ลักษณะของ epitaxy ซิลิคอน

epitaxy ซิลิคอนเป็นกระบวนการพื้นฐานที่สำคัญในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ทันสมัย มันหมายถึงกระบวนการของการเติบโตอย่างน้อยหนึ่งชั้นของฟิล์มซิลิกอนซิลิกอนผลึกเดี่ยวที่มีโครงสร้างผลึกเฉพาะความหนาความเข้มข้นของยาสลบและพิมพ์บนพื้นผิวซิลิกอนผลึกเดี่ยว ฟิล์มที่โตแล้วนี้เรียกว่าเลเยอร์ epitaxial (เลเยอร์ epitaxial หรือเลเยอร์ EPI) และเวเฟอร์ซิลิคอนที่มีชั้น epitaxial เรียกว่าเวเฟอร์ซิลิคอน epitaxial คุณลักษณะหลักของมันคือชั้นซิลิกอน epitaxial ที่ปลูกใหม่เป็นความต่อเนื่องของโครงสร้างตาข่ายของสารตั้งต้นในการตกผลึกการรักษาทิศทางคริสตัลเช่นเดียวกับสารตั้งต้นสร้างโครงสร้างผลึกเดี่ยวที่สมบูรณ์แบบ สิ่งนี้ช่วยให้เลเยอร์ epitaxial มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ออกแบบมาอย่างแม่นยำซึ่งแตกต่างจากของพื้นผิวดังนั้นจึงเป็นพื้นฐานสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง

vertial epitaxial vensceptor สำหรับ epitaxy ซิลิคอน

ⅰ. Silicon Epitaxy คืออะไร?

1) คำจำกัดความ: silicon epitaxy เป็นเทคโนโลยีที่สะสมอะตอมซิลิกอนบนพื้นผิวซิลิกอนผลึกเดี่ยวโดยวิธีการทางเคมีหรือทางกายภาพและจัดเรียงตามโครงสร้างตาข่ายของพื้นผิวเพื่อปลูกฟิล์มซิลิกอนซิลิกอนเดี่ยว

2） การจับคู่ขัดแตะ: คุณสมบัติหลักคือความเป็นระเบียบของการเติบโตของ epitaxial อะตอมซิลิกอนที่สะสมจะไม่ถูกสุ่มซ้อนกัน แต่ถูกจัดเรียงตามการวางแนวคริสตัลของสารตั้งต้นภายใต้คำแนะนำของ "เทมเพลต" ที่จัดทำโดยอะตอมบนพื้นผิวของพื้นผิวเพื่อให้บรรลุการจำลองแบบระดับอะตอม สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าชั้น epitaxial เป็นผลึกเดี่ยวคุณภาพสูงมากกว่า polycrystalline หรือ amorphous

3） การควบคุม: กระบวนการ epitaxy ซิลิคอนช่วยให้สามารถควบคุมความหนาของชั้นการเจริญเติบโตได้อย่างแม่นยำ (จากนาโนเมตรไปยังไมโครมิเตอร์) ประเภทยาสลบ (ชนิด N หรือ P-type) และความเข้มข้นของยาสลบ สิ่งนี้จะช่วยให้ภูมิภาคที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่แตกต่างกันเกิดขึ้นบนเวเฟอร์ซิลิคอนเดียวกันซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตวงจรรวมที่ซับซ้อน

4） ลักษณะส่วนต่อประสาน: อินเทอร์เฟซเกิดขึ้นระหว่างเลเยอร์ epitaxial และสารตั้งต้น เป็นการดีที่อินเทอร์เฟซนี้แบนแบบอะตอมและไม่มีการปนเปื้อน อย่างไรก็ตามคุณภาพของอินเทอร์เฟซมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของเลเยอร์ epitaxial และข้อบกพร่องหรือการปนเปื้อนใด ๆ อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพสุดท้ายของอุปกรณ์

ⅱ. หลักการของ epitaxy ซิลิคอน

การเจริญเติบโต epitaxial ของซิลิคอนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการให้พลังงานและสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมสำหรับอะตอมซิลิกอนเพื่อโยกย้ายบนพื้นผิวของพื้นผิวและค้นหาตำแหน่งตาข่ายพลังงานต่ำสุดสำหรับการรวมกัน เทคโนโลยีที่ใช้กันมากที่สุดในปัจจุบันคือการสะสมไอเคมี (CVD)

การสะสมไอสารเคมี (CVD): นี่คือวิธีการหลักในการบรรลุ epitaxy ซิลิคอน หลักการพื้นฐานของมันคือ:

● การขนส่งสารตั้งต้น: แก๊สที่มีองค์ประกอบซิลิกอน (สารตั้งต้น) เช่นซิล (SIH4), ไดคลอโรซิเลียน (SIH2CL2) หรือไตรคลอโรซิเลียน (SIHCL3) และก๊าซเจือปน (เช่นฟอสฟีน Ph3

