اپیتاکسی سیلیکون با استفاده از رسوب دهی شیمیایی از حالت بخار

مقدمه

واژه ی اپیتاکسی( epitaxy) از واژه ی یونایی “epi”(بر روی) و “taxis” ( مرتب کردن) تشکیل شده است. بنابراین رسوب دهی سیلیکون به صورت هم محور( epitaxial) نیازمند این است که قابلیت اضافه کردن و آرایش دادن اتم های سیلیکون بر روی سطح تک کریستال بوجود آید. اپیتاکسی عموما به رشد جهت دار یک زیرلایه ی کریستالی با یک زیرلایه ی دیگر اتلاق می گردد. کاربردهای خاص نیازمند کنترل کردن کامل کریستالینیتی و غلظت دپانت در لایه ی اضافه شده، است.

• رشد همو اپیتاکسی( homoepitaxy growth) به نحوی که جنس لایه ی اپیتاکسی مانند جنس زیرلایه باشد.
• رشد هترواپیتاکسی( heteroepitaxy growth) به نحوی که جنس لایه ی اپیتاکسی متفاوت از جنس زیرلایه باشد.

این واضح است که همه ی انواع اپیتاکسی های تجاری سیلیکون همواپیتاکسی هستند به جز اپیتاکسی سیلیکون بر روی یاقوت کبود( sapphire).
لایه های سیلیکون اپیتاکسی می تواند با استفاده از گستره ی وسیعی از تکنیک ها مانند تبخیر، اسپاترینگ، باریکه های مولکولی( molecular beams) و روش های رشد مجدد مختلف تولید شوند. این مقاله در مورد رسوب دهی اپیتاکسی بوسیله ی رسوب دهی از فاز بخار( CVD) صحبت می کند که در آن سیلیکون و اتم های دوپانت بوسیله ی انتقال گازی، بر روی سطح تک کریستال فرود می آیند.
رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار تشکیل جامدهای پایدار بوسیله ی تجزیه ی مواد شیمیایی با استفاده از حرارت دهی، پلاسما، پرتوی فرابنفش یا سایر منابع انرژی است. CVD یک تکنولوژی به نسبت قدیمی است. این تکنولوژی در دهه ی 1800 برای خالص سازی فلزات دیرگداز مورد استفاده قرار گرفته است( بوسیله ی از این روش در دهه ی 1900 برای تولید فیلامنت هایی برای لامپ های با فیلامنت کربنی( لامپ های ادیسون) استفاده شد. در دهه ی 1950 از این روش برای تولید پوشش های سخت فلزی استفاده شد و در دهه ی 1960 برای تهیه ی مواد نیمه رسانا از آن استفاده شد.
در حال حاضر، محصولات تجاری تولیدی از اپیتاکسی سیلیکون بوسیله ی CVD گرمایی تولید می شوند.
با استفاده از فرایند اپیتاکسی سیلیکون، تغییرات رادیکالی در خواص مواد می تواند با تغییر کوچکی در فاصله در یک کریستال معین، ایجاد شود. این قابلیت اجازه ی رشد تک کریستال های سیلیکونی با درصد دوپ شدگی کم را بر روی تک کریستال های سیلیکونی با درصد دوپ شدگی زیاد را مهیا می کند. در حال حاضر، هیچ تکنیک دیگری اجازه ی شکل گیری نواحی دپ شده را در داخل یک زیرلایه ی تک کریستال نمی دهد.

• تولید سیلیکون نوع n بر روی سیلیکون نوع p
• تولید سیلیکون نوع p بر روی سیلیکون نوع n
• تولید سیلیکون با درصد دوپ شدگی کم بر روی سیلیکون با درصد دوپ شدگی بالا( از هر دو نوع)
• تولید سیلیکون با درصد دوپ شدگی کم بر روی سیلیکون با درصد دوپ شدگی بالا با حفظ الگوی لایه ای
• ایجاد لایه های سیلیکونی بر روی سطوح عایق
• تولید لایه های سیلیکونی با پروفیل های غلظتی دوپانت کنترل شده
• ایجاد رسوب های گزینشی سیلیکون بر روی اکسیدها

کاربردهای اپیتاکسی سیلیکون

اپیتاکسی سیلیکون برای عایق کاری و برای افزایش کارایی وسایل در مدارهای مجتمع دوقطبی مورد نیاز است. این روش همچنین برای کارکرد مجزای وسایل و مدارهای مجتمع MOS( IC ها) مهم است.
برای وسایل دوقطبی، اپیتاکسی مزیت های کاربردی گسترده ای مهیا می کند. این مزیت های متنوع در اینجا توصیف می شوند.

• سرعت سوئیچینگ بالا
• ولتاژ بالای بهبود یافته، مشخصه های خطی
• عایق کنندگی با سهولت بالا
مقاومت پایه ی پایین
• عدم وابستگی پروفیل های دوپانت کنترل شده
• الگوهای لایه ای معین

آی سی های MOS نیازمند یک لایه ی اپیتاکسی برای ایجاد عایق کاری وسیله هستند. به هر حال همانگونه که آی سی های MOS پیچیده تر می شوند، لایه های اپیتاکسی می توانند مزیت های فراوانی بوجود آورند. آی سی های MOS معمولا بر روی زیرلایه های با درصد دوپانت پایین ایجاد می شوند. وقتی یک لایه ی اپیتاکسی با درصد دوپانت پایین بر روی یک زیر لایه ی با درصد دوپانت بالا مورد استفاده قرار می گیرد،

