Технология приготовления эпитаксии кремния(Si)

Эпитаксия кремния (Si)технология приготовления

Что такое эпитаксиальный рост?

·Само по себе монокристаллические материалы не могут удовлетворить потребности растущего производства различных полупроводниковых приборов. В конце 1959 года тонкий слоймонокристаллразработана технология роста материала - эпитаксиальный рост.

Эпитаксиальный рост заключается в выращивании слоя материала, соответствующего требованиям, на монокристаллической подложке, тщательно обработанной резкой, шлифовкой и полировкой при определенных условиях. Поскольку выращенный слой монопродукта является продолжением решетки подложки, выращенный слой материала называется эпитаксиальным слоем.

Классификация по свойствам эпитаксиального слоя

·Гомогенная эпитаксия:эпитаксиальный слойаналогичен материалу подложки, который сохраняет консистенцию материала и помогает добиться высококачественной структуры и электрических свойств продукта.

·Гетерогенная эпитаксия:эпитаксиальный слойотличается от материала подложки. Выбрав подходящую подложку, можно оптимизировать условия роста и расширить область применения материала, но необходимо преодолеть проблемы, связанные с несоответствием решеток и различиями в тепловом расширении.

Классификация по положению устройства

Положительная эпитаксия: относится к образованию эпитаксиального слоя на материале подложки во время роста кристаллов, и устройство изготавливается на эпитаксиальном слое.

Обратная эпитаксия: в отличие от позитивной эпитаксии, устройство изготавливается непосредственно на подложке, а эпитаксиальный слой формируется на структуре устройства.

Различия в применении: Применение этих двух материалов в производстве полупроводников зависит от требуемых свойств материала и требований к конструкции устройства, и каждый из них подходит для различных технологических процессов и технических требований.

Классификация по методу эпитаксиального роста

· Прямая эпитаксия — это метод использования нагрева, электронной бомбардировки или внешнего электрического поля, позволяющий атомам растущего материала получать достаточно энергии, а также непосредственно мигрировать и осаждать поверхность подложки для завершения эпитаксиального роста, например, вакуумное осаждение, распыление, сублимация и т. д. Однако этот метод предъявляет строгие требования к оборудованию. Удельное сопротивление и толщина пленки имеют плохую повторяемость, поэтому в эпитаксиальном производстве кремния она не использовалась.

· Непрямая эпитаксия — это использование химических реакций для осаждения и выращивания эпитаксиальных слоев на поверхности подложки, что в широком смысле называется химическим осаждением из паровой фазы (CVD). Однако тонкая пленка, выращенная методом CVD, не обязательно представляет собой единый продукт. Поэтому, строго говоря, только CVD, выращивающий одну пленку, является эпитаксиальным ростом. Этот метод имеет простое оборудование, различные параметры эпитаксиального слоя легче контролировать и имеют хорошую повторяемость. В настоящее время при эпитаксиальном выращивании кремния в основном используется этот метод.

Другие категории

·По способу транспортировки атомов эпитаксиальных материалов к подложке его можно разделить на вакуумную эпитаксию, газофазную эпитаксию, жидкофазную эпитаксию (ЖФЭ) и т. д.

·По процессу фазового перехода эпитаксия может быть разделена нагазофазная эпитаксия, жидкофазная эпитаксия, итвердофазная эпитаксия.

Проблемы, решаемые эпитаксиальным процессом

·Когда появилась технология эпитаксиального выращивания кремния, это было время, когда производство кремниевых высокочастотных и мощных транзисторов столкнулось с трудностями. С точки зрения транзисторного принципа, чтобы получить высокую частоту и большую мощность, напряжение пробоя коллектора должно быть высоким, а последовательное сопротивление должно быть небольшим, то есть падение напряжения насыщения должно быть небольшим. Первый требует, чтобы удельное сопротивление материала области коллектора было высоким, тогда как второй требует, чтобы удельное сопротивление материала области коллектора было низким, и эти два противоречия противоречат друг другу. Если последовательное сопротивление уменьшить за счет утончения материала области коллектора, кремниевая пластина будет слишком тонкой и хрупкой для обработки. Если удельное сопротивление материала будет уменьшено, это будет противоречить первому требованию. Эпитаксиальная технология успешно решила эту проблему.