● ปฏิกิริยาพื้นผิว: ที่อุณหภูมิสูง (โดยปกติระหว่าง 900 ° C และ 1200 ° C) ก๊าซเหล่านี้จะได้รับการสลายตัวทางเคมีหรือปฏิกิริยาบนพื้นผิวของสารตั้งต้นซิลิกอนที่ร้อน ตัวอย่างเช่น SIH4 → Si (ของแข็ง)+2H2 (ก๊าซ)

● การย้ายถิ่นของพื้นผิวและนิวเคลียส: อะตอมซิลิคอนที่ผลิตโดยการสลายตัวจะถูกดูดซับไปยังพื้นผิวพื้นผิวและอพยพบนพื้นผิวในที่สุดก็ค้นหาไซต์ตาข่ายที่เหมาะสมเพื่อรวมและเริ่มสร้างซิงเกิ้ลใหม่เลเยอร์คริสตัล คุณภาพของการเจริญเติบโตของ epitaxial silicon ขึ้นอยู่กับการควบคุมของขั้นตอนนี้เป็นส่วนใหญ่

● การเติบโตของชั้น: ชั้นอะตอมที่สะสมใหม่จะทำซ้ำโครงสร้างตาข่ายของพื้นผิวอย่างต่อเนื่องเติบโตเลเยอร์โดยเลเยอร์และสร้างชั้นซิลิกอน epitaxial ที่มีความหนาเฉพาะ

พารามิเตอร์กระบวนการสำคัญ: คุณภาพของกระบวนการ epitaxy ซิลิคอนถูกควบคุมอย่างเคร่งครัดและพารามิเตอร์คีย์รวมถึง:

● อุณหภูมิ: ส่งผลกระทบต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาการเคลื่อนย้ายพื้นผิวและการก่อตัวของข้อบกพร่อง

● ความดัน: ส่งผลกระทบต่อการขนส่งก๊าซและเส้นทางปฏิกิริยา

● การไหลของก๊าซและอัตราส่วน: กำหนดอัตราการเติบโตและความเข้มข้นของยาสลบ

● ความสะอาดของพื้นผิวพื้นผิว: สารปนเปื้อนใด ๆ อาจเป็นที่มาของข้อบกพร่อง

● เทคโนโลยีอื่น ๆ: แม้ว่า CVD เป็นกระแสหลัก แต่ก็สามารถใช้เทคโนโลยีเช่น Epitaxy Molecular Beam (MBE) สำหรับ silicon epitaxy โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน R&D หรือแอปพลิเคชันพิเศษที่ต้องมีการควบคุมความแม่นยำสูงมากMBE ระเหยแหล่งซิลิคอนโดยตรงในสภาพแวดล้อมสูญญากาศสูงเป็นพิเศษและคานอะตอมหรือโมเลกุลจะถูกฉายโดยตรงไปยังสารตั้งต้นเพื่อการเจริญเติบโต

ⅲ. การใช้งานเฉพาะของเทคโนโลยี epitaxy ซิลิคอนในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

เทคโนโลยี Epitaxy ซิลิคอนได้ขยายช่วงการใช้งานของวัสดุซิลิคอนอย่างมากและเป็นส่วนที่ขาดไม่ได้ในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงจำนวนมาก

● เทคโนโลยี CMOS: ในชิปลอจิกประสิทธิภาพสูง (เช่น CPU และ GPU) ชั้นซิลิกอน epitaxial ที่มีเจือต่ำ โครงสร้างเวเฟอร์ซิลิคอน epitaxial นี้สามารถยับยั้งเอฟเฟกต์ latch-up (latch-up) ได้อย่างมีประสิทธิภาพปรับปรุงความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์และรักษาความต้านทานต่ำของสารตั้งต้นซึ่งเอื้อต่อการนำไฟฟ้าและการกระจายความร้อนในปัจจุบัน

● ทรานซิสเตอร์สองขั้ว (BJT) และ BICMOS: ในอุปกรณ์เหล่านี้ Epitaxy ซิลิคอนถูกใช้เพื่อสร้างโครงสร้างอย่างแม่นยำเช่นฐานหรือพื้นที่สะสมและอัตราขยายความเร็วและลักษณะอื่น ๆ ของทรานซิสเตอร์จะได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยการควบคุมความเข้มข้นของยาสลบและความหนาของชั้น epitaxial

● เซ็นเซอร์ภาพ (CIS): ในแอพพลิเคชั่นเซ็นเซอร์ภาพบางตัวเวเฟอร์ซิลิคอน epitaxial สามารถปรับปรุงการแยกทางไฟฟ้าของพิกเซลลด crosstalk และเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริก ชั้น epitaxial ให้พื้นที่ที่สะอาดและมีข้อบกพร่องน้อยกว่า

