Mga Katangian ng Silicon Epitaxy

Silicon epitaxyay isang mahalagang pangunahing proseso sa modernong pagmamanupaktura ng semiconductor. Tumutukoy ito sa proseso ng paglaki ng isa o higit pang mga layer ng single-crystal silikon manipis na pelikula na may tiyak na istraktura ng kristal, kapal, konsentrasyon ng doping at uri sa isang tumpak na makintab na solong-kristal na silikon na substrate. Ang lumalaking pelikula na ito ay tinatawag na isang epitaxial layer (epitaxial layer o EPI layer), at isang silikon na wafer na may isang epitaxial layer ay tinatawag na isang epitaxial silikon wafer. Ang pangunahing katangian nito ay ang bagong lumago na epitaxial silikon na layer ay isang pagpapatuloy ng istruktura ng lattice ng substrate sa crystallography, pinapanatili ang parehong orientation ng kristal bilang substrate, na bumubuo ng isang perpektong solong istraktura ng kristal. Pinapayagan nito ang epitaxial layer na magkaroon ng tumpak na dinisenyo mga de-koryenteng katangian na naiiba sa mga nasa substrate, kaya nagbibigay ng isang batayan para sa paggawa ng mga aparato na may mataas na pagganap na semiconductor.

Ang Vertial epitaxial susceptor para sa epitaxy ng silikon

Ⅰ. Ano ang Silicon epitaxy?

1) Kahulugan: Ang Silicon epitaxy ay isang teknolohiya na nagdeposito ng mga atomo ng silikon sa isang solong-kristal na silikon na substrate sa pamamagitan ng kemikal o pisikal na pamamaraan at inaayos ang mga ito ayon sa istruktura ng lattice ng substrate upang mapalago ang isang bagong single-crystal silikon manipis na pelikula.

2） pagtutugma ng lattice: Ang pangunahing tampok ay ang pagkakasunud -sunod ng paglaki ng epitaxial. Ang mga naideposito na mga atomo ng silikon ay hindi sapalarang nakasalansan, ngunit inayos ayon sa orientation ng kristal ng substrate sa ilalim ng gabay ng "template" na ibinigay ng mga atomo sa ibabaw ng substrate, pagkamit ng atomic-level tumpak na pagtitiklop. Tinitiyak nito na ang epitaxial layer ay isang de-kalidad na solong kristal, sa halip na polycrystalline o amorphous.

3） Pagkontrol: Ang proseso ng epitaxy ng silikon ay nagbibigay-daan sa tumpak na kontrol ng kapal ng layer ng paglago (mula sa nanometer hanggang micrometer), ang uri ng doping (N-type o p-type), at ang konsentrasyon ng doping. Pinapayagan nito ang mga rehiyon na may iba't ibang mga katangian ng elektrikal na nabuo sa parehong silikon na wafer, na siyang susi sa paggawa ng kumplikadong mga circuit na integrated.

4） Mga Katangian ng Interface: Ang isang interface ay nabuo sa pagitan ng epitaxial layer at ang substrate. Sa isip, ang interface na ito ay atomically flat at walang kontaminasyon. Gayunpaman, ang kalidad ng interface ay kritikal sa pagganap ng epitaxial layer, at ang anumang mga depekto o kontaminasyon ay maaaring makaapekto sa pangwakas na pagganap ng aparato.

Ⅱ. Mga Prinsipyo ng Silicon Epitaxy

Ang epitaxial na paglago ng silikon higit sa lahat ay nakasalalay sa pagbibigay ng tamang enerhiya at kapaligiran para sa mga atomo ng silikon upang lumipat sa ibabaw ng substrate at hanapin ang pinakamababang posisyon ng lattice ng enerhiya para sa kumbinasyon. Ang pinaka -karaniwang ginagamit na teknolohiya sa kasalukuyan ay ang pag -aalis ng singaw ng kemikal (CVD).

Chemical Vapor Deposition (CVD): Ito ang pangunahing pamamaraan upang makamit ang epitaxy ng silikon. Ang mga pangunahing prinsipyo nito ay:

● Transportasyon ng precursor: Ang gas na naglalaman ng elemento ng silikon (precursor), tulad ng silane (SIH4), dichlorosilane (SIH2CL2) o trichlorosilane (SIHCl3), at dopant gas (tulad ng phosphine PH3 para sa n-type doping at diiborane B2H6 para sa p-type doping) ay halo-halong sa tumpak na proporsyon at ipinasa sa isang mataas na templo na reaksyon.

