Piin epitaksin ominaisuudet

Piin epitaksion ratkaiseva perusprosessi nykyaikaisessa puolijohdevalmistuksessa. Se viittaa prosessiin, jolla kasvatetaan yksi tai useampi yksi-kiteistä piidiohanakalvoja, joissa on spesifinen kiderakenne, paksuus, seostamispitoisuus ja tyyppi tarkasti kiillotetussa yksikristallipihasubstraatissa. Tätä kasvatettua kalvoa kutsutaan epitaksiaalikerrokseksi (epitaksiaalikerros tai EPI -kerros), ja epitaksiaalikerroksella varustettua piitä kiekkoa kutsutaan epitaksiaaliseksi piikiekoksi. Sen ydinominaisuus on, että äskettäin kasvatettu epitaksiaalinen piihakerros on jatkoa substraattihiilirakenteeseen kristallografiassa, ylläpitäen samaa kidesuuntausta kuin substraatti, muodostaen täydellisen yhden kiderakenteen. Tämä mahdollistaa epitaksiaalikerroksen olevan tarkasti suunnitellut sähköiset ominaisuudet, jotka eroavat substraatin ominaisuuksista, mikä tarjoaa perustan korkean suorituskyvyn puolijohdelaitteiden valmistukselle.

Piiliipien vertiaalinen epitaksiaalinen alttiu

Ⅰ. Mikä on piin epitaksi?

1) Määritelmä: Piiliipien epitaksi on tekniikka, joka kerrostuu piisidiatomeihin yksikiteiseen piisubstraattiin kemiallisilla tai fysikaalisilla menetelmillä ja järjestää ne substraattihilan rakenteen mukaan uuden yksikiteisen piin ohutkalvon kasvattamiseksi.

2） hilan sovitus: Ydinominaisuus on epitaksiaalisen kasvun järjestys. Talletut piitatomat eivät ole satunnaisesti pinottuja, vaan ne on järjestetty substraatin kidesuuntauksen mukaisesti substraatin pinnalla toimittamien "mallin" ohjauksen mukaisesti, mikä saavuttaa atomitason tarkan replikaation. Tämä varmistaa, että epitaksiaalikerros on korkealaatuinen yksikite, eikä monikiteinen tai amorfinen.

3） hallittavuus: Piiliepitaksiprosessi mahdollistaa kasvukerroksen paksuuden tarkan hallinnan (nanometreistä mikrometreihin), dopingtyypin (N-tyypin tai P-tyypin) ja seosinpitoisuuden. Tämä mahdollistaa alueet, joilla on erilaisia ​​sähköominaisuuksia, muodostuu samaan piikiekkoon, mikä on avain kompleksien integroitujen piirien valmistukseen.

4） Liitäntäominaisuudet: Epitaksiaalikerroksen ja substraatin väliin muodostuu rajapinta. Ihannetapauksessa tämä rajapinta on atomisesti litteä ja saastuminen. Rajapinnan laatu on kuitenkin kriittinen epitaksiaalikerroksen suorituskyvyn kannalta, ja mahdolliset puutteet tai saastuminen voivat vaikuttaa laitteen lopulliseen suorituskykyyn.

Ⅱ. Piiliipien periaatteet

Pian epitaksiaalinen kasvu riippuu pääasiassa siitä, että se tarjoaa oikean energian ja ympäristön piidiomien siirtymiseksi substraatin pinnalle ja löytää pienin energian hila -sijainti yhdistelmälle. Tällä hetkellä yleisimmin käytetty tekniikka on kemiallinen höyryn laskeutuminen (CVD).

Kemiallinen höyryn laskeuma (CVD): Tämä on valtavirran menetelmä piin epitaksian saavuttamiseksi. Sen perusperiaatteet ovat:

● Edeltäjäkuljetus: Kaasu, joka sisältää pii-elementtiä (esiaste), kuten silaani (SIH4), diklorosilaani (SIH2CL2) tai triklorosilaani (SIHCL3) ja lisäainekaasu (kuten fosfiini Ph3 N-tyypin dopingille ja diboraani B2H6: lle P-Type-dopingille) ovat sekoittuneita p-temperatuurikampanjoille.