● โหนดกระบวนการขั้นสูง: เมื่อขนาดอุปกรณ์ลดลงอย่างต่อเนื่องข้อกำหนดสำหรับคุณสมบัติของวัสดุจะสูงขึ้นเรื่อย ๆ เทคโนโลยี epitaxy ของซิลิคอนรวมถึงการเติบโตของ epitaxial selective (SEG) ใช้ในการปลูกซิลิคอนหรือซิลิกอนเจอร์เมนเนียม (SIGE) ชั้น epitaxial ในพื้นที่เฉพาะเพื่อปรับปรุงการเคลื่อนย้ายของผู้ให้บริการและเพิ่มความเร็วของทรานซิสเตอร์

horizonal epitaxial vensceptor สำหรับ epitaxy ซิลิคอน

ⅳ.ปัญหาและความท้าทายของเทคโนโลยี epitaxy ซิลิคอน

แม้ว่าเทคโนโลยี epitaxy ซิลิคอนจะเติบโตและใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ก็ยังมีความท้าทายและปัญหาบางประการในการเติบโตของ epitaxial ของกระบวนการซิลิกอน:

● การควบคุมข้อบกพร่อง: ข้อบกพร่องของผลึกต่าง ๆ เช่นความผิดพลาดในการซ้อนการเคลื่อนที่เส้นลื่น ฯลฯ อาจถูกสร้างขึ้นในระหว่างการเติบโตของ epitaxial ข้อบกพร่องเหล่านี้อาจส่งผลกระทบอย่างจริงจังต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าความน่าเชื่อถือและผลผลิตของอุปกรณ์ การควบคุมข้อบกพร่องต้องมีสภาพแวดล้อมที่สะอาดอย่างมากพารามิเตอร์กระบวนการที่ได้รับการปรับปรุงและพื้นผิวคุณภาพสูง

● ความเหมือนกัน: การบรรลุความสม่ำเสมอที่สมบูรณ์แบบของความหนาของชั้น epitaxial และความเข้มข้นของยาสลบบนเวเฟอร์ซิลิคอนขนาดใหญ่ (เช่น 300 มม.) เป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่อง ความไม่สม่ำเสมอสามารถนำไปสู่ความแตกต่างของประสิทธิภาพของอุปกรณ์บนเวเฟอร์เดียวกัน

● การใช้งานอัตโนมัติ: ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของ epitaxial สารเจือปนความเข้มข้นสูงในสารตั้งต้นอาจเข้าสู่ชั้น epitaxial ที่กำลังเติบโตผ่านการแพร่กระจายของเฟสก๊าซหรือการแพร่กระจายของโซลิดสเตตทำให้เกิดความเข้มข้นของการยาสลบชั้น epitaxial เพื่อเบี่ยงเบนจากค่าที่คาดหวัง นี่เป็นหนึ่งในปัญหาที่ต้องได้รับการแก้ไขในกระบวนการ epitaxy ซิลิคอน

● สัณฐานวิทยาพื้นผิว: พื้นผิวของชั้น epitaxial จะต้องคงที่สูงและความขรุขระหรือข้อบกพร่องของพื้นผิว (เช่นหมอกควัน) จะส่งผลกระทบต่อกระบวนการที่ตามมาเช่นการพิมพ์หิน

● ค่าใช้จ่าย: เมื่อเปรียบเทียบกับเวเฟอร์ซิลิคอนขัดเงาทั่วไปการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอน epitaxial เพิ่มขั้นตอนกระบวนการและการลงทุนอุปกรณ์เพิ่มเติมส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้น

● ความท้าทายของ epitaxy แบบเลือก: ในกระบวนการขั้นสูงการเติบโตของ epitaxial selective (การเติบโตเฉพาะในพื้นที่เฉพาะ) วางความต้องการที่สูงขึ้นในการควบคุมกระบวนการเช่นการเลือกอัตราการเติบโตการควบคุมของการเจริญเติบโตด้านข้าง ฯลฯ ฯลฯ

ⅴ.บทสรุป

ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญคุณลักษณะหลักของepitaxy ซิลิคอนคือความสามารถในการขยายชั้นซิลิกอน epitaxial epitaxial ที่มีคุณภาพสูงอย่างแม่นยำด้วยคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกายภาพเฉพาะบนพื้นผิวซิลิกอนผลึกเดี่ยว ผ่านการควบคุมพารามิเตอร์ที่แม่นยำเช่นอุณหภูมิความดันและการไหลเวียนของอากาศในกระบวนการ epitaxy ซิลิคอนความหนาของชั้นและการกระจายยาสลบสามารถปรับแต่งเพื่อตอบสนองความต้องการของแอปพลิเคชันเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆเช่น CMOS อุปกรณ์พลังงานและเซ็นเซอร์

แม้ว่าการเติบโตของ epitaxial ของซิลิคอนเผชิญกับความท้าทายเช่นการควบคุมข้อบกพร่องความสม่ำเสมอความสม่ำเสมอการใช้ตัวเองและค่าใช้จ่ายด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยี แต่ epitaxy ซิลิคอนยังคงเป็นหนึ่งในแรงผลักดันหลักสำหรับการส่งเสริมการปรับปรุงประสิทธิภาพและนวัตกรรมการทำงานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์