● Reaksyon ng ibabaw: Sa mataas na temperatura (karaniwang sa pagitan ng 900 ° C at 1200 ° C), ang mga gas na ito ay sumasailalim sa agnas ng kemikal o reaksyon sa ibabaw ng pinainit na silikon na substrate. Halimbawa, SIH4 → SI (solid)+2H2 (gas).

● Ang paglipat ng ibabaw at nucleation: Ang mga atomo ng silikon na ginawa ng agnas ay na -adsorbed sa ibabaw ng substrate at lumipat sa ibabaw, sa kalaunan ay nakakahanap ng tamang lugar ng sala -sala upang pagsamahin at magsimulang bumuo ng isang bagong solongCrystal layer. Ang kalidad ng epitaxial growth silikon ay nakasalalay sa kontrol ng hakbang na ito.

● Layered na paglago: Ang bagong idineposito na layer ng atomic na patuloy na inuulit ang istraktura ng lattice ng substrate, lumalaki ang layer sa pamamagitan ng layer, at bumubuo ng isang epitaxial silikon na layer na may isang tiyak na kapal.

Mga pangunahing parameter ng proseso: Ang kalidad ng proseso ng epitaxy ng silikon ay mahigpit na kinokontrol, at ang mga pangunahing mga parameter ay kasama ang:

● Temperatura: nakakaapekto sa rate ng reaksyon, kadaliang mapakilos ng ibabaw at pagbuo ng depekto.

● Presyon: nakakaapekto sa landas ng transportasyon ng gas at reaksyon.

● Daloy ng gas at ratio: tinutukoy ang rate ng paglago at konsentrasyon ng doping.

● Kalinisan sa ibabaw ng substrate: Ang anumang kontaminado ay maaaring ang pinagmulan ng mga depekto.

● Iba pang mga teknolohiya: Bagaman ang CVD ay ang pangunahing, ang mga teknolohiya tulad ng molekular na beam epitaxy (MBE) ay maaari ding magamit para sa silikon na epitaxy, lalo na sa R&D o mga espesyal na aplikasyon na nangangailangan ng sobrang mataas na kontrol ng katumpakan.Ang MBE ay direktang sumasabay sa mga mapagkukunan ng silikon sa isang ultra-high vacuum na kapaligiran, at ang mga atomic o molekular na beam ay direktang inaasahang papunta sa substrate para sa paglaki.

Ⅲ. Tukoy na mga aplikasyon ng teknolohiyang epitaxy ng silikon sa pagmamanupaktura ng semiconductor

Ang teknolohiyang epitaxy ng Silicon ay lubos na pinalawak ang saklaw ng aplikasyon ng mga materyales sa silikon at isang kailangang -kailangan na bahagi ng paggawa ng maraming mga advanced na aparato ng semiconductor.

● Teknolohiya ng CMOS: Sa mataas na pagganap na logic chips (tulad ng mga CPU at GPU), ang isang mababang-doped (P− o N−) epitaxial silikon layer ay madalas na lumaki sa isang mabigat na doped (P+ o N+) substrate. Ang istraktura ng epitaxial silikon na ito ay maaaring epektibong sugpuin ang latch-up effect (latch-up), mapabuti ang pagiging maaasahan ng aparato, at mapanatili ang mababang paglaban ng substrate, na naaayon sa kasalukuyang pagpapadaloy at pagwawaldas ng init.

● Bipolar transistors (BJT) at BICMOS: Sa mga aparatong ito, ang epitaxy ng silikon ay ginagamit upang tumpak na magtayo ng mga istruktura tulad ng base o rehiyon ng kolektor, at ang pakinabang, bilis at iba pang mga katangian ng transistor ay na -optimize sa pamamagitan ng pagkontrol sa doping na konsentrasyon at kapal ng epitaxial layer.

● Sensor ng imahe (cis): Sa ilang mga aplikasyon ng sensor ng imahe, ang mga epitaxial silikon na wafer ay maaaring mapabuti ang elektrikal na paghihiwalay ng mga pixel, bawasan ang crosstalk, at mai -optimize ang kahusayan ng conversion ng photoelectric. Ang epitaxial layer ay nagbibigay ng isang mas malinis at hindi gaanong may depekto na aktibong lugar.

