Đặc điểm của epitaxy silicon

Silicon epitaxylà một quá trình cơ bản quan trọng trong sản xuất chất bán dẫn hiện đại. Nó đề cập đến quá trình phát triển một hoặc nhiều lớp màng mỏng silicon đơn tinh thể với cấu trúc tinh thể cụ thể, độ dày, nồng độ pha tạp và loại trên chất nền silicon đơn tinh thể được đánh bóng chính xác. Bộ phim phát triển này được gọi là lớp epiticular (lớp epiticular hoặc lớp EPI) và một wafer silicon với một lớp epiticular được gọi là wafer silicon epiticular. Đặc điểm cốt lõi của nó là lớp silicon epiticular mới được phát triển là sự tiếp nối của cấu trúc mạng cơ chất trong tinh thể học, duy trì định hướng tinh thể giống như chất nền, tạo thành một cấu trúc tinh thể đơn hoàn hảo. Điều này cho phép lớp epiticular có các tính chất điện được thiết kế chính xác khác với các chất của chất nền, do đó cung cấp cơ sở cho việc sản xuất các thiết bị bán dẫn hiệu suất cao.

Mây phân cực dọc cho epitaxy silicon

. Epitaxy silicon là gì?

1) Định nghĩa: Epitaxy silicon là một công nghệ gửi các nguyên tử silicon trên chất nền silicon đơn tinh thể bằng các phương pháp hóa học hoặc vật lý và sắp xếp chúng theo cấu trúc mạng cơ chất để phát triển một màng mỏng silicon đơn tinh thể mới.

2） Kết hợp mạng: Tính năng cốt lõi là sự ngăn nắp của tăng trưởng epiticular. Các nguyên tử silicon lắng đọng không được xếp ngẫu nhiên, nhưng được sắp xếp theo hướng tinh thể của chất nền dưới hướng dẫn của "mẫu" được cung cấp bởi các nguyên tử trên bề mặt chất nền, đạt được sự sao chép chính xác ở cấp độ nguyên tử. Điều này đảm bảo rằng lớp epiticular là một tinh thể đơn chất lượng cao, thay vì đa tinh thể hoặc vô định hình.

3 Khả năng kiểm soát: Quá trình epitaxy silicon cho phép kiểm soát chính xác độ dày của lớp tăng trưởng (từ nanomet đến micromet), loại pha tạp (loại N hoặc loại P) và nồng độ pha tạp. Điều này cho phép các vùng có các tính chất điện khác nhau được hình thành trên cùng một wafer silicon, là chìa khóa để sản xuất các mạch tích hợp phức tạp.

4 Đặc điểm giao diện: Một giao diện được hình thành giữa lớp epiticular và chất nền. Lý tưởng nhất, giao diện này là phẳng nguyên tử và không bị ô nhiễm. Tuy nhiên, chất lượng của giao diện rất quan trọng đối với hiệu suất của lớp epiticular và bất kỳ lỗi hoặc ô nhiễm nào cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất cuối cùng của thiết bị.

. Nguyên tắc của Silicon epitaxy

Sự tăng trưởng epiticular của silicon chủ yếu phụ thuộc vào việc cung cấp năng lượng và môi trường phù hợp cho các nguyên tử silicon di chuyển trên bề mặt chất nền và tìm vị trí mạng năng lượng thấp nhất để kết hợp. Công nghệ được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là lắng đọng hơi hóa học (CVD).

Sự lắng đọng hơi hóa học (CVD): Đây là phương pháp chính để đạt được epitaxy silicon. Các nguyên tắc cơ bản của nó là:

● Vận chuyển tiền thân: Khí chứa nguyên tố silicon (tiền thân), chẳng hạn như silane (SIH4), dichlorosilane (SIH2Cl2) hoặc trichlorosilane (SIHCl3) và khí dopant (như phosphine pH3 cho phép phát hành

● Phản ứng bề mặt: Ở nhiệt độ cao (thường là từ 900 ° C đến 1200 ° C), các khí này trải qua quá trình phân hủy hóa học hoặc phản ứng trên bề mặt của chất nền silicon nóng. Ví dụ, SIH4 → SI (rắn)+2H2 (khí).

