خصائص epitaxy السيليكون

سيليكون epitaxyهي عملية أساسية حاسمة في تصنيع أشباه الموصلات الحديثة. إنه يشير إلى عملية زراعة طبقات واحدة أو أكثر من الأفلام الرقيقة من السيليكون أحادي البلورة مع بنية بلورية محددة ، وسمك ، وتركيز المنشطات ، والاكتب على ركيزة السيليكون أحادية البلورة مصقولة بدقة. يُطلق على هذا الفيلم المزروع اسمًا للطبقة الفوقية (الطبقة الفوقية أو طبقة EPI) ، ويطلق على رقاقة السيليكون ذات الطبقة الفوقية رقاقة سيليكونية. خاصتها الأساسية هي أن طبقة السيليكون الفوقية المزروعة حديثًا هي استمرار لهيكل شعرية الركيزة في التصوير البلوري ، مع الحفاظ على نفس الاتجاه البلوري مثل الركيزة ، مما يشكل بنية بلورية واحدة مثالية. يتيح ذلك للطبقة الفوقية أن يكون لها خصائص كهربائية مصممة بدقة تختلف عن تلك الموجودة في الركيزة ، وبالتالي توفر أساسًا لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات عالية الأداء.

شباك الفوقيات العمودية لليسيكون epitaxy

ⅰ. ما هو السيليكون epitaxy؟

1) التعريف: Silicon epitaxy هي تقنية تودع ذرات السيليكون على ركيزة السيليكون أحادية البلورة عن طريق الأساليب الكيميائية أو الفيزيائية وترتبها وفقًا لهيكل شعرية الركيزة لتنمية فيلم رفيع جديد للسيليكون أحادي البلورة.

2） مطابقة شعرية: الميزة الأساسية هي ترتيب النمو الفوقي. لا يتم تكديس ذرات السيليكون المودعة بشكل عشوائي ، ولكن يتم ترتيبها وفقًا للاتجاه البلوري للركيزة تحت إشراف "القالب" الذي توفره الذرات على سطح الركيزة ، مما يحقق النسخ المتماثل الدقيق على المستوى الذري. هذا يضمن أن الطبقة الفوقية هي بلورة مفردة عالية الجودة ، بدلاً من البلورة أو غير متبلورة.

3） القابلية للسيطرة: تتيح عملية Epitaxy السيليكون التحكم الدقيق في سمك طبقة النمو (من المقاييس النانوية إلى ميكرومتر) ، ونوع المنشطات (نوع N أو نوع P) ، وتركيز المنشطات. يتيح ذلك تشكيل المناطق ذات الخصائص الكهربائية المختلفة على نفس رقاقة السيليكون ، وهو مفتاح تصنيع الدوائر المتكاملة المعقدة.

4） خصائص واجهة: يتم تشكيل واجهة بين الطبقة الفوقية والركيزة. من الناحية المثالية ، هذه الواجهة مسطحة من الناحية الذرية وخالية من التلوث. ومع ذلك ، فإن جودة الواجهة أمر بالغ الأهمية لأداء الطبقة الفوقية ، وقد تؤثر أي عيوب أو تلوث على الأداء النهائي للجهاز.

ⅱ. مبادئ epitaxy السيليكون

يعتمد النمو الفوقي للسيليكون بشكل أساسي على توفير الطاقة والبيئة المناسبة لذرات السيليكون للهجرة على سطح الركيزة وإيجاد أدنى موضع شعرية للطاقة للمجموع. التكنولوجيا الأكثر استخدامًا في الوقت الحالي هي ترسب البخار الكيميائي (CVD).

ترسب البخار الكيميائي (CVD): هذه هي الطريقة السائدة لتحقيق epitaxy السيليكون. مبادئها الأساسية هي:

● نقل السلائف: غاز يحتوي على عنصر السيليكون (السلائف) ، مثل Silane (SiH4) ، ديكلوروسيلان (SiH2Cl2) أو ثلاثي كلوروسيلان (SiHcl3) ، وغازات المنشطات (مثل الفوسفين ph3 لتفاعل t-timper و diborane b2h6 ل p-type).

