خصوصیات اپیتاکس سیلیکون

سیلیسیک فرآیند اساسی اساسی در تولید نیمه هادی مدرن است. این ماده به فرآیند رشد یک یا چند لایه از فیلم های نازک سیلیکون تک کریستالی با ساختار کریستالی خاص ، ضخامت ، غلظت دوپینگ و نوع بر روی بستر سیلیکون تک کریستالی دقیقاً صیقلی اشاره دارد. این فیلم رشد یافته به عنوان یک لایه اپیتاکسیال (لایه اپیتاکسیال یا لایه EPI) نامیده می شود ، و یک ویفر سیلیکون با یک لایه اپیتاکسیال یک ویفر سیلیکون اپی کلیسای نامیده می شود. ویژگی اصلی آن این است که لایه سیلیکون اپی کلیسای تازه رشد یافته ، ادامه ساختار شبکه بستر در کریستالوگرافی است و همان جهت گیری کریستالی را به عنوان بستر حفظ می کند و یک ساختار کریستالی کامل را تشکیل می دهد. این اجازه می دهد تا لایه اپیتاکسیال دارای خواص الکتریکی دقیقی باشد که با آن از بستر متفاوت است ، بنابراین پایه ای برای تولید دستگاه های نیمه هادی با کارایی بالا فراهم می کند.

حساس اپی کلیسای ورتیال برای اپیتاکسی سیلیکون

ⅰ Epitaxy سیلیکون چیست؟

1) تعریف: Silicon Epitaxy یک فناوری است که اتم های سیلیکون را بر روی یک بستر سیلیکون تک کریستالی با روش های شیمیایی یا فیزیکی رسوب می کند و آنها را مطابق ساختار شبکه بستر برای رشد یک فیلم نازک سیلیکون تک کریستالی جدید ترتیب می دهد.

2） تطبیق شبکه: ویژگی اصلی ترتیب رشد اپیتاکسیال است. اتم های سیلیکون رسوب شده به طور تصادفی انباشته نمی شوند ، اما با توجه به جهت گیری کریستالی بستر تحت هدایت "الگوی" ارائه شده توسط اتم های روی سطح بستر ، دستیابی به تکثیر دقیق سطح اتمی ترتیب داده می شوند. این تضمین می کند که لایه اپیتاکسیال یک کریستال با کیفیت بالا و نه پلی کریستالی یا آمورف است.

3 قابلیت کنترل: فرآیند اپیتاکسی سیلیکون امکان کنترل دقیق ضخامت لایه رشد (از نانومتر تا میکرومتر) ، نوع دوپینگ (نوع N یا نوع P) و غلظت دوپینگ را فراهم می کند. این امر به مناطقی که دارای خواص الکتریکی مختلفی هستند ، در همان ویفر سیلیکون ، که کلید تولید مدارهای مجتمع مجتمع است ، تشکیل می شود.

ویژگی های رابط 4: یک رابط بین لایه اپیتاکسیال و بستر تشکیل می شود. در حالت ایده آل ، این رابط از نظر اتمی مسطح و بدون آلودگی است. با این حال ، کیفیت رابط برای عملکرد لایه اپیتاکسیال بسیار مهم است و هرگونه نقص یا آلودگی ممکن است بر عملکرد نهایی دستگاه تأثیر بگذارد.

ⅱ اصول Epitaxy سیلیکون

رشد اپیتاکسی سیلیکون عمدتاً به تأمین انرژی و محیط مناسب برای مهاجرت اتم های سیلیکون برای مهاجرت بر روی سطح بستر و یافتن کمترین موقعیت شبکه شبکه برای ترکیب بستگی دارد. متداول ترین فناوری در حال حاضر رسوب بخار شیمیایی (CVD) است.

رسوب بخار شیمیایی (CVD): این روش اصلی برای دستیابی به اپیتاکسی سیلیکون است. اصول اساسی آن عبارتند از:

● پیشرو حمل و نقل: بنزین حاوی عنصر سیلیکون (پیش ساز) ، مانند Silane (SIH4) ، Dichlorosilane (SIH2Cl2) یا Trichlorosilane (SIHCL3) ، و گاز دوپانت (مانند فسفین PH3 برای دوپینگ نوع N و دیبوران B2H6 برای دوپینگ نوع P-Typec

● واکنش سطحی: در دماهای بالا (معمولاً بین 900 درجه سانتیگراد و 1200 درجه سانتیگراد) ، این گازها تحت تجزیه شیمیایی یا واکنش روی سطح بستر سیلیکون گرم شده قرار می گیرند. به عنوان مثال ، SIH4 → Si (جامد)+2H2 (گاز).