● Pintareaktio: Korkeissa lämpötiloissa (yleensä välillä 900 ° C - 1200 ° C) nämä kaasut läpikäyvät kemiallisen hajoamisen tai reaktion lämmitetyn piitalustan pinnalla. Esimerkiksi SIH4 → Si (kiinteä)+2H2 (kaasu).

● Pinnan kulkeutuminen ja ydin: Hajoamisen tuottamat piittomit adsorboivat substraatin pinnalle ja kulkevat pinnalle, löydäen lopulta oikean hilan paikan yhdistääkseen ja aloittamaan uuden yksittäisen muodostamisenKristallikerros. Epitaksiaalisen kasvun pii riippuu suurelta osin tämän vaiheen hallinnasta.

● Kerroskasvu: Äskettäin kerrostettu atomikerros toistaa jatkuvasti substraatin hilarakenteen, kasvattaa kerroksen kerroksen mukaan ja muodostaa epitaksiaalisen piin kerroksen, jolla on tietty paksuus.

Avainprosessiparametrit: Piilien epitaksiprosessin laatu on tiukasti ohjattu, ja keskeiset parametrit sisältävät:

● Lämpötila: Vaikuttaa reaktionopeuteen, pinnan liikkuvuuteen ja vikojen muodostumiseen.

● Paine: Vaikuttaa kaasun kuljetukseen ja reaktiopolkuon.

● Kaasun virtaus ja suhde: Määrittää kasvunopeuden ja dopingpitoisuuden.

● Substraatin pinnan puhtaus: Mikä tahansa epäpuhtaus voi olla vikojen alkuperä.

● Muut tekniikat: Vaikka CVD on valtavirta, tekniikoita, kuten molekyylisäteen epitaksia (MBE), voidaan käyttää myös piin epitaksissa, etenkin T & K -kehityksissä tai erityissovelluksissa, jotka vaativat erittäin suurta tarkkuuden hallintaa.MBE haihduttaa suoraan piisilähteitä erittäin korkeassa tyhjiöympäristössä, ja atomi- tai molekyylipalkit projisoidaan suoraan substraattiin kasvua varten.

Ⅲ. Piiliipien epitaksitekniikan erityiset sovellukset puolijohteiden valmistuksessa

Piiliepitaksitekniikka on laajentanut huomattavasti piisimateriaalien sovellusaluetta ja on välttämätön osa monien edistyneiden puolijohdelaitteiden valmistusta.

● CMOS technology: Korkean suorituskyvyn logiikka-siruissa (kuten CPU: t ja GPU: t) vähäosoitettua (p-tai n−) epitaksiaalista piihakerrosta kasvatetaan usein voimakkaasti seostetulla (p+ tai n+) substraatilla. Tämä epitaksiaalinen piikiekkojen rakenne voi tehokkaasti tukahduttaa salpa-vaikutuksen (salpa), parantaa laitteen luotettavuutta ja ylläpitää substraatin matalaa vastus, joka edistää virran johtamista ja lämmön hajoamista.

● Bipolaariset transistorit (BJT) ja bicmos: Näissä laitteissa pii -epitaksia käytetään rakenteiden, kuten emäksen tai kollektorien alueen, rakentamiseen tarkasti, ja transistorin vahvistus, nopeus ja muut ominaisuudet optimoidaan säätelemällä epitaksiaalikerroksen dopingpitoisuutta ja paksuutta.

● Kuva -anturi (cis): Joissakin kuva -anturisovelluksissa epitaksiaaliset piidakävelet voivat parantaa pikselien sähköistä eristämistä, vähentää ylikuormitusta ja optimoida fotoelektrisen muuntamistehokkuuden. Epitaksiaalikerros tarjoaa puhtaamman ja vähemmän viallisen aktiivisen alueen.

● Edistyneet prosessisolmut: Kun laitteen koko jatkuu, materiaaliominaisuuksien vaatimukset ovat korkeammat ja korkeammat. Piiliipien tekniikkaa, mukaan lukien selektiivinen epitaksiaalikasvu (SEG), käytetään tiukan pii- tai pii -germanium (SIGE) -epitaksiaalikerrosten kasvattamiseen tietyillä alueilla parantaakseen kantoaaltoliikenteen liikkuvuutta ja siten lisätä transistorien nopeutta.

