Caractéristiques de l'épitaxie du silicium

Épitaxie en siliciumest un processus de base crucial dans la fabrication moderne de semi-conducteurs. Il fait référence au processus de croissance d'une ou plusieurs couches de films minces de silicium monocristalliers avec une structure cristalline spécifique, une épaisseur, une concentration de dopage et un type sur un substrat de silicium monocristallin avec un cristal monocystal précisément poli. Ce film adulte est appelé une couche épitaxiale (couche épitaxiale ou couche EPI), et une tranche de silicium avec une couche épitaxiale est appelée une tranche de silicium épitaxiale. Sa caractéristique centrale est que la couche de silicium épitaxiale nouvellement cultivée est une continuation de la structure du réseau de substrat en cristallographie, en maintenant la même orientation cristalline que le substrat, formant une structure monocristalline parfaite. Cela permet à la couche épitaxiale d'avoir des propriétés électriques avec précision qui sont différentes de celles du substrat, fournissant ainsi une base pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs haute performance.

Suscepteur épitaxial vertige de l'épitaxie au silicium

Ⅰ. Qu'est-ce que le silicium Epitaxy?

1) Définition: Le silicium Epitaxy est une technologie qui dépose des atomes de silicium sur un substrat de silicium monocristallé par des méthodes chimiques ou physiques et les organise en fonction de la structure du réseau de substrat pour développer un nouveau film mince en silicium monocristallin.

2） Lattice matching: La caractéristique principale est l'ordre de la croissance épitaxiale. Les atomes de silicium déposés ne sont pas empilés au hasard, mais sont disposés en fonction de l'orientation cristalline du substrat sous la direction du "modèle" fourni par les atomes à la surface du substrat, atteignant une réplication précise au niveau atomique. Cela garantit que la couche épitaxiale est un seul cristal de haute qualité, plutôt que polycristallin ou amorphe.

3） Contrôlabilité: Le processus d'épitaxie du silicium permet un contrôle précis de l'épaisseur de la couche de croissance (des nanomètres aux micromètres), du type de dopage (type n ou type p) et la concentration de dopage. Cela permet de former des régions avec différentes propriétés électriques sur la même tranche de silicium, qui est la clé pour fabriquer des circuits intégrés complexes.

4） Caractéristiques d'interface: Une interface est formée entre la couche épitaxiale et le substrat. Idéalement, cette interface est atomiquement plate et sans contamination. Cependant, la qualité de l'interface est essentielle aux performances de la couche épitaxiale, et tout défaut ou contamination peut affecter les performances finales de l'appareil.

Ⅱ. Principes de l'épitaxie au silicium

La croissance épitaxiale du silicium dépend principalement de la fourniture de la bonne énergie et de l'environnement pour que les atomes de silicium migrent à la surface du substrat et trouvent la position du réseau d'énergie la plus faible pour la combinaison. La technologie la plus couramment utilisée est actuellement le dépôt de vapeur chimique (CVD).

Dépôt de vapeur chimique (CVD): Il s'agit de la méthode traditionnelle pour atteindre l'épitaxie au silicium. Ses principes de base sont:

● Transport du précurseur: Le gaz contenant des éléments de silicium (précurseur), tels que le silane (Sih4), le dichlorosilane (SIH2CL2) ou le trichlorosilane (SiHCL3) et le gaz dopant (tels que la phosphine ph3 pour le dopage de type N et le diborane B2H6 pour la dopage du Type P-Tempère) sont mitigés dans les proportions précises et ont été transmises dans la chambre de réaction A High Tempère.

● Réaction de surface: À des températures élevées (généralement entre 900 ° C et 1200 ° C), ces gaz subissent une décomposition ou une réaction chimique à la surface du substrat chauffé en silicium. Par exemple, SIH4 → Si (solide) + 2H2 (gaz).

● Migration de surface et nucléation: Les atomes de silicium produits par décomposition sont adsorbés à la surface du substrat et migrent à la surface, trouvant finalement le site de réseau droit pour combiner et commencer à former un nouveau singleCouche cristalline. La qualité du silicium de croissance épitaxiale dépend en grande partie du contrôle de cette étape.

● Croissance en couches: La couche atomique nouvellement déposée répète en continu la structure du réseau du substrat, augmente la couche par couche et forme une couche de silicium épitaxiale avec une épaisseur spécifique.

Paramètres du processus clé: La qualité du processus d'épitaxie du silicium est strictement contrôlée, et les paramètres clés comprennent:

● Température: affecte la vitesse de réaction, la mobilité de la surface et la formation de défauts.

● Pression: affecte le transport du gaz et le chemin de réaction.

● Débit de gaz et rapport: détermine le taux de croissance et la concentration de dopage.

● Propre de surface du substrat: Tout contaminant peut être l'origine des défauts.

● Autres technologies: Bien que la MCV soit le courant dominant, des technologies telles que l'épitaxie du faisceau moléculaire (MBE) peuvent également être utilisées pour l'épitaxie du silicium, en particulier dans la R&D ou les applications spéciales qui nécessitent un contrôle de précision extrêmement élevé.Le MBE évapore directement les sources de silicium dans un environnement sous vide ultra-élevé, et les faisceaux atomiques ou moléculaires sont directement projetés sur le substrat pour la croissance.