● مهاجرت سطحی و هسته: اتم های سیلیکون تولید شده توسط تجزیه به سطح بستر جذب می شوند و روی سطح مهاجرت می کنند و در نهایت پیدا کردن سایت مشبک مناسب برای ترکیب و شروع به شکل گیری یک تک آهنگ جدیدلایه کریستال. کیفیت سیلیکون رشد اپیتاکسیال تا حد زیادی به کنترل این مرحله بستگی دارد.

● رشد لایه ای: لایه اتمی تازه سپرده شده به طور مداوم ساختار شبکه بستر را تکرار می کند ، لایه را به صورت لایه رشد می کند و یک لایه سیلیکون اپیتاکسیال با ضخامت خاص تشکیل می دهد.

پارامترهای فرآیند کلیدی: کیفیت فرآیند Epitaxy Silicon به شدت کنترل می شود و پارامترهای اصلی عبارتند از:

● درجه حرارت: بر میزان واکنش ، تحرک سطحی و تشکیل نقص تأثیر می گذارد.

● فشار: بر انتقال گاز و مسیر واکنش تأثیر می گذارد.

● جریان گاز و نسبت: میزان رشد و غلظت دوپینگ را تعیین می کند.

● پاکیزگی سطح بستر: هر آلودگی ممکن است منشأ نقص باشد.

● سایر فن آوری ها: اگرچه CVD جریان اصلی است ، از فناوری هایی مانند Epitaxy پرتو مولکولی (MBE) نیز می توان برای اپیتاکسی سیلیکون استفاده کرد ، به خصوص در R&D یا برنامه های ویژه ای که نیاز به کنترل دقت بسیار بالایی دارند.MBE به طور مستقیم منابع سیلیکون را در یک محیط خلاء فوق العاده بالا تبخیر می کند ، و تیرهای اتمی یا مولکولی به طور مستقیم بر روی بستر برای رشد پیش بینی می شوند.

ⅲ برنامه های خاص فناوری Epitaxy سیلیکون در ساخت نیمه هادی

فناوری Epitaxy Silicon دامنه کاربرد مواد سیلیکون را تا حد زیادی گسترش داده و بخش مهمی از تولید بسیاری از دستگاه های نیمه هادی پیشرفته است.

● فناوری CMOS: در تراشه های منطق با کارایی بالا (مانند CPU و GPU) ، یک لایه سیلیکون اپیتاکسیال کم دوپ (P− یا N−) اغلب در یک بستر به شدت دوپ (P+ یا N+) رشد می کند. این ساختار ویفر سیلیکون اپیتاکسیال می تواند به طور موثری اثر قفل کردن (قفل کردن) را سرکوب کند ، قابلیت اطمینان دستگاه را بهبود بخشد و مقاومت کم بستر را حفظ کند ، که این امر منجر به هدایت جریان و اتلاف گرما می شود.

● ترانزیستورهای دو قطبی (BJT) و BICMO: در این دستگاه ها ، از اپی توپ سیلیكون برای ساخت دقیق ساختارهایی مانند پایه یا منطقه جمع كننده استفاده می شود و افزایش ، سرعت و سایر خصوصیات ترانزیستور با كنترل غلظت دوپینگ و ضخامت لایه اپیتاكسیال بهینه می شود.

● سنسور تصویر (CIS): در برخی از کاربردهای سنسور تصویر ، ویفرهای سیلیکون اپیتاکسیال می توانند جداسازی الکتریکی پیکسل ها را بهبود بخشند ، متقاطع را کاهش داده و راندمان تبدیل فوتوالکتریک را بهینه کنند. لایه epitaxial یک منطقه فعال تمیزتر و کم نظیر را فراهم می کند.