● Di chuyển bề mặt và tạo mầm: Các nguyên tử silicon được tạo ra bởi sự phân hủy được hấp phụ vào bề mặt cơ chất và di chuyển trên bề mặtlớp tinh thể. Chất lượng của silicon tăng trưởng epiticular phụ thuộc phần lớn vào việc kiểm soát bước này.

● Tăng trưởng nhiều lớp: Lớp nguyên tử mới được lắng đọng liên tục lặp lại cấu trúc mạng của chất nền, phát triển từng lớp và tạo thành một lớp silicon epiticular với độ dày cụ thể.

Các tham số quy trình chính: Chất lượng của quy trình epitaxy silicon được kiểm soát nghiêm ngặt và các tham số chính bao gồm:

● Nhiệt độ: Ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, tính di động bề mặt và hình thành khiếm khuyết.

● Áp lực: ảnh hưởng đến vận chuyển khí và đường phản ứng.

● Dòng khí và tỷ lệ: Xác định tốc độ tăng trưởng và nồng độ pha tạp.

● Chất nền sạch bề mặt: Bất kỳ chất gây ô nhiễm nào cũng có thể là nguồn gốc của khiếm khuyết.

● Các công nghệ khác: Mặc dù CVD là dòng chính, các công nghệ như epitaxy chùm phân tử (MBE) cũng có thể được sử dụng cho epitaxy silicon, đặc biệt là trong R & D hoặc các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi phải kiểm soát độ chính xác cực cao.MBE trực tiếp bay hơi các nguồn silicon trong môi trường chân không cực cao, và các chùm nguyên tử hoặc phân tử được chiếu trực tiếp lên chất nền để tăng trưởng.

. Các ứng dụng cụ thể của công nghệ epitaxy silicon trong sản xuất chất bán dẫn

Công nghệ epitaxy silicon đã mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của vật liệu silicon và là một phần không thể thiếu trong việc sản xuất nhiều thiết bị bán dẫn tiên tiến.

● Công nghệ CMOS: Trong các chip logic hiệu suất cao (như CPU ​​và GPU), lớp silicon epiticular pha tạp thấp (P− hoặc N−) thường được phát triển trên chất nền pha tạp (P+ hoặc N+). Cấu trúc wafer silicon epiticular này có thể ngăn chặn hiệu quả hiệu ứng chốt (chốt), cải thiện độ tin cậy của thiết bị và duy trì điện trở thấp của chất nền, có lợi cho sự dẫn truyền và tản nhiệt hiện tại.

● Bóng bán dẫn lưỡng cực (BJT) và bicmos: Trong các thiết bị này, epitaxy silicon được sử dụng để xây dựng chính xác các cấu trúc như khu vực cơ sở hoặc bộ thu, và tốc độ, tốc độ và các đặc tính khác của bóng bán dẫn được tối ưu hóa bằng cách kiểm soát nồng độ pha chế và độ dày của lớp epiticular.

● Cảm biến hình ảnh (CIS): Trong một số ứng dụng cảm biến hình ảnh, các tấm silicon epiticular có thể cải thiện sự phân lập điện của pixel, giảm nhiễu xuyên âm và tối ưu hóa hiệu quả chuyển đổi quang điện. Lớp epiticular cung cấp một khu vực hoạt động sạch hơn và ít bị lỗi hơn.

● Các nút quy trình nâng cao: Khi kích thước thiết bị tiếp tục thu hẹp, các yêu cầu cho các thuộc tính vật liệu ngày càng cao hơn. Công nghệ epitaxy silicon, bao gồm tăng trưởng epiticular chọn lọc (SEG), được sử dụng để phát triển các lớp biểu mô silicon hoặc silicon Germanium (SIGE) trong các khu vực cụ thể để cải thiện khả năng vận động của chất mang và do đó làm tăng tốc độ của bóng bán dẫn.