Pihan epitaksial -epitaksiaalinen herkkuri piin epitaksi

Ⅳ.Piusepitaksitekniikan ongelmat ja haasteet

Vaikka piin epitaksitekniikka on kypsä ja laajasti käytetty, piiprosessin epitaksiaalisessa kasvussa on edelleen joitain haasteita ja ongelmia:

● Vikavalvonta: Epitaksiaalisen kasvun aikana voidaan tuottaa erilaisia ​​kidelinjoja, kuten pinoamisvirheitä, dislokaatioita, liukulinjoja jne. Nämä viat voivat vaikuttaa vakavasti laitteen sähköiseen suorituskykyyn, luotettavuuteen ja satoon. Vian hallinta vaatii erittäin puhtaan ympäristön, optimoidut prosessiparametrit ja korkealaatuiset substraatit.

● Yhtenäisyys: Epitaksiaalikerroksen paksuuden ja dopingpitoisuuden täydellisen yhdenmukaisuuden saavuttaminen suurikokoisiin piikiekkoihin (kuten 300 mm) on jatkuva haaste. Epätasaisuus voi johtaa laitteen suorituskyvyn eroihin samalla kiekolla.

● Autodoping: Epitaksiaalisen kasvuprosessin aikana substraatin korkean kestävyyden lisäaineet voivat päästä kasvavaan epitaksiaalikerrokseen kaasufaasidiffuusion tai kiinteän tilan diffuusion avulla, aiheuttaen epitaksiaalikerroksen seostamispitoisuuden poikkeamiseksi odotetusta arvosta, etenkin lähellä epitaksiaalikerroksen ja substraatin välistä rajapintaa. Tämä on yksi niistä asioista, joihin on käsiteltävä piin epitaksiprosessissa.

● Pintamorfologia: Epitaksiaalikerroksen pinnan on pysyttävä erittäin litteänä, ja mahdolliset karheuden tai pintavirheet (kuten samea) vaikuttavat myöhempiin prosesseihin, kuten litografiaan.

● Maksaa: Verrattuna tavallisiin kiillotettuihin piikiekkoihin, epitaksiaalisten pii -kiekkojen tuotanto lisää lisäprosessivaiheita ja laiteinvestointeja, mikä johtaa korkeampiin kustannuksiin.

● Valikoivan epitaksin haasteet: Edistyneissä prosesseissa selektiivinen epitaksiaalikasvu (kasvu vain tietyillä alueilla) asettaa korkeammat vaatimukset prosessinhallinnasta, kuten kasvunopeuden selektiivisyydestä, sivuttaisen liikakasvun hallinnasta jne.

Ⅴ.Johtopäätös

Keskeisenä puolijohdemateriaalin valmistelutekniikkana, ydinominaisuuspiin epitaksion kyky kasvattaa tarkasti korkealaatuisia yksikiteitä epitaksiaalisia piihakerroksia, joilla on spesifiset sähköiset ja fysikaaliset ominaisuudet yksikristallipidosubstraateilla. Parametrien, kuten lämpötilan, paineen ja ilmavirran tarkan hallinnan avulla piin epitaksiprosessissa, kerroksen paksuus ja seostamisjakauma voidaan räätälöidä vastaamaan erilaisten puolijohdesovellusten, kuten CMO: n, voimalaitteiden ja anturien, tarpeisiin.

Vaikka piin epitaksiaalinen kasvu kohtaa haasteita, kuten vianhallinta, yhdenmukaisuus, itsesovitteleva ja kustannukset, tekniikan jatkuvalla edistymisellä, piin epitaksi on edelleen yksi keskeisistä käyttövoimista suorituskyvyn parantamisen ja puolivälissä olevien laitteiden toiminnallisen innovaatioiden ja sen aseman edistämiseksi ja sen asemasta epitaksiaalisilikonilaisten valmistusten ISEPLACEABLE-laitteissa.