Silikon epitaksinin özellikleri

Silikon epitaksimodern yarı iletken üretiminde önemli bir temel süreçtir. Spesifik kristal yapı, kalınlık, doping konsantrasyonu ve tam olarak cilalanmış tek kristal silikon substrat üzerinde tipte bir veya daha fazla katman tek kristal silikon ince film yetiştirme işlemini ifade eder. Bu yetişkin filme epitaksiyal bir tabaka (epitaksiyal tabaka veya EPI tabakası) denir ve epitaksiyal tabakaya sahip bir silikon gofret epitaksiyal silikon gofret olarak adlandırılır. Çekirdek karakteristiği, yeni yetiştirilen epitaksiyal silikon tabakasının, kristalografideki substrat kafes yapısının bir devamı olması ve substrat ile aynı kristal yönünü koruyarak, mükemmel bir tek kristal yapı oluşturmasıdır. Bu, epitaksiyal tabakanın substratınkinden farklı olan tam olarak tasarlanmış elektriksel özelliklere sahip olmasını sağlar, böylece yüksek performanslı yarı iletken cihazların üretimi için bir temel sağlar.

Silikon epitaksi için dikey epitaksiyal sensör

Ⅰ. Silikon epitaksi nedir?

1) Tanım: Silikon epitaksi, kimyasal veya fiziksel yöntemlerle tek kristalli bir silikon substrat üzerine silikon atomlarını biriktiren ve yeni bir tek kristal silikon ince film yetiştirmek için substrat kafes yapısına göre düzenleyen bir teknolojidir.

2） kafes eşleşmesi: Temel özellik epitaksiyal büyümenin sırasıdır. Biriken silikon atomları rastgele istiflenmez, ancak substratın alt tabakanın yüzeyindeki atomlar tarafından sağlanan "şablon" rehberliğinde, atom düzeyinde hassas replikasyon sağlayarak alt tabakanın kristal yönüne göre düzenlenir. Bu, epitaksiyal tabakanın polikristalin veya amorf yerine yüksek kaliteli bir tek kristal olmasını sağlar.

3） Kontrol edilebilirlik: Silikon epitaksi işlemi, büyüme tabakasının kalınlığının (nanometrelerden mikrometrelere), doping tipinin (N-tipi veya P-tipi) ve doping konsantrasyonunun kesin kontrolünü sağlar. Bu, farklı elektriksel özelliklere sahip bölgelerin, karmaşık entegre devrelerin üretilmesinin anahtarı olan aynı silikon gofret üzerinde oluşmasını sağlar.

4） Arayüz özellikleri: Epitaksiyal tabaka ve substrat arasında bir arayüz oluşur. İdeal olarak, bu arayüz atomik olarak düz ve kontaminasyon içermez. Bununla birlikte, arayüzün kalitesi epitaksiyal tabakanın performansı için kritiktir ve herhangi bir kusur veya kontaminasyon cihazın nihai performansını etkileyebilir.

Ⅱ. Silikon epitaksinin ilkeleri

Silikonun epitaksiyal büyümesi esas olarak silikon atomlarının substratın yüzeyinde göç etmesini ve kombinasyon için en düşük enerji kafes konumunu bulması için doğru enerji ve çevreyi sağlamaya bağlıdır. Şu anda en sık kullanılan teknoloji kimyasal buhar birikimi (CVD).

Kimyasal buhar birikimi (CVD): Bu, silikon epitaksisini elde etmek için ana akım yöntemdir. Temel ilkeleri:

● Öncü taşımacılık: Silan (SIH4), diklorosilan (SIH2CL2) veya triklorosilan (SIHCL3) ve dopant gazı (N-tipi doping ve diboran B2H6 için fosfin pH3 gibi, P-Type doping için fosfin ph3 gibi silikon elemanı (öncü) içeren gaz, yüksek oranda yüksek oranda aktarılır.

