Silikon epitaksinin özellikleri

Silikon epitaksimodern yarı iletken üretiminde çok önemli bir temel süreçtir. Hassas bir şekilde parlatılmış tek kristalli silikon substrat üzerinde spesifik kristal yapısı, kalınlığı, katkı konsantrasyonu ve türü olan bir veya daha fazla tek kristalli silikon ince film katmanının büyütülmesi sürecini ifade eder. Büyütülmüş bu filme epitaksiyel katman (Epitaksiyel Katman veya Epi Katman) adı verilir ve epitaksiyel katmana sahip bir silikon gofrete epitaksiyel silikon gofret adı verilir. Temel özelliği, yeni büyütülmüş epitaksiyel silikon katmanının, kristalografide substrat kafes yapısının bir devamı olması, substrat ile aynı kristal yönelimini koruyarak mükemmel bir tek kristal yapı oluşturmasıdır. Bu, epitaksiyel katmanın, alt tabakanınkinden farklı, hassas şekilde tasarlanmış elektriksel özelliklere sahip olmasını sağlar, böylece yüksek performanslı yarı iletken cihazların üretimi için bir temel sağlar.

Silikon Epitaksi için Dikey Epitaksiyel Süseptör

Ⅰ. Silikon Epitaksi Nedir?

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

2） Kafes eşleştirme: Temel özellik epitaksiyel büyümenin düzenliliğidir. Depolanan silikon atomları rastgele istiflenmez, ancak substratın yüzeyindeki atomlar tarafından sağlanan "şablonun" rehberliği altında substratın kristal yönelimine göre düzenlenir ve atomik seviyede hassas kopyalama sağlanır. Bu, epitaksiyel katmanın polikristal veya amorf yerine yüksek kaliteli tek kristal olmasını sağlar.

3） Kontrol Edilebilirlik: Silikon epitaksi işlemi, büyüme katmanının kalınlığının (nanometreden mikrometreye), katkı tipinin (N tipi veya P tipi) ve katkı konsantrasyonunun hassas kontrolünü sağlar. Bu, karmaşık entegre devrelerin imalatının anahtarı olan aynı silikon levha üzerinde farklı elektriksel özelliklere sahip bölgelerin oluşturulmasına olanak tanır.

4） Arayüz özellikleri: Epitaksiyel katman ile substrat arasında bir arayüz oluşturulur. İdeal olarak bu arayüz atomik olarak düzdür ve kirlenmez. Ancak arayüzün kalitesi, epitaksiyel katmanın performansı açısından kritik öneme sahiptir ve herhangi bir kusur veya kirlenme, cihazın nihai performansını etkileyebilir.

Ⅱ. Silikon epitaksinin prensipleri

Silisyumun epitaksiyel büyümesi esas olarak silikon atomlarının alt tabakanın yüzeyinde hareket etmesi ve kombinasyon için en düşük enerjili kafes konumunu bulması için doğru enerji ve ortamın sağlanmasına bağlıdır. Günümüzde en yaygın kullanılan teknoloji Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) teknolojisidir.

Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD): Bu, silikon epitaksiyi elde etmenin ana yöntemidir. Temel ilkeleri şunlardır:

● Öncü taşıma: Silan (SiH4), diklorosilan (SiH2Cl2) veya triklorosilan (SiHCl3) gibi silikon elementi (öncü) içeren gaz ve katkı gazı (N tipi katkılama için fosfin PH3 ve P tipi katkılama için diboran B2H6 gibi) hassas oranlarda karıştırılır ve yüksek sıcaklıktaki bir reaksiyon odasına gönderilir.

● Yüzey reaksiyonu: Yüksek sıcaklıklarda (genellikle 900°C ile 1200°C arasında), bu gazlar ısıtılmış silikon substratın yüzeyinde kimyasal ayrışmaya veya reaksiyona girer. Örneğin, SiH4→Si(katı)+2H2(gaz).

● Yüzey göçü ve çekirdeklenme: Ayrışmayla üretilen silikon atomları substrat yüzeyine adsorbe edilir ve yüzey üzerinde hareket eder, sonunda birleşecek doğru kafes bölgesini bulur ve yeni bir tek parça oluşturmaya başlarkristal katman. Epitaksiyel büyüme silikonunun kalitesi büyük ölçüde bu adımın kontrolüne bağlıdır.

● Katmanlı büyüme: Yeni biriken atomik katman, alt tabakanın kafes yapısını sürekli olarak tekrarlar, katman katman büyür ve belirli bir kalınlığa sahip epitaksiyel bir silikon katman oluşturur.

Anahtar işlem parametreleri: Silikon epitaksi işleminin kalitesi sıkı bir şekilde kontrol edilir ve anahtar parametreler şunları içerir:

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

● Basınç: Gaz taşınmasını ve reaksiyon yolunu etkiler.

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

● Yüzey temizliği: Herhangi bir kirletici, kusurların kaynağı olabilir.

● Diğer teknolojiler: CVD ana akım olmasına rağmen Moleküler Işın Epitaksi (MBE) gibi teknolojiler, özellikle Ar-Ge'de veya son derece yüksek hassasiyetli kontrol gerektiren özel uygulamalarda silikon epitaksi için de kullanılabilir.MBE, silikon kaynaklarını ultra yüksek vakum ortamında doğrudan buharlaştırır ve atomik veya moleküler ışınlar, büyüme için doğrudan alt tabakaya yansıtılır.

