ลักษณะของซิลิคอน epitaxy

ซิลิกอน epitaxyเป็นกระบวนการพื้นฐานที่สำคัญในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่ หมายถึงกระบวนการปลูกฟิล์มบางซิลิคอนผลึกเดี่ยวตั้งแต่หนึ่งชั้นขึ้นไปโดยมีโครงสร้างผลึก ความหนา ความเข้มข้นของสารต้องห้าม และประเภทเฉพาะบนพื้นผิวซิลิกอนผลึกเดี่ยวขัดเงาอย่างแม่นยำ ฟิล์มที่โตแล้วนี้เรียกว่าชั้น epitaxis (Epitaxis Layer หรือ Epi Layer) และแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนที่มีชั้น epitaxis เรียกว่าแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน epitaxis ลักษณะสำคัญของมันคือชั้นซิลิกอนเอพิเทเชียลที่เติบโตใหม่เป็นการต่อยอดของโครงสร้างโครงตาข่ายของซับสเตรตในผลึกศาสตร์ โดยคงการวางแนวของคริสตัลเหมือนกับซับสเตรต ทำให้เกิดโครงสร้างผลึกเดี่ยวที่สมบูรณ์แบบ ซึ่งช่วยให้ชั้นเอพิเทแอกเซียลได้รับการออกแบบคุณสมบัติทางไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำ ซึ่งแตกต่างจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าของซับสเตรต จึงเป็นพื้นฐานสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูง

แนวตั้ง Epitaxus Susceptor สำหรับซิลิคอน Epitaxy

Ⅰ. Silicon Epitaxy คืออะไร?

1) คำจำกัดความ: Silicon epitaxy เป็นเทคโนโลยีที่สะสมอะตอมของซิลิคอนไว้บนสารตั้งต้นของซิลิคอนผลึกเดี่ยวโดยวิธีทางเคมีหรือกายภาพ และจัดเรียงตามโครงสร้างตาข่ายของสารตั้งต้นเพื่อสร้างฟิล์มบางของซิลิคอนผลึกเดี่ยวใหม่

2) การจับคู่ขัดแตะ: คุณลักษณะหลักคือความเป็นระเบียบเรียบร้อยของการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว อะตอมของซิลิคอนที่สะสมอยู่นั้นไม่ได้เรียงซ้อนกันแบบสุ่ม แต่จะถูกจัดเรียงตามการวางแนวคริสตัลของซับสเตรตภายใต้การแนะนำของ "เทมเพลต" ที่อะตอมบนพื้นผิวของซับสเตรต ทำให้เกิดการจำลองที่แม่นยำระดับอะตอม เพื่อให้แน่ใจว่าชั้นเอปิแทกเซียลเป็นผลึกเดี่ยวคุณภาพสูง แทนที่จะเป็นโพลีคริสตัลไลน์หรืออสัณฐาน

3) ความสามารถในการควบคุม: กระบวนการซิลิกอนเอพิแทกซีช่วยให้สามารถควบคุมความหนาของชั้นการเจริญเติบโต (ตั้งแต่นาโนเมตรไปจนถึงไมโครเมตร) ประเภทยาสลบ (ประเภท N หรือประเภท P) และความเข้มข้นของยาสลบได้อย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยให้บริเวณที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าแตกต่างกันสามารถเกิดขึ้นได้บนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเดียวกัน ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตวงจรรวมที่ซับซ้อน

4) ลักษณะอินเทอร์เฟซ: ส่วนต่อประสานถูกสร้างขึ้นระหว่างชั้น epitaxis และสารตั้งต้น ตามหลักการแล้ว อินเทอร์เฟซนี้จะเรียบแบบอะตอมมิกและปราศจากการปนเปื้อน อย่างไรก็ตาม คุณภาพของอินเทอร์เฟซมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของชั้นเอพิเทเชียล และข้อบกพร่องหรือการปนเปื้อนใดๆ อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพขั้นสุดท้ายของอุปกรณ์