● Yüzey reaksiyonu: Yüksek sıcaklıklarda (genellikle 900 ° C ile 1200 ° C arasında), bu gazlar ısıtılmış silikon substratın yüzeyinde kimyasal ayrışmaya veya reaksiyona tabi tutulur. Örneğin, SIH4 → Si (katı)+2H2 (gaz).

● Yüzey göçü ve çekirdeklenme: Ayrışma ile üretilen silikon atomları, substrat yüzeyine adsorbe edilir ve yüzeyde göç eder, sonunda yeni bir single'ı birleştirmek ve oluşturmaya başlamak için doğru kafes bölgesini bulur.Kristal Katman. Epitaksiyal büyüme silikonunun kalitesi büyük ölçüde bu adımın kontrolüne bağlıdır.

● Katmanlı büyüme: Yeni biriken atomik tabaka, substratın kafes yapısını sürekli olarak tekrarlar, tabakaya göre katmanı büyütür ve belirli bir kalınlığa sahip epitaksiyal bir silikon tabakası oluşturur.

Anahtar İşlem Parametreleri: Silikon epitaksi sürecinin kalitesi kesinlikle kontrol edilir ve anahtar parametreler şunları içerir:

● Sıcaklık: reaksiyon hızını, yüzey hareketliliğini ve kusur oluşumunu etkiler.

● Basınç: gaz taşımasını ve reaksiyon yolunu etkiler.

● Gaz akışı ve oranı: Büyüme hızını ve doping konsantrasyonunu belirler.

● Substrat yüzey temizliği: Herhangi bir kirletici kusurun kökeni olabilir.

● Diğer teknolojiler: CVD ana akım olmasına rağmen, moleküler ışın epitaksisi (MBE) gibi teknolojiler silikon epitaksisi için, özellikle Ar -Ge veya son derece yüksek hassasiyet kontrolü gerektiren özel uygulamalarda da kullanılabilir.MBE, ultra yüksek bir vakum ortamında silikon kaynaklarını doğrudan buharlaştırır ve atomik veya moleküler kirişler doğrudan büyüme için substrat üzerine yansıtılır.

Ⅲ. Yarıiletken üretiminde silikon epitaksi teknolojisinin spesifik uygulamaları

Silikon epitaksi teknolojisi, silikon malzemelerin uygulama aralığını büyük ölçüde genişletmiştir ve birçok gelişmiş yarı iletken cihazın üretiminin vazgeçilmez bir parçasıdır.

● CMOS teknolojisi: Yüksek performanslı mantık yongalarında (CPU'lar ve GPU'lar gibi), düşük katli (p− veya n−) epitaksiyal silikon tabakası genellikle ağır doped (p+ veya n+) substrat üzerinde büyür. Bu epitaksiyal silikon gofret yapısı, mandallama etkisini (mandallama) etkili bir şekilde baskılayabilir, cihaz güvenilirliğini artırabilir ve akım iletim ve ısı dağılmasına elverişli substratın düşük direncini koruyabilir.

● Bipolar transistörler (BJT) ve bicmos: Bu cihazlarda, silikon epitaksi, baz veya koleksiyoncu bölgesi gibi yapıları doğru bir şekilde inşa etmek için kullanılır ve transistörün kazancı, hızı ve diğer özellikleri epitaksiyal tabakanın doping konsantrasyonunu ve kalınlığını kontrol ederek optimize edilir.

● Görüntü Sensörü (CIS): Bazı görüntü sensörü uygulamalarında, epitaksiyal silikon gofretler piksellerin elektriksel izolasyonunu iyileştirebilir, çaprazlama azaltabilir ve fotoelektrik dönüşüm verimliliğini optimize edebilir. Epitaksiyal tabaka daha temiz ve daha az kusurlu bir aktif alan sağlar.