● Advanced na mga node ng proseso: Habang ang laki ng aparato ay patuloy na pag -urong, ang mga kinakailangan para sa mga materyal na katangian ay nagiging mas mataas at mas mataas. Ang teknolohiyang epitaxy ng Silicon, kabilang ang pumipili na paglaki ng epitaxial (SEG), ay ginagamit upang mapalago ang pilit na silikon o silikon na germanium (SIGE) na mga epitaxial layer sa mga tiyak na lugar upang mapagbuti ang kadaliang mapakilos ng carrier at sa gayon ay madagdagan ang bilis ng mga transistor.

Horizonal epitaxial semceptor para sa epitaxy ng silikon

Ⅳ.Mga problema at mga hamon ng teknolohiyang epitaxy ng silikon

Bagaman ang teknolohiyang epitaxy ng silikon ay mature at malawakang ginagamit, mayroon pa ring ilang mga hamon at problema sa epitaxial na paglaki ng proseso ng silikon:

● Control control: Ang iba't ibang mga depekto ng kristal tulad ng pag -stack ng mga pagkakamali, dislocations, slip line, atbp ay maaaring mabuo sa panahon ng paglaki ng epitaxial. Ang mga depekto na ito ay maaaring seryosong nakakaapekto sa pagganap ng elektrikal, pagiging maaasahan at ani ng aparato. Ang pagkontrol ng mga depekto ay nangangailangan ng isang napaka malinis na kapaligiran, na-optimize na mga parameter ng proseso, at mga de-kalidad na substrate.

● Pagkakapareho: Ang pagkamit ng perpektong pagkakapareho ng kapal ng epitaxial layer at doping na konsentrasyon sa mga malalaking laki ng mga wafer ng silikon (tulad ng 300mm) ay isang patuloy na hamon. Ang hindi pagkakapareho ay maaaring humantong sa mga pagkakaiba-iba sa pagganap ng aparato sa parehong wafer.

● Autodoping: Sa panahon ng proseso ng paglago ng epitaxial, ang mga dopant na may mataas na konsentrasyon sa substrate ay maaaring makapasok sa lumalagong layer ng epitaxial sa pamamagitan ng pagsasabog ng phase ng gas o pagsabog ng solid-state, na nagiging sanhi ng epitaxial layer doping na konsentrasyon upang lumihis mula sa inaasahang halaga, lalo na malapit sa interface sa pagitan ng epitaxial layer at substrate. Ito ang isa sa mga isyu na kailangang matugunan sa proseso ng epitaxy ng silikon.

● Surface morphology: Ang ibabaw ng epitaxial layer ay dapat manatiling lubos na patag, at ang anumang pagkamagaspang o mga depekto sa ibabaw (tulad ng haze) ay makakaapekto sa kasunod na mga proseso tulad ng lithography.

● Gastos: Kumpara sa ordinaryong pinakintab na mga wafer ng silikon, ang paggawa ng epitaxial silikon wafers ay nagdaragdag ng mga karagdagang hakbang sa proseso at pamumuhunan ng kagamitan, na nagreresulta sa mas mataas na gastos.

● Mga Hamon ng Selective Epitaxy: Sa mga advanced na proseso, ang pumipili na paglaki ng epitaxial (paglago lamang sa mga tiyak na lugar) ay naglalagay ng mas mataas na hinihingi sa control control, tulad ng pagpili ng rate ng paglago, kontrol ng pag -ilid ng pag -ilid, atbp.

Ⅴ.Konklusyon

Bilang isang pangunahing teknolohiya ng paghahanda ng materyal na semiconductor, ang pangunahing tampok ngSilicon epitaxyay ang kakayahang tumpak na mapalago ang de-kalidad na single-crystal epitaxial silikon na mga layer na may tiyak na mga de-koryenteng at pisikal na mga katangian sa mga substrate na single-crystal silikon. Sa pamamagitan ng tumpak na kontrol ng mga parameter tulad ng temperatura, presyon, at daloy ng hangin sa proseso ng epitaxy ng silikon, ang kapal ng layer at pamamahagi ng doping ay maaaring ipasadya upang matugunan ang mga pangangailangan ng iba't ibang mga aplikasyon ng semiconductor tulad ng CMOS, mga aparato ng kuryente, at sensor.

Bagaman ang pag-unlad ng epitaxial ng silikon ay nahaharap sa mga hamon tulad ng control control, pagkakapareho, self-doping, at gastos, na may patuloy na pagsulong ng teknolohiya, ang silikon epitaxy ay isa pa rin sa mga pangunahing puwersa sa pagmamaneho para sa pagtaguyod ng pagpapabuti ng pagganap at pag-andar ng paggawa ng mga aparato ng semiconductor, at ang posisyon nito sa epitaxial silicon wafer manufacturing ay hindi mababago.