● رد فعل السطح: في درجات حرارة عالية (عادة ما بين 900 درجة مئوية و 1200 درجة مئوية) ، تخضع هذه الغازات للتحلل الكيميائي أو التفاعل على سطح الركيزة السيليكون الساخنة. على سبيل المثال ، SiH4 → Si (الصلبة)+2H2 (الغاز).

● هجرة السطح والنواة: يتم امتصاص ذرات السيليكون التي تنتجها التحلل على سطح الركيزة وترحيل على السطح ، في نهاية المطاف العثورطبقة الكريستال. تعتمد جودة السيليكون النمو الفوقي إلى حد كبير على السيطرة على هذه الخطوة.

● نمو الطبقات: تكرر الطبقة الذرية المودعة حديثًا باستمرار بنية الشبكة للركيزة ، وتنمو الطبقة حسب الطبقة ، وتشكل طبقة من السيليكون الفوقي بسمك معين.

معلمات العملية الرئيسية: يتم التحكم في جودة عملية Silicon Epitaxy بشكل صارم ، وتشمل المعلمات الرئيسية:

● درجة حرارة: يؤثر على معدل التفاعل ، والتنقل السطحي وتشكيل العيوب.

● ضغط: يؤثر على نقل الغاز ومسار التفاعل.

● تدفق الغاز ونسبةه: يحدد معدل النمو وتركيز المنشطات.

● نظافة السطح الركيزة: أي ملوث قد يكون أصل العيوب.

● تقنيات أخرى: على الرغم من أن الأمراض القلبية الوعائية هي التيار الرئيسي ، إلا أنه يمكن أيضًا استخدام تقنيات مثل الحزمة الجزيئية Epitaxy (MBE) في سيليكون Epitaxy ، وخاصة في البحث والتطبيقات الخاصة التي تتطلب التحكم في الدقة العالية للغاية.يتبخر MBE بشكل مباشر مصادر السيليكون في بيئة فراغ عالية للغاية ، ويتم عرض الحزم الذرية أو الجزيئية مباشرة على الركيزة للنمو.

ⅲ. تطبيقات محددة لتكنولوجيا سيليكون epitaxy في تصنيع أشباه الموصلات

قامت تقنية Silicon Epitaxy بتوسيع نطاق تطبيق مواد السيليكون بشكل كبير وهو جزء لا غنى عنه من تصنيع العديد من أجهزة أشباه الموصلات المتقدمة.

● تقنية CMOS: في رقائق المنطق عالي الأداء (مثل وحدات المعالجة المركزية و GPU) ، غالبًا ما تزرع طبقة السيليكون الفوسينية المنخفضة (P− أو N−) على ركيزة (P+ أو N+). يمكن أن تقمع بنية رقاقة السيليكون الفوقية هذه بشكل فعال تأثير المزلاج (المزلاج) ، وتحسين موثوقية الجهاز ، والحفاظ على المقاومة المنخفضة للركيزة ، والتي تفضي إلى التوصيل الحالي وتبديد الحرارة.

● الترانزستورات ثنائية القطب (BJT) و Bicmos: في هذه الأجهزة ، يتم استخدام Epitaxy السيليكون لإنشاء هياكل بدقة مثل القاعدة أو منطقة جامع ، ويتم تحسين المكسب والسرعة والخصائص الأخرى للترانزستور عن طريق التحكم في تركيز المنشطات وسمك الطبقة الفوقية.

● مستشعر الصور (CIS): في بعض تطبيقات مستشعرات الصور ، يمكن أن تحسن رقائق السيليكون الفوقية العزلة الكهربائية للبكسل ، وتقليل الحديث المتبادل ، وتحسين كفاءة التحويل الكهروضوئية. توفر الطبقة الفوقية مساحة نشطة أكثر نظافة وأقل معيبة.

