Características de la epitaxia de silicio

Epitaxia de silicioes un proceso básico crucial en la fabricación moderna de semiconductores. Se refiere al proceso de cultivo de una o más capas de películas delgadas de silicio de un solo cristal con estructura cristalina específica, grosor, concentración de dopaje y tipo en un sustrato de silicio de cristal único con precisión pulido. Esta película cultivada se llama capa epitaxial (capa epitaxial o capa EPI), y una oblea de silicio con una capa epitaxial se llama oblea de silicio epitaxial. Su característica central es que la capa de silicio epitaxial recientemente cultivada es una continuación de la estructura de la red de sustrato en cristalografía, manteniendo la misma orientación cristalina que el sustrato, formando una estructura de cristal única perfecta. Esto permite que la capa epitaxial tenga propiedades eléctricas diseñadas con precisión que son diferentes de las del sustrato, proporcionando así una base para la fabricación de dispositivos semiconductores de alto rendimiento.

Susceptor epitaxial vertial para la epitaxia de silicio

Ⅰ. ¿Qué es la epitaxia de silicio?

1) Definición: Silicon Epitaxy es una tecnología que deposita los átomos de silicio en un sustrato de silicio de cristal único mediante métodos químicos o físicos y los arregla de acuerdo con la estructura de celosía de sustrato para cultivar una nueva película delgada de silicio de cristal único.

2） Mataje de la red: La característica central es el orden del crecimiento epitaxial. Los átomos de silicio depositados no se apilan al azar, sino que se organizan de acuerdo con la orientación cristalina del sustrato bajo la guía de la "plantilla" proporcionada por los átomos en la superficie del sustrato, logrando una replicación precisa de nivel atómico. Esto asegura que la capa epitaxial sea un cristal único de alta calidad, en lugar de policristalino o amorfo.

3） Controlabilidad: El proceso de epitaxia de silicio permite un control preciso del grosor de la capa de crecimiento (desde nanómetros hasta micrómetros), el tipo de dopaje (tipo N o de tipo P) y la concentración de dopaje. Esto permite que las regiones con diferentes propiedades eléctricas se formen en la misma oblea de silicio, que es la clave para fabricar circuitos integrados complejos.

4） Características de la interfaz: Se forma una interfaz entre la capa epitaxial y el sustrato. Idealmente, esta interfaz es atómicamente plana y libre de contaminación. Sin embargo, la calidad de la interfaz es crítica para el rendimiento de la capa epitaxial, y cualquier defecto o contaminación puede afectar el rendimiento final del dispositivo.

Ⅱ. Principios de la epitaxia de silicio

El crecimiento epitaxial del silicio depende principalmente de proporcionar la energía y el entorno adecuados para que los átomos de silicio migren en la superficie del sustrato y encuentren la posición de red de energía más baja para la combinación. La tecnología más utilizada en la actualidad es la deposición de vapor químico (CVD).

Deposición de vapor químico (CVD): este es el método principal para lograr la epitaxia de silicio. Sus principios básicos son:

● Transporte precursor: Gas que contiene elemento de silicio (precursor), como el silano (SiH4), el diclorosilano (SiH2Cl2) o el triclorosilano (SiHCl3) y el gas dopante (como PH3 de fosfina para las proporciones de Doping N-type en una altura de tipe y el diborano B2H6 para el dopaje de Type P-type) se mezclan en una altura de tipos de tipos.

● Reacción superficial: A altas temperaturas (generalmente entre 900 ° C y 1200 ° C), estos gases experimentan descomposición química o reacción en la superficie del sustrato de silicio calentado. Por ejemplo, Sih4 → Si (sólido)+2H2 (gas).

● Migración de superficie y nucleación: Los átomos de silicio producidos por la descomposición se adsorben a la superficie del sustrato y migran en la superficie, eventualmente encontrando el sitio de celosía correcto para combinar y comenzar a formar un nuevoCapa de cristal. La calidad del silicio de crecimiento epitaxial depende en gran medida del control de este paso.

● Crecimiento en capas: La capa atómica recientemente depositada repite continuamente la estructura de la red del sustrato, crece capa por capa y forma una capa de silicio epitaxial con un grosor específico.

Parámetros del proceso clave: la calidad del proceso de epitaxia de silicio está estrictamente controlada, y los parámetros clave incluyen:

● Temperatura: Afecta la velocidad de reacción, la movilidad de la superficie y la formación de defectos.

● Presión: Afecta el transporte de gas y la ruta de reacción.

● Flujo de gas y relación: Determina la tasa de crecimiento y la concentración de dopaje.

● Limpieza de la superficie del sustrato: Cualquier contaminante puede ser el origen de los defectos.

● Otras tecnologías: Aunque CVD es la corriente principal, las tecnologías como la epitaxia del haz molecular (MBE) también se pueden usar para la epitaxia de silicio, especialmente en I + D o aplicaciones especiales que requieren un control de precisión extremadamente alto.MBE evapora directamente las fuentes de silicio en un entorno de vacío ultra alto, y las vigas atómicas o moleculares se proyectan directamente en el sustrato para el crecimiento.

