Características da epitaxia de silício

Epitaxia de silícioé um processo básico crucial na fabricação moderna de semicondutores. Refere-se ao processo de crescimento de uma ou mais camadas de filmes finos de silício de cristal único com estrutura cristalina específica, espessura, concentração de doping e tipo em um substrato de silício de cristal único com precisão polida. Este filme cultivado é chamado de camada epitaxial (camada epitaxial ou camada EPI), e uma bolacha de silício com uma camada epitaxial é chamada de bolacha de silício epitaxial. Sua característica central é que a recém -cultivada camada de silício epitaxial é uma continuação da estrutura da rede de substrato na cristalografia, mantendo a mesma orientação de cristal que o substrato, formando uma estrutura cristalina única perfeita. Isso permite que a camada epitaxial tenha propriedades elétricas projetadas com precisão diferentes das do substrato, fornecendo uma base para a fabricação de dispositivos semicondutores de alto desempenho.

Susceptador epitaxial vertical para epitaxia de silício

Ⅰ. O que é epitaxia de silício?

1) Definição: A epitaxia de silício é uma tecnologia que deposita átomos de silício em um substrato de silício de cristal único por métodos químicos ou físicos e os organiza de acordo com a estrutura da rede de substrato para cultivar um novo filme fino de silício de cristal único.

2) Combinação de treliça: A característica principal é a ordem do crescimento epitaxial. Os átomos de silício depositados não são empilhados aleatoriamente, mas são dispostos de acordo com a orientação do cristal do substrato sob a orientação do "modelo" fornecido pelos átomos na superfície do substrato, atingindo a replicação precisa de nível atômico. Isso garante que a camada epitaxial seja um cristal único de alta qualidade, em vez de policristalino ou amorfo.

3) Controlabilidade: O processo de epitaxia de silício permite o controle preciso da espessura da camada de crescimento (de nanômetros a micrômetros), o tipo de doping (tipo n ou p-tipo) e a concentração de doping. Isso permite que regiões com diferentes propriedades elétricas sejam formadas na mesma bolacha de silício, que é a chave para a fabricação de circuitos integrados complexos.

4) Características da interface: Uma interface é formada entre a camada epitaxial e o substrato. Idealmente, essa interface é atomicamente plana e livre de contaminação. No entanto, a qualidade da interface é fundamental para o desempenho da camada epitaxial, e quaisquer defeitos ou contaminação podem afetar o desempenho final do dispositivo.

Ⅱ. Princípios de epitaxia de silício

O crescimento epitaxial do silício depende principalmente de fornecer a energia e o ambiente certos para os átomos de silício migrarem da superfície do substrato e encontrar a posição mais baixa da rede de energia para combinação. A tecnologia mais usada no momento é a deposição de vapor químico (CVD).

Deposição de vapor químico (DCV): Este é o método convencional para obter epitaxia de silício. Seus princípios básicos são:

● Transporte precursor: Elemento de silício contendo gás (precursor), como silano (SIH4), diclorossilano (SiH2Cl2) ou triclorossilano (SiHCl3) e gás dopante (como fosfina ph3 para mixagem e mixagem de diborano B2H6 para as doações de pó de imagens) são as respostas de imóveis).

● Reação da superfície: Em altas temperaturas (geralmente entre 900 ° C e 1200 ° C), esses gases sofrem decomposição química ou reação na superfície do substrato aquecido de silício. Por exemplo, SiH4 → Si (sólido)+2H2 (gás).

● Surface migration and nucleation: Os átomos de silício produzidos por decomposição são adsorvidos à superfície do substrato e migram na superfície, eventualmente encontrando o local da rede certa para combinar e começar a formar um novo únicocamada de cristal. A qualidade do silício de crescimento epitaxial depende em grande parte do controle desta etapa.

● Crescimento em camadas: A camada atômica recém -depositada repete continuamente a estrutura da treliça do substrato, cresce camada por camada e forma uma camada epitaxial de silício com uma espessura específica.

Parâmetros principais do processo: a qualidade do processo de epitaxia do silício é estritamente controlada e os principais parâmetros incluem:

● Temperatura: afeta a taxa de reação, a mobilidade da superfície e a formação de defeitos.

● Pressão: Afeta o transporte de gás e o caminho da reação.

● Fluxo de gás e proporção: determina a taxa de crescimento e a concentração de doping.

● Limpeza da superfície do substrato: Qualquer contaminante pode ser a origem dos defeitos.

● Outras tecnologias: Embora a CVD seja o mainstream, tecnologias como epitaxia de feixe molecular (MBE) também podem ser usadas para epitaxia de silício, especialmente em P&D ou aplicações especiais que requerem controle de precisão extremamente alto.O MBE evapora diretamente as fontes de silício em um ambiente de vácuo ultra-alto, e as vigas atômicas ou moleculares são projetadas diretamente no substrato para o crescimento.

