Caratteristiche dell'epitassia del silicio

Epitassia del silicioè un processo di base cruciale nella moderna produzione di semiconduttori. Si riferisce al processo di crescita di uno o più strati di film sottili di silicio a cristallo singolo con specifica struttura cristallina, spessore, concentrazione di doping e tipo su un substrato di silicio a cristallo singolo con precisione. Questo film cresciuto si chiama strato epitassiale (strato epitassiale o strato EPI) e un wafer di silicio con uno strato epitassiale è chiamato wafer di silicio epitassiale. La sua caratteristica principale è che lo strato di silicio epitassiale appena cresciuto è una continuazione della struttura reticolare del substrato nella cristallografia, mantenendo lo stesso orientamento cristallino del substrato, formando una perfetta struttura a cristallo singolo. Ciò consente allo strato epitassiale di avere proprietà elettriche progettate con precisione diverse da quelle del substrato, fornendo così una base per la produzione di dispositivi a semiconduttore ad alte prestazioni.

Sussettore epitassiale verticale per epitassia al silicio

Ⅰ. Cos'è l'epitassia del silicio?

1) Definizione: Il silicio epitassia è una tecnologia che deposita gli atomi di silicio su un substrato di silicio a cristallo singolo con metodi chimici o fisici e li organizza secondo la struttura reticolare del substrato per far crescere un nuovo film sottile in silicio a cristallo singolo.

2） abbinamento reticolare: La caratteristica principale è l'ordine della crescita epitassiale. Gli atomi di silicio depositati non sono impilati in modo casuale, ma sono disposti in base all'orientamento cristallino del substrato sotto la guida del "modello" fornito dagli atomi sulla superficie del substrato, ottenendo una replica precisa a livello atomico. Ciò garantisce che lo strato epitassiale sia un singolo cristallo di alta qualità, piuttosto che policristallino o amorfo.

3） Controllabilità: Il processo di epitassia al silicio consente un controllo preciso dello spessore dello strato di crescita (dai nanometri ai micrometri), il tipo di doping (tipo N o P-Type) e la concentrazione di doping. Ciò consente di formare regioni con proprietà elettriche diverse sullo stesso wafer di silicio, che è la chiave per la produzione di circuiti integrati complessi.

4） Caratteristiche dell'interfaccia: Si forma un'interfaccia tra lo strato epitassiale e il substrato. Idealmente, questa interfaccia è atomicamente piatta e senza contaminazione. Tuttavia, la qualità dell'interfaccia è fondamentale per le prestazioni dello strato epitassiale e qualsiasi difetto o contaminazione può influire sulle prestazioni finali del dispositivo.

Ⅱ. Principi di silicio epitassia

La crescita epitassiale del silicio dipende principalmente dal fornire l'energia e l'ambiente giusto per gli atomi di silicio per migrare sulla superficie del substrato e trovare la posizione reticolare di energia più bassa per la combinazione. La tecnologia più comunemente usata al momento è la deposizione di vapore chimico (CVD).

Deposizione di vapore chimico (CVD): questo è il metodo mainstream per ottenere epitassia al silicio. I suoi principi di base sono:

● Trasporto precursore: Gas contenente elemento di silicio (precursore), come silano (sih4), diclorosilano (sih2cl2) o triclorosilano (sihcl3), e il gas drogante (come la fosfina PH3 per reazioni di tipo n-temperatura di tono naturale e superato a grave-temperatura chiorpazione e superato in un alolio di tono chiacchierato a chiodo emergibile e superato a grave-temperatura a bassa temperatura emergibile in termini di reazione a chiodo di altezza da parte di tono chiacchiere e superatori di tono chiacchieroni a bassacome a chiodo di altezza e-temperatura e superato di tono chiacchieroni di tono chiacchierata e superatori di altepazioni a bassa temperatura emericio

● Reazione di superficie: Ad alte temperature (di solito tra 900 ° C e 1200 ° C), questi gas subiscono decomposizione chimica o reazione sulla superficie del substrato di silicio riscaldato. Ad esempio, Sih4 → Si (solido)+2H2 (gas).

● Migrazione superficiale e nucleazione: Gli atomi di silicio prodotti dalla decomposizione vengono adsorbiti sulla superficie del substrato e migrano sulla superficie, trovando infine il sito reticolare giusto per combinare e iniziare a formare un nuovo singolostrato di cristallo. La qualità del silicio di crescita epitassiale dipende in gran parte dal controllo di questo passaggio.

● Crescita a strati: Lo strato atomico appena depositato ripete continuamente la struttura reticolare del substrato, cresce lo strato per strato e forma uno strato di silicio epitassiale con uno spessore specifico.

Parametri del processo chiave: la qualità del processo di epitassia al silicio è strettamente controllata e i parametri chiave includono:

● Temperatura: influenza la velocità di reazione, la mobilità superficiale e la formazione dei difetti.

● Pressione: colpisce il trasporto di gas e il percorso di reazione.

● Flusso di gas e rapporto: determina il tasso di crescita e la concentrazione di doping.

● Pulizia della superficie del substrato: Qualsiasi contaminante può essere l'origine dei difetti.

● Altre tecnologie: Sebbene il CVD sia il mainstream, tecnologie come l'epitassia del fascio molecolare (MBE) possono essere utilizzate anche per l'epitassia del silicio, specialmente in R&S o applicazioni speciali che richiedono un controllo di precisione estremamente elevato.L'MBE evapora direttamente le fonti di silicio in un ambiente a vuoto ultra-alto e i raggi atomici o molecolari sono proiettati direttamente sul substrato per la crescita.

