Silizium-Epitaxie ist eine Technologie, die Siliziumatome auf einem einkristallistischen Silizium-Substrat durch chemische oder physikalische Methoden einleitet und sie gemäß der Substratgitterstruktur arrangiert, um einen neuen Einzelkristall-Silizium-Dünnfilm anzubauen.

2） Gitterübereinstimmung: Das Kernmerkmal ist die Ordnung des epitaxialen Wachstums. Die deponierten Siliziumatome sind nicht zufällig gestapelt, sondern gemäß der Kristallausrichtung des Substrats unter der Anleitung der "Vorlage", die durch die Atome auf der Oberfläche des Substrats bereitgestellt wird, wodurch eine präzise Replikation auf Atomebene erreicht wird. Dies stellt sicher, dass die epitaxiale Schicht eher ein hochwertiger einzelnen Kristall als polykristallin oder amorph ist.

3） Kontrollierbarkeit: Der Silizium-Epitaxieprozess ermöglicht eine präzise Kontrolle der Dicke der Wachstumsschicht (von Nanometern bis Mikrometern), des Doping-Typs (N-Typ oder P-Typ) und der Dopingkonzentration. Auf diese Weise können Regionen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften auf demselben Siliziumwafer gebildet werden, was der Schlüssel zur Herstellung komplexer integrierter Schaltungen ist.

4） Schnittstelleneigenschaften: Eine Schnittstelle wird zwischen der epitaxialen Schicht und dem Substrat gebildet. Idealerweise ist diese Schnittstelle atomisch flach und kontaminationsfrei. Die Qualität der Schnittstelle ist jedoch für die Leistung der epitaxialen Schicht von entscheidender Bedeutung, und alle Defekte oder Kontaminationen können die endgültige Leistung des Geräts beeinflussen.

Ⅱ. Prinzipien der Silizium -Epitaxie

Das epitaxiale Wachstum von Silizium hängt hauptsächlich davon ab, dass Siliziumatome die richtige Energie und Umgebung bereitstellen, um auf der Oberfläche des Substrats zu wandern und die niedrigste Energieposition für die Kombination zu finden. Die derzeit am häufigsten verwendete Technologie ist die chemische Dampfabscheidung (CVD).

Chemische Dampfabscheidung (CVD): Dies ist die Mainstream -Methode zur Erreichung von Siliziumpitaxie. Seine Grundprinzipien sind:

● Vorläufertransport: Gas enthalten Siliziumelement (Vorläufer) wie Silan (SiH4), Dichlorosilan (SiH2Cl2) oder Trichlorsisilan (SiHCl3) und Dopanzgas (wie Phosphin-PH3 für N-Typ-Doping-Doping und Diboran-B2H6 für P-Typ-Doping-Doping-Doping-Doping-Doping-Doping-Doping-Doping-Doping-Doping-Doping-Doping-Doping-Dop-Doping.

● Oberflächenreaktion: Bei hohen Temperaturen (normalerweise zwischen 900 ° C und 1200 ° C) werden diese Gase auf der Oberfläche des erhitzten Siliziumsubstrats chemischer Zersetzung oder Reaktion unterzogen. Zum Beispiel sih4 → Si (fest)+2H2 (Gas).

● Oberflächenmigration und Keimbildung: Die durch Zersetzung erzeugten Siliziumatome werden an die Substratoberfläche adsorbiert und wandern auf der Oberfläche, wodurch schließlich die rechte Gitterstelle gefunden wird, um eine neue Single zu kombinieren und zu bildenKristallschicht. Die Qualität des epitaxialen Wachstums Silizium hängt weitgehend von der Kontrolle dieses Schritts ab.

● Schichtwachstum: Die neu deponierte Atomschicht wiederholt die Gitterstruktur des Substrats kontinuierlich, wächst Schicht für Schicht und bildet eine epitaxiale Siliziumschicht mit einer bestimmten Dicke.

Schlüsselprozessparameter: Die Qualität des Silizium -Epitaxieprozesses wird streng gesteuert, und die Schlüsselparameter umfassen:

● Temperatur: beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit, die Oberflächenmobilität und die Formation des Fehlers.

● Druck: beeinflusst den Gastransport und den Reaktionspfad.

● Gasfluss und Verhältnis: bestimmt die Wachstumsrate und die Dopingkonzentration.

● Substratoberfläche Sauberkeit: Jede Verunreinigung kann der Ursprung von Mängel sein.

● Andere Technologien: Obwohl CVD der Mainstream ist, können Technologien wie Molekularstrahl -Epitaxie (MBE) auch für die Silizium -Epitaxie verwendet werden, insbesondere bei F & E oder speziellen Anwendungen, die eine extrem hohe Präzisionskontrolle erfordern.MBE verdampft Siliziumquellen in einer ultrahohen Vakuumumgebung direkt und atomare oder molekulare Strahlen werden direkt auf das Substrat projiziert.

Ⅲ. Spezifische Anwendungen der Silizium -Epitaxy -Technologie in der Herstellung von Halbleitern

Die Silizium -Epitaxy -Technologie hat den Anwendungsbereich von Siliziummaterialien erheblich erweitert und ist ein unverzichtbarer Bestandteil der Herstellung vieler fortschrittlicher Halbleitergeräte.