Ⅲ. Yarı iletken üretiminde silikon epitaksi teknolojisinin özel uygulamaları

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

● CMOS teknolojisi: Yüksek performanslı mantık yongalarında (CPU'lar ve GPU'lar gibi), düşük katkılı (P− veya N−) epitaksiyel silikon katman genellikle yoğun katkılı (P+ veya N+) bir alt tabaka üzerinde büyütülür. Bu epitaksiyel silikon levha yapısı, mandallama etkisini (Mandallama) etkili bir şekilde bastırabilir, cihazın güvenilirliğini artırabilir ve alt tabakanın, akım iletimi ve ısı dağılımına yardımcı olan düşük direncini koruyabilir.

● Bipolar transistörler (BJT) ve BiCMOS: Bu cihazlarda, baz veya toplayıcı bölge gibi yapıları doğru bir şekilde oluşturmak için silikon epitaksi kullanılır ve epitaksiyel tabakanın katkı konsantrasyonu ve kalınlığı kontrol edilerek transistörün kazancı, hızı ve diğer özellikleri optimize edilir.

● Görüntü sensörü (CIS): Bazı görüntü sensörü uygulamalarında, epitaksiyel silikon plakalar piksellerin elektriksel izolasyonunu iyileştirebilir, karışmayı azaltabilir ve fotoelektrik dönüşüm verimliliğini optimize edebilir. Epitaksiyel katman daha temiz ve daha az kusurlu bir aktif alan sağlar.

● Gelişmiş süreç düğümleri: Cihaz boyutu küçülmeye devam ettikçe malzeme özelliklerine yönelik gereksinimler de giderek artıyor. Seçici epitaksiyel büyümeyi (SEG) içeren silikon epitaksi teknolojisi, taşıyıcı hareketliliğini geliştirmek ve dolayısıyla transistörlerin hızını artırmak için belirli alanlarda gergin silikon veya silikon germanyum (SiGe) epitaksiyel katmanları büyütmek için kullanılır.

Silikon Epitaksi için Yatay Epitaksiyel Süseptör

Ⅳ.Silikon epitaksi teknolojisinin sorunları ve zorlukları

Silikon epitaksi teknolojisi olgunlaşmış ve yaygın olarak kullanılmasına rağmen, silikon işleminin epitaksiyel büyümesinde hala bazı zorluklar ve problemler bulunmaktadır:

● Kusur kontrolü: Epitaksiyel büyüme sırasında istifleme hataları, dislokasyonlar, kayma çizgileri vb. gibi çeşitli kristal kusurları oluşturulabilir. Bu kusurlar cihazın elektriksel performansını, güvenilirliğini ve verimini ciddi şekilde etkileyebilir. Kusurların kontrol altına alınması son derece temiz bir ortam, optimize edilmiş işlem parametreleri ve yüksek kaliteli alt tabakalar gerektirir.

● Tekdüzelik: Büyük boyutlu silikon plakalar (300 mm gibi) üzerinde epitaksiyel katman kalınlığı ve doping konsantrasyonunun mükemmel tekdüzeliğine ulaşmak, devam eden bir zorluktur. Tekdüzelik, aynı plaka üzerinde cihaz performansında farklılıklara yol açabilir.

● Otomatik doping: Epitaksiyel büyüme süreci sırasında, substrattaki yüksek konsantrasyonlu katkı maddeleri, gaz fazı difüzyonu veya katı hal difüzyonu yoluyla büyüyen epitaksiyel katmana girebilir ve epitaksiyel katman doping konsantrasyonunun, özellikle epitaksiyel katman ile substrat arasındaki arayüzün yakınında beklenen değerden sapmasına neden olabilir. Silikon epitaksi işleminde ele alınması gereken konulardan biri de budur.

● Yüzey morfolojisi: Epitaksiyel tabakanın yüzeyi oldukça düz kalmalıdır ve herhangi bir pürüzlülük veya yüzey kusuru (pus gibi) litografi gibi sonraki işlemleri etkileyecektir.

● Maliyet: Sıradan cilalı silikon levhalarla karşılaştırıldığında, epitaksiyel silikon levhaların üretimi ilave işlem adımları ve ekipman yatırımı ekleyerek daha yüksek maliyetlere neden olur.

● Seçici Epitaksinin Zorlukları: Gelişmiş işlemlerde, seçici epitaksiyel büyüme (yalnızca belirli alanlarda büyüme), büyüme hızının seçiciliği, yanal aşırı büyümenin kontrolü vb. gibi süreç kontrolüne daha yüksek talepler getirir.

Ⅴ.Çözüm

Önemli bir yarı iletken malzeme hazırlama teknolojisi olarak, temel özelliğisilikon epitaksitek kristalli silikon substratlar üzerinde belirli elektriksel ve fiziksel özelliklere sahip yüksek kaliteli tek kristalli epitaksiyel silikon katmanlarını doğru bir şekilde büyütme yeteneğidir. Silikon epitaksi işleminde sıcaklık, basınç ve hava akışı gibi parametrelerin hassas kontrolü sayesinde katman kalınlığı ve katkılama dağılımı, CMOS, güç cihazları ve sensörler gibi çeşitli yarı iletken uygulamaların ihtiyaçlarını karşılayacak şekilde özelleştirilebilir.

Silikonun epitaksiyel büyümesi, teknolojinin sürekli ilerlemesiyle birlikte kusur kontrolü, tekdüzelik, kendi kendine doping ve maliyet gibi zorluklarla karşı karşıya kalsa da, silikon epitaksi hala yarı iletken cihazların performans iyileştirmesini ve işlevsel yeniliğini teşvik etmek için temel itici güçlerden biridir ve epitaksiyel silikon levha üretimindeki konumu yeri doldurulamaz.