Ⅲ. Applications spécifiques de la technologie d'épitaxie de silicium dans la fabrication de semi-conducteurs

La technologie Elicon Epitaxy a considérablement élargi la gamme d'applications des matériaux de silicium et fait partie indispensable de la fabrication de nombreux dispositifs de semi-conducteurs avancés.

● Technologie CMOS: Dans les puces logiques haute performance (telles que les CPU et les GPU), une couche de silicium épitaxiale à faible dopée (P− ou N−) est souvent cultivée sur un substrat fortement dopé (P + ou N +). Cette structure de plaquette de silicium épitaxiale peut supprimer efficacement l'effet de verrouillage (verrouillage), améliorer la fiabilité des dispositifs et maintenir la faible résistance du substrat, ce qui est propice à la conduction actuelle et à la dissipation de la chaleur.

● Transistors bipolaires (BJT) et bicmos: Dans ces appareils, l'épitaxie du silicium est utilisée pour construire avec précision les structures telles que la région de base ou du collecteur, et le gain, la vitesse et d'autres caractéristiques du transistor sont optimisés en contrôlant la concentration de dopage et l'épaisseur de la couche épitaxiale.

● Capteur d'image (CIS): Dans certaines applications de capteurs d'image, les tranches de silicium épitaxiales peuvent améliorer l'isolement électrique des pixels, réduire la diaphonie et optimiser l'efficacité de conversion photoélectrique. La couche épitaxiale fournit une zone active plus propre et moins défectueuse.

● Nœuds de processus avancés: Alors que la taille de l'appareil continue de rétrécir, les exigences pour les propriétés des matériaux augmentent de plus en plus. La technologie épitaxie de silicium, y compris la croissance épitaxiale sélective (SEG), est utilisée pour cultiver des couches épitaxiales de silicium ou de silicium germanium (sici) dans des zones spécifiques pour améliorer la mobilité des porteurs et ainsi augmenter la vitesse des transistors.

Suscepteur épitaxial horizonal pour l'épitaxie au silicium

Ⅳ.Problèmes et défis de la technologie de l'épitaxie du silicium

Bien que la technologie de l'épitaxie du silicium soit mature et largement utilisée, il y a encore des défis et des problèmes dans la croissance épitaxiale du processus de silicium:

● Contrôle des défauts: Divers défauts cristallins tels que l'empilement des défauts, des dislocations, des lignes de glissement, etc. peuvent être générés pendant la croissance épitaxiale. Ces défauts peuvent sérieusement affecter les performances électriques, la fiabilité et le rendement de l'appareil. Le contrôle des défauts nécessite un environnement extrêmement propre, des paramètres de processus optimisés et des substrats de haute qualité.

● Uniformité: Atteindre une uniformité parfaite de l'épaisseur de la couche épitaxiale et de la concentration de dopage sur des tranches de silicium de grande taille (comme 300 mm) est un défi continu. La non-uniformité peut entraîner des différences dans les performances de l'appareil sur la même tranche.

● Automatiquement: Pendant le processus de croissance épitaxiale, les dopants à haute concentration dans le substrat peuvent entrer dans la couche épitaxiale croissante par diffusion de phase gazeuse ou diffusion à l'état solide, provoquant l'écart de la concentration de dopage de la couche épitaxiale, en particulier près de l'interface entre la couche épitaxiale et le substrat. C'est l'un des problèmes qui doivent être résolus dans le processus d'épitaxie du silicium.

● Morphologie de surface: La surface de la couche épitaxiale doit rester très plate et toute rugosité ou défaut de surface (comme la brume) affectera les processus ultérieurs tels que la lithographie.

● Coût: Par rapport aux tranches de silicium polies en silicium, la production de tranches de silicium épitaxiales ajoute des étapes de processus supplémentaires et des investissements en équipement, entraînant des coûts plus élevés.

● Défis de l'épitaxie sélective: Dans les processus avancés, la croissance épitaxiale sélective (croissance uniquement dans des domaines spécifiques) impose des demandes plus élevées sur le contrôle des processus, telles que la sélectivité du taux de croissance, le contrôle de la prolifération latérale, etc.

Ⅴ.Conclusion

En tant que technologie de préparation des matériaux semi-conducteurs clés, la caractéristique principale deépitaxie en siliciumest la capacité de cultiver avec précision les couches de silicium épitaxiales monocristalliques de haute qualité avec des propriétés électriques et physiques spécifiques sur des substrats de silicium monocristallin. Grâce à un contrôle précis des paramètres tels que la température, la pression et le flux d'air dans le processus d'épitaxie du silicium, l'épaisseur de la couche et la distribution de dopage peuvent être personnalisées pour répondre aux besoins de diverses applications de semi-conductrices telles que les CMO, les dispositifs de puissance et les capteurs.

Bien que la croissance épitaxiale du silicium fasse face à des défis tels que le contrôle des défauts, l'uniformité, l'auto-dopage et le coût, avec le progrès continu de la technologie, l'épitaxie du silicium est toujours l'un des principaux forces moteurs pour promouvoir l'amélioration des performances et l'innovation fonctionnelle des appareils semi-conducteurs, et sa position dans la fabrication épitaxiale de la fabrication de la casse silicium est irréprochable.