● CMOS -Technologie: In Hochleistungs-Logikchips (wie CPUs und GPUs) wird eine epitaxiale Siliziumschicht mit niedrig dotiertem (p-oder n-) häufig auf einem stark dotierten (p+ oder n+) Substrat gezüchtet. Diese epitaxiale Silizium-Wafer-Struktur kann den Verriegelungseffekt (Verriegelung) effektiv unterdrücken, die Zuverlässigkeit der Geräte verbessern und den niedrigen Widerstand des Substrats aufrechterhalten, was für die Stromleitung und die Wärmeableitung förderlich ist.

● Bipolare Transistoren (BJT) und Bicmos: In diesen Geräten wird die Silizium -Epitaxie verwendet, um Strukturen wie die Basis- oder Kollektorregion genau zu konstruieren, und die Verstärkung, Geschwindigkeit und andere Eigenschaften des Transistors werden durch Steuerung der Dopingkonzentration und Dicke der epitaxialen Schicht optimiert.

● Bildsensor (cis): In einigen Bildsensoranwendungen können epitaxiale Siliziumwafer die elektrische Isolierung von Pixeln verbessern, das Übersprechen reduzieren und die photoelektrische Umwandlungseffizienz optimieren. Die epitaxiale Schicht bietet einen saubereren und weniger defekten aktiven Bereich.

● Erweiterte Prozessknoten: Wenn die Gerätegröße weiter schrumpft, werden die Anforderungen an Materialeigenschaften immer höher. Die Silizium -Epitaxy -Technologie, einschließlich selektives epitaxielles Wachstum (SEG), wird verwendet, um angespannte epitaxiale Schichten von Silizium oder Silizium -Germanium (SIGE) in bestimmten Bereichen zu wachsen, um die Mobilität der Träger zu verbessern und somit die Geschwindigkeit der Transistoren zu erhöhen.

Horizonaler epitaxialer Suszeptor für Siliziumpitaxie

Ⅳ.Probleme und Herausforderungen der Silizium -Epitaxy -Technologie

Obwohl die Silizium -Epitaxy -Technologie ausgereift und weit verbreitet ist, gibt es immer noch einige Herausforderungen und Probleme beim epitaxialen Wachstum des Siliziumprozesses:

● Defektkontrolle: Verschiedene Kristalldefekte wie Stapelfehler, Versetzungen, Schlupfleitungen usw. können während des epitaxialen Wachstums erzeugt werden. Diese Defekte können die elektrische Leistung, Zuverlässigkeit und Ertrag des Geräts ernsthaft beeinflussen. Steuerungsfehler erfordert eine extrem saubere Umgebung, optimierte Prozessparameter und qualitativ hochwertige Substrate.

● Gleichmäßigkeit: Erreichen einer perfekten Gleichmäßigkeit der epitaxialen Schichtdicke und der Dopingkonzentration auf großen Siliziumwafern (z. B. 300 mm) ist eine fortlaufende Herausforderung. Ungleichmäßigkeit kann zu Unterschieden in der Geräteleistung auf demselben Wafer führen.

● Autodoping: Während des epitaxialen Wachstumsprozesses können Dotierstoffe mit hoher Konzentration im Substrat durch Gasphasendiffusion oder Festkörperdiffusion in die wachsende epitaxiale Schicht gelangen, was dazu führt, dass die epitaxiale Schicht-Dopingkonzentration vom erwarteten Wert abweichen, insbesondere in der Nähe der Grenzfläche zwischen der epitaktischen Schicht und dem Substrat. Dies ist eines der Probleme, die im Silizium -Epitaxieprozess behandelt werden müssen.

● Oberflächenmorphologie: Die Oberfläche der epitaxialen Schicht muss sehr flach bleiben, und jede Rauheit oder alle Oberflächendefekte (wie Dunst) beeinflussen nachfolgende Prozesse wie Lithographie.

● Kosten: Im Vergleich zu gewöhnlichen polierten Siliziumwafern führt die Produktion von epitaxialen Siliziumwafern zusätzliche Prozessschritte und Ausrüstungsinvestitionen hinzu, was zu höheren Kosten führt.

● Herausforderungen der selektiven Epitaxie: In fortgeschrittenen Prozessen stellt das selektive epitaxiale Wachstum (Wachstum nur in bestimmten Bereichen) höhere Anforderungen an die Prozesskontrolle, z. B. die Selektivität der Wachstumsrate, die Kontrolle des lateralen Überwachsens usw.

Ⅴ.Abschluss

Als wichtige Halbleitermaterialvorbereitungstechnologie des Kernmerkmals vonSilizium -Epitaxieist die Fähigkeit, hochwertige Single-Kristall-Epitaxial-Siliziumschichten mit spezifischen elektrischen und physikalischen Eigenschaften auf Einzelkristall-Silizium-Substraten genau zu züchten. Durch eine präzise Kontrolle von Parametern wie Temperatur, Druck und Luftstrom im Silizium -Epitaxieprozess können die Schichtdicke und die Dopingverteilung angepasst werden, um die Bedürfnisse verschiedener Halbleiteranwendungen wie CMOs, Stromversorgungsgeräte und Sensoren zu erfüllen.

Obwohl das epitaxiale Wachstum von Silizium vor Herausforderungen wie Defektkontrolle, Gleichmäßigkeit, Selbstdoping und Kosten mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie ist