Ⅱ. หลักการของซิลิคอนอีพิแทกซี

การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวของซิลิคอนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการให้พลังงานและสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมเพื่อให้อะตอมของซิลิคอนเคลื่อนที่บนพื้นผิวของสารตั้งต้น และค้นหาตำแหน่งโครงข่ายพลังงานที่ต่ำที่สุดสำหรับการรวมกัน เทคโนโลยีที่ใช้กันมากที่สุดในปัจจุบันคือ Chemical Vapour Deposition (CVD)

การสะสมไอสารเคมี (CVD): นี่เป็นวิธีการกระแสหลักเพื่อให้ได้ซิลิคอนเอพิแทกซี หลักการพื้นฐานของมันคือ:

● การขนส่งสารตั้งต้น: ก๊าซที่มีองค์ประกอบซิลิกอน (สารตั้งต้น) เช่น ไซเลน (SiH4), ไดคลอโรไซเลน (SiH2Cl2) หรือไตรคลอโรซิเลน (SiHCl3) และก๊าซเจือปน (เช่น ฟอสฟีน PH3 สำหรับสารเติมแต่งชนิด N และไดโบเรน B2H6 สำหรับการเติมสารประเภท P) จะถูกผสมในสัดส่วนที่แม่นยำและส่งผ่านไปยังห้องปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง

● ปฏิกิริยาพื้นผิว: ที่อุณหภูมิสูง (โดยปกติจะอยู่ระหว่าง 900°C ถึง 1200°C) ก๊าซเหล่านี้จะเกิดการสลายตัวทางเคมีหรือปฏิกิริยาบนพื้นผิวของซับสเตรตซิลิกอนที่ได้รับความร้อน ตัวอย่างเช่น SiH4→Si(ของแข็ง)+2H2(แก๊ส)

● การโยกย้ายพื้นผิวและการเกิดนิวเคลียส: อะตอมของซิลิคอนที่เกิดจากการสลายตัวจะถูกดูดซับไปที่พื้นผิวของสารตั้งต้นและเคลื่อนตัวไปบนพื้นผิว ในที่สุดก็จะพบตำแหน่งขัดแตะที่เหมาะสมเพื่อรวมเข้าด้วยกันและเริ่มก่อตัวเป็นอะตอมใหม่ชั้นคริสตัล คุณภาพของซิลิคอนการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวขึ้นอยู่กับการควบคุมขั้นตอนนี้เป็นหลัก

● การเจริญเติบโตแบบชั้น: ชั้นอะตอมที่สะสมใหม่จะทำซ้ำโครงสร้างโครงตาข่ายของซับสเตรตซ้ำอย่างต่อเนื่อง ขยายตัวทีละชั้น และสร้างชั้นซิลิกอนเอปิแทกเซียลที่มีความหนาเฉพาะ

พารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญ: คุณภาพของกระบวนการ epitaxy ของซิลิคอนได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด และพารามิเตอร์ที่สำคัญ ได้แก่ :

● อุณหภูมิ: ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา การเคลื่อนที่ของพื้นผิว และการเกิดข้อบกพร่อง

● ความดัน: ส่งผลต่อการเคลื่อนย้ายก๊าซและเส้นทางปฏิกิริยา

● การไหลของก๊าซและอัตราส่วน: กำหนดอัตราการเติบโตและความเข้มข้นของสารต้องห้าม

● ความสะอาดพื้นผิวของพื้นผิว: สิ่งปนเปื้อนใด ๆ อาจเป็นที่มาของข้อบกพร่อง

● เทคโนโลยีอื่นๆ: แม้ว่า CVD จะเป็นกระแสหลัก แต่เทคโนโลยีต่างๆ เช่น Molecular Beam Epitaxy (MBE) ก็สามารถนำมาใช้กับ Silicon Epitaxy ได้เช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการวิจัยและพัฒนาหรือการใช้งานพิเศษที่ต้องการการควบคุมที่มีความแม่นยำสูงมากMBE จะระเหยแหล่งซิลิคอนโดยตรงในสภาพแวดล้อมสุญญากาศที่สูงเป็นพิเศษ และลำแสงอะตอมหรือโมเลกุลจะถูกฉายโดยตรงบนพื้นผิวเพื่อการเจริญเติบโต