Ⅲ. Aplicaciones específicas de la tecnología de epitaxia de silicio en la fabricación de semiconductores

La tecnología de epitaxia de silicio ha ampliado en gran medida el rango de aplicaciones de materiales de silicio y es una parte indispensable de la fabricación de muchos dispositivos semiconductores avanzados.

● Tecnología CMOS: En chips lógicos de alto rendimiento (como CPU y GPU), una capa de silicio epitaxial baja dopada (P- o N-) a menudo se cultiva en un sustrato muy dopado (P+ o N+). Esta estructura de oblea de silicio epitaxial puede suprimir de manera efectiva el efecto de enganche (enganche), mejorar la confiabilidad del dispositivo y mantener la baja resistencia del sustrato, que conduce a la conducción actual y la disipación de calor.

● Transistores bipolares (BJT) y Bicmos: En estos dispositivos, la epitaxia de silicio se usa para construir estructuras con precisión, como la región base o coleccionista, y la ganancia, la velocidad y otras características del transistor se optimizan controlando la concentración de dopaje y el grosor de la capa epitaxial.

● Sensor de imagen (cis): En algunas aplicaciones de sensores de imagen, las obleas de silicio epitaxial pueden mejorar el aislamiento eléctrico de los píxeles, reducir la diafonía y optimizar la eficiencia de conversión fotoeléctrica. La capa epitaxial proporciona un área activa más limpia y menos defectuosa.

● Nodos de proceso avanzados: A medida que el tamaño del dispositivo continúa encogiéndose, los requisitos para las propiedades del material son cada vez más altos. La tecnología de epitaxia de silicio, incluido el crecimiento epitaxial selectivo (SEG), se usa para cultivar capas epitaxiales de silicio o silicio germanio (SIGE) en áreas específicas para mejorar la movilidad portadora y, por lo tanto, aumentar la velocidad de los transistores.

Susceptor epitaxial horizonal para la epitaxia de silicio

Ⅳ.Problemas y desafíos de la tecnología de epitaxia de silicio

Aunque la tecnología de epitaxia de silicio es madura y ampliamente utilizada, todavía hay algunos desafíos y problemas en el crecimiento epitaxial del proceso de silicio:

● Control de defectos: Se pueden generar varios defectos de cristal, como fallas de apilamiento, dislocaciones, líneas de deslizamiento, etc. durante el crecimiento epitaxial. Estos defectos pueden afectar seriamente el rendimiento eléctrico, la confiabilidad y el rendimiento del dispositivo. El control de defectos requiere un entorno extremadamente limpio, parámetros de proceso optimizados y sustratos de alta calidad.

● Uniformidad: Lograr una uniformidad perfecta del grosor de la capa epitaxial y la concentración de dopaje en obleas de silicio de gran tamaño (como 300 mm) es un desafío continuo. La no uniformidad puede conducir a diferencias en el rendimiento del dispositivo en la misma oblea.

● Autodoping: Durante el proceso de crecimiento epitaxial, los dopantes de alta concentración en el sustrato pueden ingresar a la creciente capa epitaxial a través de la difusión de la fase gaseosa o la difusión en estado sólido, lo que hace que la concentración de dopaje de la capa epitaxial se desvíe del valor esperado, especialmente cerca de la interfaz entre la capa epitaxial y el sustrato. Este es uno de los problemas que deben abordarse en el proceso de epitaxia de silicio.

● Morfología de la superficie: La superficie de la capa epitaxial debe permanecer altamente plana, y cualquier rugosidad o defecto superficial (como la neblina) afectará los procesos posteriores como la litografía.

● Costo: En comparación con las obleas de silicio pulidas ordinarias, la producción de obleas de silicio epitaxial agrega pasos de proceso adicionales e inversión en equipos, lo que resulta en mayores costos.

● Desafíos de la epitaxia selectiva: En procesos avanzados, el crecimiento epitaxial selectivo (crecimiento solo en áreas específicas) impone mayores demandas sobre el control del proceso, como la selectividad de la tasa de crecimiento, el control del sobrecrecimiento lateral, etc.

Ⅴ.Conclusión

Como tecnología clave de preparación de material semiconductor, la característica central deepitaxia de silicioEs la capacidad de cultivar con precisión las capas de silicio epitaxial de cryristal de alta calidad con propiedades eléctricas y físicas específicas en sustratos de silicio de cristal único. A través de un control preciso de parámetros como la temperatura, la presión y el flujo de aire en el proceso de epitaxia de silicio, el grosor de la capa y la distribución de dopaje se pueden personalizar para satisfacer las necesidades de varias aplicaciones semiconductoras como CMO, dispositivos eléctricos y sensores.

Aunque el crecimiento epitaxial de silicio enfrenta desafíos como el control de defectos, la uniformidad, el autodopado y el costo, con el avance continuo de la tecnología, la epitaxia de silicio sigue siendo una de las fuerzas impulsoras básicas para promover la mejora del rendimiento y la innovación funcional de los dispositivos semiconductores semiconductores, y su posición en la fabricación de demactores de silicon epitaxiales es irreplicable.