Ⅲ. Applicazioni specifiche della tecnologia dell'epitassia al silicio nella produzione di semiconduttori

La tecnologia Epitaxy al silicio ha ampliato notevolmente la gamma di applicazioni di materiali in silicio ed è una parte indispensabile della produzione di molti dispositivi a semiconduttore avanzati.

● Tecnologia CMOS: Nei chip logici logici ad alte prestazioni (come CPU e GPU), uno strato di silicio epitassiale a basso drogato (P− o N−) viene spesso coltivato su un substrato pesantemente drogato (P+ o N+). Questa struttura epitassiale del wafer di silicio può sopprimere efficacemente l'effetto di bloccaggio (brand-up), migliorare l'affidabilità del dispositivo e mantenere la bassa resistenza del substrato, che è favorevole alla conduzione di corrente e alla dissipazione del calore.

● Transistor bipolari (BJT) e Bicmos: In questi dispositivi, l'epitassia del silicio viene utilizzata per costruire accuratamente strutture come la base o la regione del collettore e il guadagno, la velocità e altre caratteristiche del transistor sono ottimizzate controllando la concentrazione di doping e lo spessore dello strato epitassiale.

● Sensore di immagine (cis): In alcune applicazioni del sensore di immagine, i wafer di silicio epitassiale possono migliorare l'isolamento elettrico dei pixel, ridurre la crosstalk e ottimizzare l'efficienza della conversione fotoelettrica. Lo strato epitassiale fornisce un'area attiva più pulita e meno difettosa.

● Nodi di processo avanzati: Man mano che la dimensione del dispositivo continua a ridursi, i requisiti per le proprietà dei materiali stanno diventando sempre più elevati. La tecnologia epitassia al silicio, inclusa la crescita epitassiale selettiva (SEG), viene utilizzata per coltivare gli strati epitassiali di silicio tesi o al silicio (SIGE) in aree specifiche per migliorare la mobilità del vettore e quindi aumentare la velocità dei transistor.

Suscettore epitassiale orizzonale per epitassia al silicio

Ⅳ.Problemi e sfide della tecnologia Epitassia al silicio

Sebbene la tecnologia dell'epitassia al silicio sia matura e ampiamente utilizzata, ci sono ancora alcune sfide e problemi nella crescita epitassiale del processo di silicio:

● Controllo dei difetti: Vari difetti di cristallo come guasti di impilamento, dislocazioni, linee di slittamento, ecc. Possono essere generati durante la crescita epitassiale. Questi difetti possono influenzare seriamente le prestazioni elettriche, l'affidabilità e la resa del dispositivo. Il controllo dei difetti richiede un ambiente estremamente pulito, parametri di processo ottimizzati e substrati di alta qualità.

● Uniformità: Raggiungere una perfetta uniformità dello spessore dello strato epitassiale e della concentrazione di doping su wafer di silicio di grandi dimensioni (come 300 mm) è una sfida continua. La non uniformità può portare a differenze nelle prestazioni del dispositivo sullo stesso wafer.

● Autodopando: Durante il processo di crescita epitassiale, i droganti ad alta concentrazione nel substrato possono entrare nello strato epitassiale in crescita attraverso la diffusione della fase gassosa o la diffusione dello stato solido, causando la concentrazione di drogatura dello strato epitassiale da deviare dal valore atteso, in particolare vicino all'interfaccia tra lo strato epitassiale e il substrato. Questo è uno dei problemi che devono essere affrontati nel processo di epitassia del silicio.

● Morfologia di superficie: La superficie dello strato epitassiale deve rimanere altamente piatta e qualsiasi rugosità o difetti superficiali (come la foschia) influenzerà i processi successivi come la litografia.

● Costo: Rispetto ai normali wafer di silicio lucido, la produzione di wafer di silicio epitassiale aggiunge ulteriori passaggi di processo e investimenti delle attrezzature, con conseguenti costi più elevati.

● Sfide dell'epitassia selettiva: Nei processi avanzati, la crescita epitassiale selettiva (crescita solo in aree specifiche) pone maggiori esigenze sul controllo dei processi, come la selettività del tasso di crescita, il controllo della crescita eccessiva laterale, ecc.

Ⅴ.Conclusione

Come tecnologia di preparazione del materiale a semiconduttore chiave, la caratteristica principale diEpitassia del silicioè la capacità di coltivare accuratamente strati di silicio epitassiale a singolo cristallo di alta qualità con proprietà elettriche e fisiche specifiche su substrati di silicio a cristallo singolo. Attraverso un controllo preciso di parametri come temperatura, pressione e flusso d'aria nel processo di epitassia del silicio, lo spessore dello strato e la distribuzione del doping possono essere personalizzati per soddisfare le esigenze di varie applicazioni a semiconduttore come CMOS, dispositivi di alimentazione e sensori.

Sebbene la crescita epitassiale di silicio faccia sfide come il controllo dei difetti, l'uniformità, l'auto-doping e il costo, con il continuo progresso della tecnologia, l'epitassia del silicio è ancora una delle forze guida fondamentali per promuovere il miglioramento delle prestazioni e l'innovazione funzionale dei dispositivi semiconduttori e la sua posizione nella produzione epitassiale in silicio è irregolabile.