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 monocristallino con struttura cristallina, spessore, concentrazione di drogaggio e tipo specifici su un substrato di silicio monocristallino lucidato con precisione. Questo film cresciuto è chiamato 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 in cristallografia, mantenendo lo stesso orientamento cristallino del substrato, formando una struttura monocristallina perfetta. 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.

Suscettore epitassiale verticale per l'epitassia del silicio

Ⅰ. Cos'è l'epitassia del silicio?

1) Definizione: L'epitassia del silicio è una tecnologia che deposita atomi di silicio su un substrato di silicio monocristallino mediante metodi chimici o fisici e li dispone in base alla struttura reticolare del substrato per far crescere un nuovo film sottile di silicio monocristallino.

2） Corrispondenza del reticolo: La caratteristica principale è l'ordine della crescita epitassiale. Gli atomi di silicio depositati non sono impilati in modo casuale, ma sono disposti secondo l'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 cristallo singolo di alta qualità, anziché policristallino o amorfo.

3） Controllabilità: Il processo di epitassia del silicio consente un controllo preciso dello spessore dello strato di crescita (da nanometri a micrometri), del tipo di drogaggio (tipo N o tipo P) e della concentrazione del drogante. Ciò consente di formare regioni con proprietà elettriche diverse sullo stesso wafer di silicio, che è la chiave per produrre 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 priva di contaminazioni. Tuttavia, la qualità dell'interfaccia è fondamentale per le prestazioni dello strato epitassiale ed eventuali difetti o contaminazioni possono influire sulle prestazioni finali del dispositivo.

Ⅱ. Principi dell'epitassia del silicio

La crescita epitassiale del silicio dipende principalmente dal fornire la giusta energia e l'ambiente affinché gli atomi di silicio possano migrare sulla superficie del substrato e trovare la posizione del reticolo a energia più bassa per la combinazione. La tecnologia più comunemente utilizzata attualmente è la deposizione chimica da fase vapore (CVD).

Deposizione chimica in fase vapore (CVD): questo è il metodo tradizionale per ottenere l'epitassia del silicio. I suoi principi fondamentali sono:

● Trasporto dei precursori: Il gas contenente un elemento di silicio (precursore), come silano (SiH4), diclorosilano (SiH2Cl2) o triclorosilano (SiHCl3) e gas drogante (come fosfina PH3 per il drogaggio di tipo N e diborano B2H6 per il drogaggio di tipo P) vengono miscelati in proporzioni precise e fatti passare in una camera di reazione ad alta temperatura.

● Reazione superficiale: A temperature elevate (solitamente tra 900°C e 1200°C), questi gas subiscono una decomposizione o reazione chimica 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 giusto sito reticolare per combinarsi e iniziare a formare un nuovo unicostrato di cristallo. La qualità del silicio a crescita epitassiale dipende in gran parte dal controllo di questa fase.

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

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

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

● Pressione: influenza il trasporto del gas e il percorso di reazione.

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

● Pulizia della superficie del supporto: Qualsiasi contaminante può essere all'origine di difetti.

● Altre tecnologie: Sebbene la CVD sia la tecnologia più diffusa, tecnologie come l'epitassia a fascio molecolare (MBE) possono essere utilizzate anche per l'epitassia del silicio, soprattutto in ricerca e sviluppo o in applicazioni speciali che richiedono un controllo di precisione estremamente elevato.MBE evapora direttamente le fonti di silicio in un ambiente ad altissimo vuoto e i raggi atomici o molecolari vengono proiettati direttamente sul substrato per la crescita.

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

La tecnologia dell'epitassia del silicio ha notevolmente ampliato la gamma di applicazioni dei materiali in silicio ed è una parte indispensabile della produzione di molti dispositivi semiconduttori avanzati.

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

● Transistori 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, mentre il guadagno, la velocità e altre caratteristiche del transistor vengono ottimizzate controllando la concentrazione del drogante e lo spessore dello strato epitassiale.

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

● Nodi di processo avanzati: Poiché le dimensioni dei dispositivi continuano a ridursi, i requisiti relativi alle proprietà dei materiali diventano sempre più elevati. La tecnologia dell'epitassia del silicio, inclusa la crescita epitassiale selettiva (SEG), viene utilizzata per far crescere strati epitassiali di silicio o silicio germanio (SiGe) tesi in aree specifiche per migliorare la mobilità dei portatori e quindi aumentare la velocità dei transistor.

Suscettore epitassiale orizzontale per epitassia al silicio

Ⅳ.Problemi e sfide della tecnologia dell'epitassia del silicio

Sebbene la tecnologia dell'epitassia del silicio sia matura e ampiamente utilizzata, esistono ancora alcune sfide e problemi nel processo di crescita epitassiale del silicio:

● Controllo dei difetti: Durante la crescita epitassiale possono essere generati vari difetti cristallini come difetti di impilamento, dislocazioni, linee di scorrimento, ecc. Questi difetti possono compromettere gravemente le prestazioni elettriche, l'affidabilità e la resa dell'apparecchio. Il controllo dei difetti richiede un ambiente estremamente pulito, parametri di processo ottimizzati e substrati di alta qualità.

● Uniformità: Raggiungere la perfetta uniformità dello spessore dello strato epitassiale e della concentrazione del drogante 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.

● Autodoping: Durante il processo di crescita epitassiale, droganti ad alta concentrazione nel substrato possono entrare nello strato epitassiale in crescita attraverso la diffusione in fase gassosa o la diffusione allo stato solido, causando una deviazione della concentrazione di drogaggio dello strato epitassiale dal valore previsto, soprattutto in prossimità dell'interfaccia tra lo strato epitassiale e il substrato. Questo è uno dei problemi che devono essere affrontati nel processo di epitassia del silicio.

● Morfologia superficiale: La superficie dello strato epitassiale deve rimanere estremamente piatta e qualsiasi rugosità o difetto superficiale (come la foschia) influenzerà i processi successivi come la litografia.

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

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

Ⅴ.Conclusione

Essendo una tecnologia chiave per la preparazione dei materiali semiconduttori, la caratteristica principale diepitassia del silicioè la capacità di far crescere con precisione strati di silicio epitassiale monocristallino di alta qualità con proprietà elettriche e fisiche specifiche su substrati di silicio monocristallino. Attraverso il controllo preciso di parametri quali temperatura, pressione e flusso d'aria nel processo di epitassia del silicio, lo spessore dello strato e la distribuzione del drogaggio possono essere personalizzati per soddisfare le esigenze di varie applicazioni di semiconduttori come CMOS, dispositivi di potenza e sensori.

Sebbene la crescita epitassiale del silicio debba affrontare sfide quali il controllo dei difetti, l'uniformità, l'auto-doping e i costi, con il continuo progresso della tecnologia, l'epitassia del silicio è ancora una delle forze trainanti principali per promuovere il miglioramento delle prestazioni e l'innovazione funzionale dei dispositivi a semiconduttore, e la sua posizione nella produzione di wafer di silicio epitassiale è insostituibile.