Ⅲ. Aplicações específicas da tecnologia de epitaxia de silício na fabricação de semicondutores

A tecnologia de epitaxia de silício expandiu bastante a gama de aplicações de materiais de silício e é uma parte indispensável da fabricação de muitos dispositivos semicondutores avançados.

● Tecnologia CMOS; Essa estrutura epitaxial de wafer de silício pode efetivamente suprimir o efeito de trava (trava), melhorar a confiabilidade do dispositivo e manter a baixa resistência do substrato, que é propício à condução atual e à dissipação de calor.

● Transistores bipolares (BJT) e bicmos;

● Sensor de imagem (CIS): Em algumas aplicações de sensores de imagem, as bolachas de silício epitaxial podem melhorar o isolamento elétrico dos pixels, reduzir a interferência e otimizar a eficiência da conversão fotoelétrica. A camada epitaxial fornece uma área ativa mais limpa e menos defeituosa.

● Nós de processo avançados: À medida que o tamanho do dispositivo continua diminuindo, os requisitos para propriedades do material estão cada vez mais altos. A tecnologia de epitaxia de silício, incluindo crescimento epitaxial seletivo (SEG), é usado para cultivar camadas epitaxiais de silício ou silício de silício (SIGE) em áreas específicas para melhorar a mobilidade dos portadores e, assim, aumentar a velocidade dos transistores.

Susceptador epitaxial horizonal para epitaxia de silício

Ⅳ.Problemas e desafios da tecnologia de epitaxia de silício

Embora a tecnologia de epitaxia de silício seja madura e amplamente utilizada, ainda existem alguns desafios e problemas no crescimento epitaxial do processo de silício:

● Controle de defeitos: Vários defeitos de cristal, como empilhamento, falhas, deslocamentos, linhas de deslizamento etc. podem ser geradas durante o crescimento epitaxial. Esses defeitos podem afetar seriamente o desempenho elétrico, a confiabilidade e o rendimento do dispositivo. Os defeitos de controle requer um ambiente extremamente limpo, parâmetros de processo otimizados e substratos de alta qualidade.

● Uniformidade: Alcançar a uniformidade perfeita da espessura da camada epitaxial e a concentração de doping em bolachas de silício de tamanho grande (como 300 mm) é um desafio contínuo. A não uniformidade pode levar a diferenças no desempenho do dispositivo na mesma bolacha.

● AutoDODOPING: Durante o processo de crescimento epitaxial, os dopantes de alta concentração no substrato podem entrar na crescente camada epitaxial através da difusão da fase gasosa ou difusão de estado sólido, causando a concentração de dopagem por camada epitaxial se desvia do valor esperado, especialmente próximo à interface entre a camada epitaxial e o subtrato. Este é um dos problemas que precisam ser abordados no processo de epitaxia do silício.

● Morfologia da superfície: A superfície da camada epitaxial deve permanecer altamente plana, e qualquer rugosidade ou defeitos da superfície (como a neblina) afetará processos subsequentes, como litografia.

● Custo: Comparado com as bolachas de silício polidas comuns, a produção de bolachas de silício epitaxial adiciona etapas adicionais de processo e investimento em equipamentos, resultando em custos mais altos.

● Desafios de epitaxia seletiva: Em processos avançados, o crescimento epitaxial seletivo (crescimento somente em áreas específicas) atribui maiores demandas no controle de processos, como seletividade da taxa de crescimento, controle do crescimento lateral, etc.

Ⅴ.Conclusão

Como uma importante tecnologia de preparação de material semicondutores, a principal característica deepitaxia de silícioé a capacidade de cultivar com precisão as camadas de silício epitaxial de cristal único de alta qualidade com propriedades elétricas e físicas específicas em substratos de silício de cristal único. Através do controle preciso de parâmetros como temperatura, pressão e fluxo de ar no processo de epitaxia do silício, a espessura da camada e a distribuição de doping podem ser personalizadas para atender às necessidades de várias aplicações de semicondutores, como CMOs, dispositivos de potência e sensores.

Embora o crescimento epitaxial de silício enfrente desafios, como controle de defeitos, uniformidade, auto-dopagem e custo, com o avanço contínuo da tecnologia, a epitaxia de silício ainda é uma das principais forças motrizes para promover a melhoria do desempenho e a inovação funcional de dispositivos semicondutores e sua posição na epitaxial Silicon Wafer Mufforming IsReplactoring IsReplacturing IsReplacturing IsReplactors Irrenditores.