Ⅲ. การประยุกต์เฉพาะของเทคโนโลยีซิลิกอนเอพิแทกซีในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

เทคโนโลยี Silicon Epitaxy ได้ขยายขอบเขตการใช้งานของวัสดุซิลิกอนอย่างมาก และเป็นส่วนที่ขาดไม่ได้ในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงจำนวนมาก

● เทคโนโลยีซีมอส: ในชิปลอจิกประสิทธิภาพสูง (เช่น CPU และ GPU) ชั้นอีพิแทกเซียลซิลิคอนที่มีสารเจือต่ำ (P− หรือ N−) มักจะถูกปลูกบนพื้นผิวที่มีสารเจือสูง (P+ หรือ N+) โครงสร้างเวเฟอร์ซิลิกอน epitaxis นี้สามารถระงับเอฟเฟกต์สลักอัพ (Latch-up) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปรับปรุงความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ และรักษาความต้านทานต่ำของซับสเตรต ซึ่งเอื้อต่อการนำกระแสไฟฟ้าและการกระจายความร้อน

● ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ (BJT) และ BiCMOS: ในอุปกรณ์เหล่านี้ ซิลิกอนเอพิแทกซีถูกใช้เพื่อสร้างโครงสร้างอย่างแม่นยำ เช่น ส่วนฐานหรือส่วนสะสม และอัตราขยาย ความเร็ว และคุณลักษณะอื่นๆ ของทรานซิสเตอร์ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมโดยการควบคุมความเข้มข้นของสารต้องห้ามและความหนาของชั้นเอพิแทกเซียล

● เซ็นเซอร์รับภาพ (CIS): ในการใช้งานเซนเซอร์ภาพบางประเภท เวเฟอร์ซิลิกอนแบบเอปิเทกเซียลสามารถปรับปรุงการแยกพิกเซลทางไฟฟ้า ลดสัญญาณรบกวน และเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริคได้ ชั้นอีพิแทกเซียลช่วยให้พื้นที่ทำงานสะอาดขึ้นและมีข้อบกพร่องน้อยลง

● โหนดกระบวนการขั้นสูง: เนื่องจากขนาดอุปกรณ์ยังคงหดตัว ข้อกำหนดสำหรับคุณสมบัติของวัสดุก็เริ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ เทคโนโลยี Silicon Epitaxy รวมถึง Selective Epitaxy Growth (SEG) ใช้ในการขยายชั้น Epitaxis ของซิลิคอนหรือซิลิคอนเจอร์เมเนียม (SiGe) ที่เครียดในพื้นที่เฉพาะ เพื่อปรับปรุงการเคลื่อนที่ของพาหะ และเพิ่มความเร็วของทรานซิสเตอร์

Horizonal Epitaxy Susceptor สำหรับซิลิคอน Epitaxy

Ⅳ.ปัญหาและความท้าทายของเทคโนโลยีซิลิคอนเอพิแทกซี

แม้ว่าเทคโนโลยีซิลิคอนอีพิแทกซีจะเติบโตเต็มที่และใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ก็ยังมีความท้าทายและปัญหาบางประการในการเติบโตของอีพิแทกเซียลของกระบวนการซิลิคอน:

● การควบคุมข้อบกพร่อง: ข้อบกพร่องของผลึกต่างๆ เช่น ความผิดพลาดในการซ้อน การเคลื่อนตัว เส้นเลื่อน ฯลฯ อาจเกิดขึ้นได้ในระหว่างการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว ข้อบกพร่องเหล่านี้อาจส่งผลกระทบร้ายแรงต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ความน่าเชื่อถือ และผลผลิตของอุปกรณ์ การควบคุมข้อบกพร่องต้องใช้สภาพแวดล้อมที่สะอาดอย่างยิ่ง พารามิเตอร์กระบวนการที่ได้รับการปรับปรุง และวัสดุพิมพ์คุณภาพสูง