Решение:

·Вырастить эпитаксиальный слой с высоким удельным сопротивлением на подложке с чрезвычайно низким удельным сопротивлением и изготовить устройство на эпитаксиальном слое. Эпитаксиальный слой с высоким удельным сопротивлением обеспечивает высокое напряжение пробоя трубки, в то время как подложка с низким сопротивлением снижает сопротивление подложки и падение напряжения насыщения, тем самым разрешая противоречие между ними.

Кроме того, были также широко развиты эпитаксиальные технологии, такие как эпитаксия из паровой фазы, эпитаксия из жидкой фазы, молекулярно-лучевая эпитаксия и эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений семейства 1-V, семейства 1-V и других сложных полупроводниковых материалов, таких как GaAs. и стали незаменимыми технологическими процессами для производства большинства микроволновых иоптоэлектронные устройства.

В частности, успешное применение молекулярного пучка иорганический пар металлафазовая эпитаксия в сверхтонких слоях, сверхрешетках, квантовых ямах, напряженных сверхрешетках и тонкослойная эпитаксия на атомном уровне заложила основу для развития новой области исследований полупроводников - «зонной инженерии».

Характеристики эпитаксиального роста

(1) Эпитаксиальные слои с высоким (низким) сопротивлением можно выращивать эпитаксиально на подложках с низким (высоким) сопротивлением.

(2) Эпитаксиальные слои N(P) можно выращивать на подложках P(N) для непосредственного формирования PN-переходов. При создании PN-переходов на одиночных подложках путем диффузии не возникает проблемы компенсации.

(3) В сочетании с масочной технологией селективный эпитаксиальный рост может осуществляться в определенных областях, создавая условия для производства интегральных схем и устройств со специальной структурой.

(4) Тип и концентрация легирования могут быть изменены по мере необходимости в ходе эпитаксиального роста. Изменение концентрации может быть резким или постепенным.

(5) Можно выращивать ультратонкие слои гетерогенных, многослойных, многокомпонентных соединений с переменными компонентами.

(6) Эпитаксиальный рост может осуществляться при температуре ниже температуры плавления материала. Скорость роста можно контролировать, и можно достичь эпитаксиального роста толщины атомного масштаба.

Требования к эпитаксиальному росту

(1) Поверхность должна быть ровной и блестящей, без поверхностных дефектов, таких как яркие пятна, ямки, пятна от тумана и линии скольжения.

(2) Хорошая целостность кристаллов, низкая плотность дислокаций и дефектов упаковки. Длякремниевая эпитаксияПлотность дислокаций должна быть менее 1000/см2, плотность дефектов упаковки должна быть менее 10/см2, а поверхность должна оставаться блестящей после коррозии травильным раствором хромовой кислоты.

(3) Фоновая концентрация примесей эпитаксиального слоя должна быть низкой и требуется меньшая компенсация. Чистота сырья должна быть высокой, система должна быть хорошо герметизирована, окружающая среда должна быть чистой, а эксплуатация должна быть строгой, чтобы избежать попадания посторонних примесей в эпитаксиальный слой.

(4) Для гетерогенной эпитаксии состав эпитаксиального слоя и подложки должен меняться внезапно (за исключением требования медленного изменения состава), а взаимная диффузия состава между эпитаксиальным слоем и подложкой должна быть сведена к минимуму.

(5) Концентрация легирования должна строго контролироваться и равномерно распределяться, чтобы эпитаксиальный слой имел однородное удельное сопротивление, соответствующее требованиям. Требуется, чтобы удельное сопротивлениеэпитаксиальные пластинывыращенные в разных печах в одной печи должны быть одинаковыми.

(6) Толщина эпитаксиального слоя должна соответствовать требованиям, иметь хорошую однородность и повторяемость.

(7) После эпитаксиального роста на подложке со скрытым слоем искажение структуры скрытого слоя очень мало.

(8) Диаметр эпитаксиальной пластины должен быть как можно большим, чтобы облегчить массовое производство устройств и снизить затраты.

(9) Термическая стабильностьсложные полупроводниковые эпитаксиальные слоии гетеропереходная эпитаксия хороша.