Räni epitaksia omadused

Räni epitaksiaon tänapäevase pooljuhtide tootmisel ülioluline põhiprotsess. See viitab ühe või mitme kihi ühekristallilise räni õhukese kihi kasvatamise protsessile, millel on konkreetne kristallstruktuur, paksus, dopingukontsentratsioon ja tüüp täpselt poleeritud ühekristalli räni substraadile. Seda kasvatatud kilet nimetatakse epitaksiaalseks kihiks (epitaksiaalne kiht või epi kiht) ja epitaksiaalse kihiga räni vahvlit nimetatakse epitaksiaalseks räni vahvliks. Selle põhiomadus on see, et äsja kasvatatud epitaksiaalne räni kiht on substraadi võre struktuuri jätkumine kristallograafias, säilitades sama kristalli orientatsiooni kui substraadil, moodustades täiusliku ühe kristallstruktuuri. See võimaldab epitaksiaalsel kihil omada täpselt kavandatud elektrilisi omadusi, mis erinevad substraadi omadest, pakkudes seega alust suure jõudlusega pooljuhtseadmete tootmiseks.

Räni epitaksia vertiaalne epitaksiast

Ⅰ. Mis on räni epitaksia?

1) määratlus: Räni epitaksia on tehnoloogia, mis ladestab räni aatomid ühekristallilise räni substraadile keemiliste või füüsikaliste meetodite abil ja korraldab need vastavalt substraadi võre struktuurile, et kasvatada uus ühekristalliline räni õhuke kile.

2） Võre sobitamine: Põhine omadus on epitaksiaalse kasvu korralikkus. Ladestatud räni aatomid ei ole juhuslikult virnastatud, vaid need on paigutatud substraadi kristallide orientatsioonile substraadi pinnal olevate aatomite pakutavate mallide juhendamisel, saavutades aatomitasemelise eelneva replikatsiooni. See tagab, et epitaksiaalne kiht on kvaliteetne üksikkristall, mitte polükristalliline või amorfne.

3 isi -ga kontrollitavus: Räni epitaksia protsess võimaldab täpset kontrolli kasvukihi (nanomeetritest mikromeetriteni), dopingutüüpi (n-tüüpi või p-tüüpi) paksust ja dopingukontsentratsiooni. See võimaldab sama räni vahvliga moodustuda erinevate elektriliste omadustega piirkonnad, mis on keerukate integreeritud vooluahelate tootmiseks võti.

4 isi -liidese omadused: Epitaksiaalse kihi ja substraadi vahel moodustatakse liides. Ideaalis on see liides aatomiliselt tasane ja saastumisvaba. Liidese kvaliteet on aga epitaksiaalse kihi jõudluse jaoks kriitilise tähtsusega ning defektid või saastumine võivad mõjutada seadme lõplikku jõudlust.

Ⅱ. Räni epitaksia põhimõtted

Räni epitaksiaalne kasv sõltub peamiselt sellest, et pakkuda räni aatomitel õige energia ja keskkond substraadi pinnale migreerumiseks ja kombinatsiooni jaoks madalaima energiavõre positsiooni leidmiseks. Praegu kõige sagedamini kasutatav tehnoloogia on keemiline aurude ladestumine (CVD).

Keemiline aurude ladestumine (CVD): see on tavapärane meetod räni epitaksia saavutamiseks. Selle aluspõhimõtted on:

● Eelkäija transport: Gaas, mis sisaldab räni elementi (eelkäijat), näiteks silaan (SIH4), diklorosilane (SIH2Cl2) või triklorosilane (SIHCL3) ja dopant-gaas (näiteks fosfiin PH3 N-Type dopingu jaoks ja p-type dopingu jaoks) on segu.

● Pinnareaktsioon: Kõrgetel temperatuuridel (tavaliselt vahemikus 900 ° C kuni 1200 ° C) läbivad need gaasid kuumutatud räni substraadi pinnal keemilise lagunemise või reaktsiooni. Näiteks SiH4 → Si (tahke)+2H2 (gaas).

● Pinna migratsioon ja tuuma moodustumine: Lagunemisel toodetud räni aatomid adsorbeeritakse substraadi pinnale ja rändavad pinnale, leides lõpuks parema võre saidi, et ühendada ja hakata moodustama uue singliKristallkiht. Epitaksiaalse kasvu räni kvaliteet sõltub suuresti selle sammu kontrollist.

● Kihiline kasv: Äsja deponeeritud aatomikiht kordab pidevalt substraadi võre struktuuri, kasvatab kihi kaupa ja moodustab konkreetse paksusega epitaksiaalse räni kihi.

Peamised protsessi parameetrid: Räni epitaxy protsessi kvaliteet on rangelt kontrollitud ja peamised parameetrid hõlmavad järgmist:

● Temperatuur: mõjutab reaktsiooni kiirust, pinna liikuvust ja defektide moodustumist.

● Surve: mõjutab gaasi transporti ja reaktsiooni teed.

● Gaasivoog ja suhe: määrab kasvukiiruse ja dopingu kontsentratsiooni.

● Substraadi pinna puhtus: Iga saasteaine võib olla defektide päritolu.

● Muud tehnoloogiad.MBE aurustab räni allikaid otse kõrge vaakumkeskkonnas ning kasvu substraadile projitseeritakse otse aatom- või molekulaarsed talad.