● العقد العملية المتقدمة: مع استمرار تقليص حجم الجهاز ، تزداد متطلبات خصائص المواد أعلى وأعلى. تُستخدم تقنية Silicon Epitaxy ، بما في ذلك النمو الفوقي الانتقائي (SEG) ، لزراعة طبقات سليكون أو جرمانيوم سليكون (SIGE) في مناطق محددة لتحسين تنقل الناقل وبالتالي زيادة سرعة الترانزستورات.

حساء محوري الأفق للسيليكون epitaxy

ⅳ.مشاكل وتحديات تكنولوجيا سيليكون Epitaxy

على الرغم من أن تقنية سيليكون Epitaxy ناضجة واستخدامها على نطاق واسع ، لا تزال هناك بعض التحديات والمشاكل في النمو الفوقي لعملية السيليكون:

● السيطرة على العيوب: قد يتم إنشاء عيوب بلورية مختلفة مثل أخطاء التراص ، والخلع ، وخطوط الانزلاق ، وما إلى ذلك أثناء النمو الفوقي. يمكن أن تؤثر هذه العيوب بشكل خطير على الأداء الكهربائي وموثوقية وعائد الجهاز. يتطلب التحكم في العيوب بيئة نظيفة للغاية ومعلمات عملية محسّنة وركائز عالية الجودة.

● التوحيد: إن تحقيق توحيد مثالي لسمك الطبقة الفوقية وتركيز المنشطات على رقائق السيليكون ذات الحجم الكبير (مثل 300 مم) يمثل تحديًا مستمرًا. يمكن أن يؤدي عدم التمييز إلى اختلافات في أداء الجهاز على نفس الرقاقة.

● التلقائي: أثناء عملية النمو الفوقي ، قد تدخل المخدرات ذات التركيز العالي في الركيزة إلى الطبقة الفوقية المتنامية من خلال نشر طور الغاز أو انتشار الحالة الصلبة ، مما يتسبب في انحراف تركيز المنشطات للطبقة الفوقية عن القيمة المتوقعة ، وخاصة بالقرب من الواجهة بين الطبقة الفوقية والركيزة. هذه واحدة من القضايا التي تحتاج إلى معالجة في عملية Epitaxy السيليكون.

● مورفولوجيا السطح: يجب أن يظل سطح الطبقة الفوقية مسطحًا للغاية ، وسيؤثر أي عيوب خشونة أو سطحية (مثل الضباب) على العمليات اللاحقة مثل الطباعة الحجرية.

● يكلف: بالمقارنة مع رقائق السيليكون المصقولة العادية ، يضيف إنتاج رقائق السيليكون الفوقي خطوات إضافية للعملية واستثمار المعدات ، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف.

● تحديات epitaxy الانتقائية: في العمليات المتقدمة ، يضع النمو الفوقي الانتقائي (النمو فقط في مناطق محددة) مطالب أعلى على التحكم في العملية ، مثل انتقائية معدل النمو ، والسيطرة على النمو الجانبي ، إلخ.

ⅴ.خاتمة

كتقنية تحضير مواد أشباه الموصلات الرئيسية ، الميزة الأساسية لـسيليكون epitaxyهي القدرة على النمو بدقة عالي الجودة من طبقات السيليكون الفائقة ذات الجودة الواحدة مع خصائص كهربائية وفيزيائية محددة على ركائز السيليكون أحادية البلورة. من خلال التحكم الدقيق في المعلمات مثل درجة الحرارة والضغط وتدفق الهواء في عملية Epitaxy السيليكون ، يمكن تخصيص سمك الطبقة وتوزيع المنشطات لتلبية احتياجات مختلف تطبيقات أشباه الموصلات مثل CMOs وأجهزة الطاقة وأجهزة الاستشعار.

على الرغم من أن النمو الفوقي للسيليكون يواجه تحديات مثل السيطرة على العيوب ، والتوحيد ، والتعقيد الذاتي ، والتكلفة ، مع التقدم المستمر للتكنولوجيا ، لا يزال epitaxy السيليكون أحد القوى الأساسية الدافعة لتعزيز تحسين الأداء والابتكار الوظيفي لأجهزة أشباه الموصلات ، وموقعها في تصنيع السيليكون الفضائي.