Tecnologia de preparação de epitaxia de silício (Si)

Epitaxia de silício (Si)tecnologia de preparação

O que é crescimento epitaxial?

·Os materiais de cristal único por si só não podem atender às necessidades da crescente produção de vários dispositivos semicondutores. No final de 1959, uma fina camada deúnico cristaltecnologia de crescimento de material - o crescimento epitaxial foi desenvolvido.

O crescimento epitaxial consiste no crescimento de uma camada de material que atenda aos requisitos de um único substrato de cristal que foi cuidadosamente processado por corte, retificação e polimento sob certas condições. Como a camada única de produto crescido é uma extensão da estrutura do substrato, a camada de material crescido é chamada de camada epitaxial.

Classificação pelas propriedades da camada epitaxial

·Epitaxia homogênea: Ocamada epitaxialé igual ao material do substrato, o que mantém a consistência do material e ajuda a obter estrutura do produto e propriedades elétricas de alta qualidade.

·Epitaxia heterogênea: Ocamada epitaxialé diferente do material do substrato. Ao selecionar um substrato adequado, as condições de crescimento podem ser otimizadas e a faixa de aplicação do material pode ser expandida, mas os desafios trazidos pela incompatibilidade de rede e pelas diferenças de expansão térmica precisam ser superados.

Classificação por posição do dispositivo

Epitaxia positiva: refere-se à formação de uma camada epitaxial no material do substrato durante o crescimento do cristal, e o dispositivo é feito na camada epitaxial.

Epitaxia reversa: Ao contrário da epitaxia positiva, o dispositivo é fabricado diretamente no substrato, enquanto a camada epitaxial é formada na estrutura do dispositivo.

Diferenças de aplicação: A aplicação dos dois na fabricação de semicondutores depende das propriedades exigidas do material e dos requisitos de design do dispositivo, e cada um é adequado para diferentes fluxos de processo e requisitos técnicos.

Classificação pelo método de crescimento epitaxial

· A epitaxia direta é um método de uso de aquecimento, bombardeio de elétrons ou campo elétrico externo para fazer com que os átomos do material em crescimento obtenham energia suficiente e migrem e se depositem diretamente na superfície do substrato para completar o crescimento epitaxial, como deposição a vácuo, pulverização catódica, sublimação, etc. No entanto, este método possui requisitos rígidos de equipamento. A resistividade e a espessura do filme têm baixa repetibilidade, por isso não tem sido utilizado na produção epitaxial de silício.

· Epitaxia indireta é o uso de reações químicas para depositar e desenvolver camadas epitaxiais na superfície do substrato, o que é amplamente chamado de deposição química de vapor (CVD). No entanto, o filme fino desenvolvido por DCV não é necessariamente um produto único. Portanto, estritamente falando, apenas DCV que desenvolve um único filme é crescimento epitaxial. Esse método possui equipamento simples, e os diversos parâmetros da camada epitaxial são mais fáceis de controlar e possuem boa repetibilidade. Atualmente, o crescimento epitaxial de silício utiliza principalmente este método.

Outras categorias

·De acordo com o método de transporte de átomos de materiais epitaxiais para o substrato, ele pode ser dividido em epitaxia a vácuo, epitaxia em fase gasosa, epitaxia em fase líquida (LPE), etc.

·De acordo com o processo de mudança de fase, a epitaxia pode ser dividida emepitaxia em fase gasosa, epitaxia em fase líquida, eepitaxia em fase sólida.

Problemas resolvidos pelo processo epitaxial

·Quando a tecnologia de crescimento epitaxial de silício começou, foi o momento em que a fabricação de transistores de silício de alta frequência e alta potência encontrou dificuldades. Do ponto de vista do princípio do transistor, para obter alta frequência e alta potência, a tensão de ruptura do coletor deve ser alta e a resistência em série deve ser pequena, ou seja, a queda de tensão de saturação deve ser pequena. O primeiro exige que a resistividade do material da área do coletor seja alta, enquanto o último exige que a resistividade do material da área do coletor seja baixa, e os dois são contraditórios. Se a resistência em série for reduzida diminuindo a espessura do material da área do coletor, a pastilha de silício será muito fina e frágil para ser processada. Se a resistividade do material for reduzida, isso irá contradizer o primeiro requisito. A tecnologia epitaxial resolveu com sucesso esta dificuldade.