Ⅲ. Räni epitaxy tehnoloogia konkreetsed rakendused pooljuhtide tootmisel

Silicon Epitaxy tehnoloogia on märkimisväärselt laiendanud ränimaterjalide rakendusvahemikku ja on hädavajalik osa paljude täiustatud pooljuhtseadmete tootmisest.

● CMOS -tehnoloogia: Suure jõudlusega loogikakiipide (näiteks CPU-de ja GPU-de) korral kasvatatakse madala legeeritud (või n−) epitaksiaalse räni kihi sageli tugevalt legeeritud (P+ või N+) substraadil. See epitaksiaalne räni vahvli struktuur suudab tõhusalt maha suruda riiv-up-efekti (riiv-up), parandada seadme usaldusväärsust ja säilitada substraadi madala takistuse, mis soodustab praegust juhtivust ja soojuse hajumist.

● Bipolaarsed transistorid (BJT) ja Bicmos: Nendes seadmetes kasutatakse räni epitaxyt selliste struktuuride nagu alus- või kogujapiirkonna täpseks konstrueerimiseks ning transistori võimendus, kiirus ja muud omadused optimeeritakse, kontrollides epitaksiaalse kihi dopingukontsentratsiooni ja paksust.

● Kujutiseandur (CIS): Mõnes pildianduri rakenduses saavad epitaksiaalsed räni vahvlid parandada pikslite elektrilist isoleerimist, vähendada risti ja optimeerida fotoelektrilise muundamise efektiivsust. Epitaksiaalne kiht tagab puhtama ja vähem puuduliku aktiivse ala.

● Täiustatud protsessisõlmed: Kuna seadme suurus kahaneb, muutuvad materjaliomaduste nõuded üha kõrgemale. Räni epitaksiatehnoloogiat, sealhulgas selektiivset epitaksiaalset kasvu (SEG), kasutatakse pingestatud räni või räni germaaniumi (SIGE) epitaksiaalsete kihtide kasvatamiseks konkreetsetes piirkondades, et parandada kandja liikuvust ja suurendada seeläbi transistoride kiirust.

Horisonaalne epitaksiaalne vastuvõtja räni epitaksia jaoks

Ⅳ.Räni epitaxy tehnoloogia probleemid ja väljakutsed

Kuigi räni epitaksia tehnoloogia on küps ja laialdaselt kasutatav, on räniprotsessi epitaksiaalses kasvus siiski mõned väljakutsed ja probleemid:

● Defektikontroll: Epitaksiaalse kasvu ajal võib tekitada mitmesuguseid kristallidefekte, näiteks virnastamise rikked, nihestused, libisemisliinid jne. Need defektid võivad tõsiselt mõjutada seadme elektrilist jõudlust, töökindlust ja saagikust. Defektide juhtimine nõuab äärmiselt puhast keskkonda, optimeeritud protsessiparameetreid ja kvaliteetseid substraate.

● Ühtlus: Epitaksiaalse kihi paksuse ja dopingukontsentratsiooni täiusliku ühtluse saavutamine suure suurusega räni vahvlitele (näiteks 300mm) on jätkuv väljakutse. Ebaühendus võib põhjustada erinevusi seadme jõudluses samal vahvlil.

● Autodoping: Epitaksiaalse kasvuprotsessi ajal võivad substraadi kõrge kontsentratsiooniga dopandid siseneda kasvavasse epitaksiaalsesse kihti gaasifaasi difusiooni või tahke oleku difusiooni kaudu, põhjustades epitaksiaalse kihi dopingukontsentratsiooni eeldatavast väärtusest, eriti epitaksiaalse kihi ja substraadi vahelise liidese lähedale. See on üks teemadest, mida tuleb räni epitaxy protsessis käsitleda.

● Pinna morfoloogia: Epitaksiaalse kihi pind peab jääma väga tasaseks ja kõik karedus või pinna defektid (näiteks udused) mõjutavad järgnevaid protsesse, näiteks litograafia.

● Maksumus: Võrreldes tavaliste poleeritud ränivahveritega lisab epitaksiaalse räni vahvlite tootmine täiendavaid protsessietappe ja seadmete investeeringuid, mille tulemuseks on suuremad kulud.

● Valikulise epitaksia väljakutsed: Täiustatud protsessides paneb selektiivne epitaksiaalne kasv (kasv ainult konkreetsetes piirkondades) suuremad nõudmised protsesside kontrollimisel, näiteks kasvukiiruse selektiivsuses, külgmise ülekasvu kontroll jne.

Ⅴ.Järeldus

Peamise pooljuhtmaterjali ettevalmistamise tehnoloogianaräni epitaksiaon võime kasvatada täpselt ühekristaksiaalsete räni kihtide kvaliteetseid ühekristaksiaalseid ja füüsikalisi omadusi ühekristalliliste räni substraatidel. Räni epitaxy protsessi parameetrite nagu temperatuur, rõhk ja õhuvool täpse juhtimise kaudu saab kihi paksust ja dopingu jaotust kohandada nii, et see vastaks mitmesuguste pooljuhtide rakenduste, näiteks CMO -de, energiaseadmete ja andurite vajadustele.

Ehkki räni epitaksiaalne kasv seisab silmitsi selliste väljakutsetega nagu defektide tõrje, ühtlus, enese doping ja kulud koos tehnoloogia pideva edenemisega, on Silicon Epitaxy endiselt üks peamisi liikumapanevaid jõude jõudluse parandamise ja pooljuhtide seadmete funktsionaalse innovatsiooni edendamisel ning selle positsioonis epitaksiaalses räni vahvli tootmises on parandamatu.