● گره های فرآیند پیشرفته: از آنجا که اندازه دستگاه همچنان در حال کوچک شدن است ، الزامات مربوط به خصوصیات مواد بیشتر و بیشتر می شود. فناوری اپیتاکس سیلیکون ، از جمله رشد انتخابی اپیتاکسیال (SEG) ، برای رشد لایه های اپیتاکسی سیلیکون یا سیلیکون ژرمنیوم (SIGE) در مناطق خاص برای بهبود تحرک حامل و در نتیجه افزایش سرعت ترانزیستورها استفاده می شود.

حساس اپی کلیسای افق برای اپیتاکس سیلیکون

ⅳمشکلات و چالش های فناوری epitaxy سیلیکون

اگرچه فناوری اپیتاکس سیلیکون بالغ و به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد ، اما هنوز هم برخی از چالش ها و مشکلات در رشد اپیتاکسی فرآیند سیلیکون وجود دارد:

● کنترل نقص: نقص های مختلف کریستالی مانند گسل های انباشته ، جابجایی ، خطوط لغزش و غیره ممکن است در طول رشد اپیتاکسی ایجاد شود. این نقص می تواند به طور جدی بر عملکرد الکتریکی ، قابلیت اطمینان و عملکرد دستگاه تأثیر بگذارد. کنترل نقص به یک محیط بسیار تمیز ، پارامترهای بهینه شده فرآیند و بسترهای با کیفیت بالا نیاز دارد.

● یکسان بودن: دستیابی به یکنواختی کامل از ضخامت لایه اپیتاکسیال و غلظت دوپینگ بر روی ویفرهای سیلیکونی با اندازه بزرگ (مانند 300 میلی متر) یک چالش مداوم است. عدم یکنواختی می تواند منجر به تفاوت در عملکرد دستگاه در همان ویفر شود.

● خودجایی: در طی فرآیند رشد اپیتاکسیال ، دوپانتهای با غلظت بالا در بستر ممکن است از طریق انتشار فاز گاز یا انتشار حالت جامد وارد لایه اپیتاکسیال رو به رشد شوند و باعث می شود غلظت دوپینگ لایه اپیتاکسیال از مقدار مورد انتظار منحرف شود ، به خصوص در نزدیکی رابط بین لایه اپی توپ و بستر. این یکی از موضوعاتی است که باید در فرآیند Epitaxy سیلیکون مورد توجه قرار گیرد.

● مورفولوژی سطحی: سطح لایه اپیتاکسیال باید بسیار مسطح باقی بماند ، و هرگونه زبری یا نقص سطح (مانند مه) بر فرآیندهای بعدی مانند لیتوگرافی تأثیر می گذارد.

● هزینه: در مقایسه با ویفرهای سیلیکون معمولی جلا ، تولید ویفرهای سیلیکون اپیتاکسیال مراحل فرآیند اضافی و سرمایه گذاری تجهیزات را اضافه می کند و در نتیجه هزینه های بیشتری نیز به همراه دارد.

● چالش های اپیتاکس انتخابی: در فرآیندهای پیشرفته ، رشد انتخابی اپیتاکسیال (فقط در مناطق خاص) تقاضاهای بالاتری را برای کنترل فرآیند ، مانند انتخاب نرخ رشد ، کنترل رشد جانبی و غیره قرار می دهد.

ⅴپایان

به عنوان یک فناوری آماده سازی اصلی مواد نیمه هادی ، ویژگی اصلی آنسیلیستوانایی رشد دقیق لایه های سیلیکون تک کریستالی با کیفیت بالا با خصوصیات الکتریکی و فیزیکی خاص در بسترهای سیلیکون تک کریستالی است. از طریق کنترل دقیق پارامترهایی مانند دما ، فشار و جریان هوا در فرآیند اپیتاکسی سیلیکون ، می توان ضخامت لایه و توزیع دوپینگ را برای رفع نیازهای برنامه های مختلف نیمه هادی مانند CMO ، دستگاه های برق و سنسورها تنظیم کرد.

اگرچه رشد اپیتاکسیال سیلیکون با چالش هایی مانند کنترل نقص ، یکنواختی ، خودپرداز و هزینه روبرو است ، با پیشرفت مداوم فناوری ، سیلیسون اپیتاکس هنوز یکی از نیروهای اصلی برای ارتقاء عملکرد و نوآوری عملکردی دستگاههای نیمه هادی است و موقعیت آن در تولید سیلیکون اپیتاکسیال بازپرداخت مجدد است.