Solução:

·Crescer uma camada epitaxial de alta resistividade em um substrato com resistividade extremamente baixa e fabricar o dispositivo na camada epitaxial. A camada epitaxial de alta resistividade garante que o tubo tenha uma alta tensão de ruptura, enquanto o substrato de baixa resistividade reduz a resistência do substrato e a queda de tensão de saturação, resolvendo assim a contradição entre os dois.

Além disso, tecnologias epitaxiais, como epitaxia em fase de vapor, epitaxia em fase líquida, epitaxia por feixe molecular e epitaxia em fase de vapor de composto orgânico metálico da família 1-V, família 1-V e outros materiais semicondutores compostos, como GaAs, também foram bastante desenvolvidas. e tornaram-se tecnologias de processo indispensáveis ​​para a fabricação da maioria dos micro-ondas edispositivos optoeletrônicos.

Em particular, a aplicação bem sucedida de feixe molecular evapor orgânico metálicoepitaxia de fase em camadas ultrafinas, superredes, poços quânticos, superredes tensas e epitaxia de camada fina de nível atômico lançou as bases para o desenvolvimento de um novo campo de pesquisa de semicondutores, "engenharia de banda".

Características do crescimento epitaxial

(1) Camadas epitaxiais de alta (baixa) resistência podem ser cultivadas epitaxialmente em substratos de baixa (alta) resistência.

(2) Camadas epitaxiais N(P) podem ser cultivadas em substratos P(N) para formar diretamente junções PN. Não há problema de compensação ao fazer junções PN em substratos únicos por difusão.

(3) Combinado com a tecnologia de máscaras, o crescimento epitaxial seletivo pode ser realizado em áreas designadas, criando condições para a produção de circuitos integrados e dispositivos com estruturas especiais.

(4) O tipo e a concentração de dopagem podem ser alterados conforme necessário durante o crescimento epitaxial. A mudança de concentração pode ser abrupta ou gradual.

(5) Camadas ultrafinas de compostos heterogêneos, multicamadas e multicomponentes com componentes variáveis ​​podem ser cultivadas.

(6) O crescimento epitaxial pode ser realizado a uma temperatura abaixo do ponto de fusão do material. A taxa de crescimento é controlável e o crescimento epitaxial de espessura em escala atômica pode ser alcançado.

Requisitos para crescimento epitaxial

(1) A superfície deve ser plana e brilhante, sem defeitos superficiais, como pontos brilhantes, buracos, manchas de neblina e linhas de deslizamento

(2) Boa integridade do cristal, baixa densidade de falhas de deslocamento e empilhamento. Paraepitaxia de silício, a densidade de deslocamento deve ser inferior a 1000/cm2, a densidade de falhas de empilhamento deve ser inferior a 10/cm2 e a superfície deve permanecer brilhante após ser corroída pela solução de ataque com ácido crômico.

(3) A concentração de impurezas de fundo da camada epitaxial deve ser baixa e menos compensação deve ser necessária. A pureza da matéria-prima deve ser alta, o sistema deve ser bem vedado, o ambiente deve ser limpo e a operação deve ser rigorosa para evitar a incorporação de impurezas estranhas na camada epitaxial.

(4) Para epitaxia heterogênea, a composição da camada epitaxial e do substrato deve mudar repentinamente (exceto pela exigência de mudança lenta de composição) e a difusão mútua da composição entre a camada epitaxial e o substrato deve ser minimizada.

(5) A concentração de dopagem deve ser rigorosamente controlada e distribuída uniformemente para que a camada epitaxial tenha uma resistividade uniforme que atenda aos requisitos. É necessário que a resistividade dobolachas epitaxiaiscultivado em fornos diferentes no mesmo forno deve ser consistente.

(6) A espessura da camada epitaxial deve atender aos requisitos, com boa uniformidade e repetibilidade.

(7) Após o crescimento epitaxial em um substrato com uma camada enterrada, a distorção do padrão da camada enterrada é muito pequena.

(8) O diâmetro do wafer epitaxial deve ser o maior possível para facilitar a produção em massa de dispositivos e reduzir custos.

(9) A estabilidade térmica decamadas epitaxiais semicondutoras compostase epitaxia de heterojunção é boa.