Nhiễm trùng epiticular về thời gian đối với epitaxy silicon

.Các vấn đề và thách thức của công nghệ epitaxy silicon

Mặc dù công nghệ epitaxy silicon đã trưởng thành và được sử dụng rộng rãi, nhưng vẫn có một số thách thức và vấn đề trong sự tăng trưởng epiticular của quá trình silicon:

● Kiểm soát khiếm khuyết: Các khiếm khuyết tinh thể khác nhau như lỗi xếp chồng, trật khớp, đường trượt, vv có thể được tạo ra trong quá trình tăng trưởng epiticular. Những khiếm khuyết này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất điện, độ tin cậy và năng suất của thiết bị. Kiểm soát khiếm khuyết đòi hỏi một môi trường cực kỳ sạch sẽ, các tham số quy trình được tối ưu hóa và chất nền chất lượng cao.

● Tính đồng nhất: Đạt được độ đồng nhất hoàn hảo của độ dày lớp epiticular và nồng độ pha tạp trên các tấm silicon có kích thước lớn (như 300mm) là một thách thức đang diễn ra. Không đồng nhất có thể dẫn đến sự khác biệt về hiệu suất của thiết bị trên cùng một wafer.

● Tự động hóa: Trong quá trình tăng trưởng epiticular, các chất dopacer nồng độ cao trong chất nền có thể xâm nhập vào lớp epiticular đang phát triển thông qua khuếch tán pha khí hoặc khuếch tán trạng thái rắn, làm cho nồng độ pha tạp lớp epiticular bị lệch khỏi giá trị dự kiến, đặc biệt là gần giao diện giữa lớp epiticial và chất nền. Đây là một trong những vấn đề cần được giải quyết trong quá trình epitaxy silicon.

● Hình thái bề mặt: Bề mặt của lớp epiticular phải vẫn rất phẳng, và bất kỳ khuyết tật độ nhám hoặc bề mặt nào (như khói mù) sẽ ảnh hưởng đến các quá trình tiếp theo như in thạch bản.

● Trị giá: So với các tấm silicon được đánh bóng thông thường, việc sản xuất các tấm silicon epiticular bổ sung các bước quy trình bổ sung và đầu tư thiết bị, dẫn đến chi phí cao hơn.

● Những thách thức của epitaxy chọn lọc: Trong các quy trình nâng cao, tăng trưởng epiticular chọn lọc (chỉ tăng trưởng ở các khu vực cụ thể) đặt ra nhu cầu cao hơn về kiểm soát quá trình, chẳng hạn như tính chọn lọc của tốc độ tăng trưởng, kiểm soát sự phát triển quá mức bên, v.v.

.Phần kết luận

Là một công nghệ chuẩn bị vật liệu bán dẫn quan trọng, tính năng cốt lõi củaSilicon epitaxylà khả năng phát triển chính xác các lớp silicon epiticular đơn tinh thể chất lượng cao với các tính chất điện và vật lý cụ thể trên các chất nền silicon đơn tinh thể. Thông qua việc kiểm soát chính xác các tham số như nhiệt độ, áp suất và luồng không khí trong quá trình epitaxy silicon, độ dày lớp và phân phối pha tạp có thể được tùy chỉnh để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng bán dẫn khác nhau như CMO, thiết bị năng lượng và cảm biến.

Mặc dù sự tăng trưởng epiticular của silicon phải đối mặt với những thách thức như kiểm soát khiếm khuyết, tính đồng nhất, tự do và chi phí, với sự tiến bộ liên tục của công nghệ, epitaxy silicon vẫn là một trong những động lực cốt lõi để thúc đẩy cải tiến hiệu suất và đổi mới chức năng của các thiết bị bán dẫn.