Karakteristik epitaksi silikon

Epitaksi silikonadalah proses dasar yang penting dalam manufaktur semikonduktor modern. Ini mengacu pada proses menumbuhkan satu atau lebih lapisan film tipis silikon kristal tunggal dengan struktur kristal, ketebalan, konsentrasi doping, dan jenis tertentu pada substrat silikon kristal tunggal yang dipoles dengan tepat. Film yang tumbuh ini disebut lapisan epitaksi (Lapisan Epitaksi atau Lapisan Epi), dan wafer silikon dengan lapisan epitaksi disebut wafer silikon epitaksi. Karakteristik intinya adalah lapisan silikon epitaksi yang baru tumbuh merupakan kelanjutan dari struktur kisi substrat dalam kristalografi, mempertahankan orientasi kristal yang sama dengan substrat, membentuk struktur kristal tunggal yang sempurna. Hal ini memungkinkan lapisan epitaksial memiliki sifat listrik yang dirancang secara tepat dan berbeda dari substrat, sehingga memberikan dasar untuk pembuatan perangkat semikonduktor berkinerja tinggi.

Susceptor Epitaksi Vertikal untuk Epitaksi Silikon

Ⅰ. Apa itu Epitaksi Silikon?

1) Definisi: Epitaksi silikon adalah teknologi yang menyimpan atom silikon pada substrat silikon kristal tunggal dengan metode kimia atau fisik dan menyusunnya sesuai dengan struktur kisi substrat untuk menumbuhkan film tipis silikon kristal tunggal baru.

2） Pencocokan kisi: Ciri intinya adalah keteraturan pertumbuhan epitaksi. Atom silikon yang disimpan tidak ditumpuk secara acak, tetapi disusun sesuai dengan orientasi kristal substrat di bawah panduan "templat" yang disediakan oleh atom pada permukaan substrat, sehingga mencapai replikasi tingkat atom yang tepat. Hal ini memastikan bahwa lapisan epitaksial adalah kristal tunggal berkualitas tinggi, bukan polikristalin atau amorf.

3） Pengendalian: Proses epitaksi silikon memungkinkan kontrol yang tepat terhadap ketebalan lapisan pertumbuhan (dari nanometer hingga mikrometer), tipe doping (tipe N atau tipe P), dan konsentrasi doping. Hal ini memungkinkan daerah dengan sifat listrik berbeda dibentuk pada wafer silikon yang sama, yang merupakan kunci pembuatan sirkuit terpadu yang kompleks.

4） Karakteristik antarmuka: Antarmuka terbentuk antara lapisan epitaksial dan substrat. Idealnya, antarmuka ini datar secara atom dan bebas kontaminasi. Namun, kualitas antarmuka sangat penting untuk kinerja lapisan epitaksial, dan setiap cacat atau kontaminasi dapat mempengaruhi kinerja akhir perangkat.

Ⅱ. Prinsip epitaksi silikon

Pertumbuhan epitaksi silikon terutama bergantung pada penyediaan energi dan lingkungan yang tepat bagi atom silikon untuk bermigrasi pada permukaan substrat dan menemukan posisi kisi energi terendah untuk kombinasi. Teknologi yang paling umum digunakan saat ini adalah Chemical Vapour Deposition (CVD).

Deposisi Uap Kimia (CVD): Ini adalah metode utama untuk mencapai epitaksi silikon. Prinsip dasarnya adalah:

● Transportasi pendahulu: Gas yang mengandung unsur silikon (prekursor), seperti silan (SiH4), diklorosilana (SiH2Cl2) atau triklorosilan (SiHCl3), dan gas dopan (seperti fosfin PH3 untuk doping tipe N dan diborana B2H6 untuk doping tipe P) dicampur dalam proporsi yang tepat dan dimasukkan ke dalam ruang reaksi bersuhu tinggi.

● Reaksi permukaan: Pada suhu tinggi (biasanya antara 900°C dan 1200°C), gas-gas ini mengalami dekomposisi atau reaksi kimia pada permukaan substrat silikon yang dipanaskan. Misalnya, SiH4→Si(padat)+2H2(gas).

● Migrasi permukaan dan nukleasi: Atom silikon yang dihasilkan melalui dekomposisi teradsorpsi ke permukaan substrat dan bermigrasi ke permukaan, akhirnya menemukan situs kisi yang tepat untuk bergabung dan mulai membentuk senyawa tunggal barulapisan kristal. Kualitas silikon pertumbuhan epitaksi sangat bergantung pada pengendalian langkah ini.

● Pertumbuhan berlapis: Lapisan atom yang baru diendapkan terus-menerus mengulangi struktur kisi substrat, tumbuh lapis demi lapis, dan membentuk lapisan silikon epitaksi dengan ketebalan tertentu.

Parameter proses utama: Kualitas proses epitaksi silikon dikontrol secara ketat, dan parameter utamanya meliputi:

● Suhu: mempengaruhi laju reaksi, mobilitas permukaan dan pembentukan cacat.

● Tekanan: mempengaruhi transportasi gas dan jalur reaksi.

● Aliran dan rasio gas: menentukan laju pertumbuhan dan konsentrasi doping.

● Kebersihan permukaan substrat: Kontaminan apa pun mungkin merupakan asal mula cacat.

● Teknologi lainnya: Meskipun CVD adalah teknologi utama, teknologi seperti Molecular Beam Epitaxy (MBE) juga dapat digunakan untuk epitaksi silikon, terutama dalam penelitian dan pengembangan atau aplikasi khusus yang memerlukan kontrol presisi sangat tinggi.MBE secara langsung menguapkan sumber silikon dalam lingkungan vakum sangat tinggi, dan berkas atom atau molekul langsung diproyeksikan ke substrat untuk pertumbuhan.