● Gelişmiş İşlem Düğümleri: Cihaz boyutu küçülmeye devam ettikçe, malzeme özellikleri için gereksinimler yükseliyor. Seçici epitaksiyal büyüme (SEG) dahil olmak üzere silikon epitaksi teknolojisi, taşıyıcı hareketliliğini artırmak ve böylece transistörlerin hızını arttırmak için belirli alanlarda süzülmüş silikon veya silikon germanyum (SIGE) epitaksiyal katmanları büyütmek için kullanılır.

Silikon epitaksi için horizonal epitaksiyal sensör

Ⅳ.Silikon epitaksi teknolojisinin sorunları ve zorlukları

Silikon epitaksi teknolojisi olgun ve yaygın olarak kullanılsa da, silikon sürecinin epitaksiyal büyümesinde hala bazı zorluklar ve sorunlar vardır:

● Kusur kontrolü: Epitaksiyal büyüme sırasında istifleme arızaları, çıkıklar, kayma çizgileri vb. Gibi çeşitli kristal kusurları üretilebilir. Bu kusurlar, cihazın elektrik performansını, güvenilirliğini ve verimini ciddi şekilde etkileyebilir. Kusurları kontrol etmek son derece temiz bir ortam, optimize edilmiş işlem parametreleri ve yüksek kaliteli substratlar gerektirir.

● Tekdüzelik: Epitaksiyal tabaka kalınlığının ve büyük boyutlu silikon gofretlerde (300 mm gibi) doping konsantrasyonunun mükemmel bir homojenliğine ulaşmak devam eden bir zorluktur. Tekdüzelik dışı, aynı gofrette cihaz performansında farklılıklara yol açabilir.

● Otomatik: Epitaksiyal büyüme işlemi sırasında, substrattaki yüksek konsantrasyon dopantları, büyüyen epitaksiyal tabakaya gaz fazı difüzyonu veya katı hal difüzyonu yoluyla girebilir, bu da epitaksiyal tabaka doping konsantrasyonunun, özellikle epitaksiyal tabaka ve substrat arasındaki arayüzün yakınında beklenen değerden sapmasına neden olur. Bu, silikon epitaksi sürecinde ele alınması gereken sorunlardan biridir.

● Yüzey morfolojisi: Epitaksiyal tabakanın yüzeyi oldukça düz kalmalıdır ve herhangi bir pürüzlülük veya yüzey kusurları (pus gibi) litografi gibi sonraki süreçleri etkileyecektir.

● Maliyet: Sıradan cilalı silikon gofretlerle karşılaştırıldığında, epitaksiyal silikon gofret üretimi ek süreç adımları ve ekipman yatırımı ekler ve bu da daha yüksek maliyetlere neden olur.

● Seçici epitaks zorlukları: İleri süreçlerde, seçici epitaksiyal büyüme (sadece belirli alanlarda büyüme), büyüme oranı seçiciliği, yanal aşırı büyümenin kontrolü vb.

Ⅴ.Çözüm

Temel bir yarı iletken malzeme hazırlama teknolojisi olarak, temel özelliğisilikon epitaksitek kristal silikon substratlar üzerinde spesifik elektrik ve fiziksel özelliklere sahip yüksek kaliteli tek kristal epitaksiyal silikon katmanları doğru bir şekilde büyütme yeteneğidir. Silikon epitaksi işleminde sıcaklık, basınç ve hava akışı gibi parametrelerin kesin kontrolü yoluyla, katman kalınlığı ve doping dağılımı, CMO'lar, güç cihazları ve sensörler gibi çeşitli yarı iletken uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için özelleştirilebilir.

Silikonun epitaksiyal büyümesi, kusur kontrolü, homojenlik, kendi kendine doping ve maliyet gibi zorluklarla karşı karşıya olsa da, teknolojinin sürekli ilerlemesi ile silikon epitaksi hala performans iyileştirmesini ve yarı iletken cihazların fonksiyonel yeniliğini teşvik etmek için temel itici güçlerden biridir ve epitaksiyal silis bagaj üretimidir.