● ความสม่ำเสมอ: การบรรลุความสม่ำเสมอที่สมบูรณ์แบบของความหนาของชั้นเอปิแทกเซียลและความเข้มข้นของสารโด๊ปบนเวเฟอร์ซิลิคอนขนาดใหญ่ (เช่น 300 มม.) ถือเป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่อง ความไม่สม่ำเสมออาจนำไปสู่ความแตกต่างในประสิทธิภาพของอุปกรณ์บนเวเฟอร์เดียวกัน

● สารเติมแต่งอัตโนมัติ: ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว สารเจือปนที่มีความเข้มข้นสูงในสารตั้งต้นอาจเข้าสู่ชั้นเยื่อบุผิวที่กำลังเติบโตผ่านการแพร่กระจายของเฟสก๊าซหรือการแพร่กระจายของโซลิดสเตต ส่งผลให้ความเข้มข้นของสารเจือปนของชั้นเยื่อบุผิวเบี่ยงเบนไปจากค่าที่คาดหวัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งใกล้กับส่วนต่อประสานระหว่างชั้นเยื่อบุผิวและสารตั้งต้น นี่เป็นหนึ่งในปัญหาที่ต้องแก้ไขในกระบวนการ epitaxy ของซิลิคอน

● สัณฐานวิทยาของพื้นผิว: พื้นผิวของชั้น epitaxis จะต้องมีความเรียบสูง และความหยาบหรือข้อบกพร่องของพื้นผิว (เช่น หมอกควัน) จะส่งผลต่อกระบวนการที่ตามมา เช่น การพิมพ์หิน

● ค่าใช้จ่าย: เมื่อเปรียบเทียบกับเวเฟอร์ซิลิคอนขัดเงาทั่วไป การผลิตเวเฟอร์ซิลิกอนแบบเอพิแทกเซียลจะเพิ่มขั้นตอนกระบวนการและการลงทุนในอุปกรณ์เพิ่มเติม ส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้น

● ความท้าทายของ Selective Epitaxy: ในกระบวนการขั้นสูง การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวแบบเลือกสรร (การเติบโตเฉพาะในพื้นที่เฉพาะ) ทำให้มีความต้องการการควบคุมกระบวนการที่สูงขึ้น เช่น การเลือกอัตราการเติบโต การควบคุมการเจริญเติบโตมากเกินไปด้านข้าง เป็นต้น

Ⅴ.บทสรุป

เป็นเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญ คุณลักษณะหลักของซิลิกอน epitaxyคือความสามารถในการขยายชั้นซิลิกอนผลึกเดี่ยวคุณภาพสูงได้อย่างแม่นยำ พร้อมคุณสมบัติทางไฟฟ้าและกายภาพจำเพาะบนพื้นผิวซิลิกอนผลึกเดี่ยว ด้วยการควบคุมอุณหภูมิ ความดัน และการไหลของอากาศที่แม่นยำในกระบวนการซิลิคอนเอพิแทกซี ความหนาของชั้นและการกระจายตัวของสารโด๊ปจึงสามารถปรับแต่งได้เพื่อตอบสนองความต้องการของการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ เช่น CMOS อุปกรณ์ไฟฟ้า และเซ็นเซอร์

แม้ว่าการเติบโตของซิลิคอนในชั้น epitaxis จะต้องเผชิญกับความท้าทาย เช่น การควบคุมข้อบกพร่อง ความสม่ำเสมอ การเติมสารในตัวเอง และต้นทุน ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง แต่ซิลิคอน epitaxy ยังคงเป็นหนึ่งในแรงผลักดันหลักในการส่งเสริมการปรับปรุงประสิทธิภาพและนวัตกรรมด้านการทำงานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ และตำแหน่งของมันในการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนใน epitaxis ก็ไม่สามารถทดแทนได้