Ⅲ. Aplikasi khusus teknologi epitaksi silikon dalam manufaktur semikonduktor

Teknologi epitaksi silikon telah memperluas cakupan aplikasi bahan silikon dan merupakan bagian tak terpisahkan dari pembuatan banyak perangkat semikonduktor canggih.

● teknologi CMOS: Dalam chip logika performa tinggi (seperti CPU dan GPU), lapisan silikon epitaksi dengan doping rendah (P− atau N−) sering kali ditanam pada substrat dengan doping tinggi (P+ atau N+). Struktur wafer silikon epitaksi ini dapat secara efektif menekan efek latch-up (Latch-up), meningkatkan keandalan perangkat, dan menjaga resistansi media yang rendah, yang kondusif bagi konduksi arus dan pembuangan panas.

● Transistor bipolar (BJT) dan BiCMOS: Dalam perangkat ini, epitaksi silikon digunakan untuk secara akurat membangun struktur seperti daerah basis atau kolektor, dan penguatan, kecepatan, dan karakteristik transistor lainnya dioptimalkan dengan mengontrol konsentrasi doping dan ketebalan lapisan epitaksi.

● Sensor gambar (CIS): Dalam beberapa aplikasi sensor gambar, wafer silikon epitaksi dapat meningkatkan isolasi listrik piksel, mengurangi crosstalk, dan mengoptimalkan efisiensi konversi fotolistrik. Lapisan epitaksial menyediakan area aktif yang lebih bersih dan tidak terlalu rusak.

● Node proses lanjutan: Seiring dengan menyusutnya ukuran perangkat, persyaratan sifat material semakin tinggi. Teknologi epitaksi silikon, termasuk pertumbuhan epitaksi selektif (SEG), digunakan untuk menumbuhkan lapisan epitaksi silikon atau silikon germanium (SiGe) yang tegang di area tertentu untuk meningkatkan mobilitas pembawa dan dengan demikian meningkatkan kecepatan transistor.

Susceptor Epitaksi Horisonal untuk Epitaksi Silikon

Ⅳ.Masalah dan tantangan teknologi epitaksi silikon

Meskipun teknologi epitaksi silikon sudah matang dan digunakan secara luas, masih terdapat beberapa tantangan dan masalah dalam pertumbuhan proses epitaksi silikon:

● Pengendalian cacat: Berbagai cacat kristal seperti kesalahan susun, dislokasi, garis slip, dll. dapat dihasilkan selama pertumbuhan epitaksial. Cacat ini dapat berdampak serius pada kinerja listrik, keandalan, dan hasil perangkat. Mengontrol kerusakan memerlukan lingkungan yang sangat bersih, parameter proses yang dioptimalkan, dan media berkualitas tinggi.

● Keseragaman: Mencapai keseragaman sempurna ketebalan lapisan epitaksi dan konsentrasi doping pada wafer silikon ukuran besar (seperti 300mm) merupakan tantangan yang berkelanjutan. Ketidakseragaman dapat menyebabkan perbedaan kinerja perangkat pada wafer yang sama.

● doping otomatis: Selama proses pertumbuhan epitaksi, dopan konsentrasi tinggi dalam substrat dapat memasuki lapisan epitaksi yang sedang tumbuh melalui difusi fase gas atau difusi keadaan padat, menyebabkan konsentrasi doping lapisan epitaksi menyimpang dari nilai yang diharapkan, terutama di dekat antarmuka antara lapisan epitaksi dan substrat. Ini adalah salah satu masalah yang perlu diatasi dalam proses epitaksi silikon.

● Morfologi permukaan: Permukaan lapisan epitaksi harus tetap rata, dan segala kekasaran atau cacat permukaan (seperti kabut) akan mempengaruhi proses selanjutnya seperti litografi.

● Biaya: Dibandingkan dengan wafer silikon poles biasa, produksi wafer silikon epitaksial menambah langkah proses tambahan dan investasi peralatan, sehingga menghasilkan biaya yang lebih tinggi.

● Tantangan Epitaksi Selektif: Dalam proses tingkat lanjut, pertumbuhan epitaksi selektif (pertumbuhan hanya di area tertentu) memberikan tuntutan yang lebih tinggi pada pengendalian proses, seperti selektivitas laju pertumbuhan, pengendalian pertumbuhan berlebih lateral, dll.

Ⅴ.Kesimpulan

Sebagai teknologi persiapan bahan semikonduktor utama, fitur intiepitaksi silikonadalah kemampuan untuk secara akurat menumbuhkan lapisan silikon epitaksi kristal tunggal berkualitas tinggi dengan sifat listrik dan fisik tertentu pada substrat silikon kristal tunggal. Melalui kontrol parameter yang tepat seperti suhu, tekanan, dan aliran udara dalam proses epitaksi silikon, ketebalan lapisan dan distribusi doping dapat disesuaikan untuk memenuhi kebutuhan berbagai aplikasi semikonduktor seperti CMOS, perangkat daya, dan sensor.

Meskipun pertumbuhan silikon epitaksi menghadapi tantangan seperti pengendalian cacat, keseragaman, doping mandiri, dan biaya, dengan kemajuan teknologi yang berkelanjutan, epitaksi silikon masih menjadi salah satu kekuatan pendorong utama untuk mendorong peningkatan kinerja dan inovasi fungsional perangkat semikonduktor, dan posisinya dalam pembuatan wafer silikon epitaksi tidak tergantikan.