• ظرفیت خطی-نفوذی پایین تر
• حفظ بار خطی-نفوذی بهتر
• کنترل بهتر بار ساختگی( مانند ذرات الفا و بار استاتیک)
• بهبود کارایی حافظه های با دسترسی تصادفی دینامیک

برای MOS مکمل( CMOS)، این مزیت به طور قابل توجهی در محافظت latch-up وجود دارند.
به دلیل کاربردهای گسترده ی این روش در تکنولوژی نیمه رسانا، تقریبا 50% تمام فرآورده های سیلیکونی نیازمند لایه ی اپیتاکسی هستند و این درصد در زمانی که اپیتاکسی به طور گسترده در تولید آی سی های MOS استفاده شود، به 60-70 درصد افزایش می یابد.
اپیتاکسی سیلیکون با گستره ی وسیعی از ضخامت ها و مقاومت ها مورد استفاده قرار می گیرند. در اپیتاکسی سیلیکون تجاری، ضخامت لایه ها معمولا به صورت میکرون بیان می شود( معمولا به طور خلاصه با میکرون یا نشان داده می شود). مقاومت به صورت اهم-سانتیمتر بیان می شود و مقاومت بوسیله ی نمودارهای Irwin به غلظت حامل ارتباط داده می شوند.
جدول 1 مشخصه های خاص را برای ساختار وسایل سیلیکونی معمولی که هم اکنون در محصولات وجود دارند را، نشان می دهد. با گرایش به سمت اندازه های کوچکتر و دانسیته ی مداری بالاتر، تمایلات زیادی در تولید لایه های اپیتاکسی نازک تر وجود دارد. به هر حال مقادیر نشان داده شده در جدول 1 احتمالا تا دهه ی 1990 قابل اطمینان هستند.
ارزیابی اپیتاکسی سیلیکون یکی از تکنولوژی های اصلی است و اطلاعات جزئی در مورد تکنیک های استانداد سازی درکتاب های تریبولوژی صنعتی وجود دارد.

• تئوری اپیتاکسی سیلیکون بوسیله ی CVD
• شیمی فرایند اپیتاکسی سیلیکون
• اصلاح فرایند
• ملاحظات ابزاری برای اپیتاکسی سیلیکون
• سایر ملاحظات ابزاری
• عیوب در لایه های اپیتاکسی
• ایمنی
• موضوعات فنی کلیدی

تئوری اپیتاکسی سیلیکونی بوسیله ی CVD

• موبیلیتی سطحی بالا برای اتم های رسیده به سطح
• سایت های رشد سطحی بالا
• سرعت های رشد بالا برای حالت تجاری

تولید اپیتاکسی سیلیکون از ابتداری دهه ی 1960 با استفاده از رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار در از کلروسیالون ها( ، ،) انجام شد( این کار در یک سیستم انتقال بخار لوله ای انجام شد). این فرایند با مواد شیمیایی جایگزین مانند یدیدها و برومیدها مورد بررسی قرار گرفت اما مزیت قابل توجهی دیده نشد. مواد شیمیایی فلوردار به طور زیادی مورد بررسی قرار نگرفت زیرا پیوند Si-F از لحاظ ترمودینامیکی بسیار قوی است و به همین دلیل دمای بالایی برای شکستن آن مورد نیاز است.
همانگونه که در شکل 1 دیده می شود، CVD یک واکنش هتروژن است که حداقل از مراحل زیر تشکیل شده است:

1. انتقال بالک مواد واکنش دهنده در حجم واکنش
2. نفوذ گازی مواد واکنش دهنده به سطح
3. جذب مواد واکنش دهنده بر روی سطح

4. واکنش سطحی( واکنش می تواند همچنین در حجم گازی بالای سطح انجام شود)
5. نفوذ سطحی
6. مشارکت مواد تولید شده در ساخت شبکه ی کریستالی

7. واکنش دفع محصولات جانبی
8. انتقال گازی محصولات فرعی
9. انتقال بالک محصولات فرعی به بیرون از حجم واکنش

نرخ رسوب دهی شیمیایی از حالت بخار اصولا بوسیله ی یکی از گروه های عمده از مراحل فرایندی زیر کنترل می شود:

نرخ رسیدن مواد واکنش دهنده به سطح
• نرخ واکنش سطحی
• نرخ دفع محصولات جانبی

برای فرایند اپیتاکسی نمونه وار، شرایط واکنش به نحوی معین می گردد که نرخ رسیدن مواد واکنش دهنده به سطح نرخ رشد را کنترل کند. این رویه بهترین کیفیت کریستالی را بوجود می آورد( یک ویژگی که برای بوجود آوردن کارایی مناسب برای وسیله ضروری است).

• طبیعت سطحی قبل از رشد اپیتاکسی
• نرخ رسیدن مواد واکنش دهنده به سطح به نرخ نفوذ سطحی
• طبیعت اختلاط های شبکه ای
<

اگر سطح پیش از رسوب دهی آلوده شود، یک چنین اکسیدی که در طی حرارت دهی و اچ برداشته نشده است، و یا وجود عیب در رشد لایه ی اپیتاکسی، موجب می شود تا لایه ی اپیتاکسی معیوب گردد. اگر نرخ رسیدن مواد شیمیایی بزرگتر از نرخ نفوذ سطحی باشد، پس اتم های نفوذ کننده نمی توانند به مکان های با حداقل انرژی حرکت کنند و کریستال دوباره معیوب می شود.
نرخ اختلاط شبکه تابعی از جهت گیری کریستال است زیرا دانسیته ی سایت های اتمی تابعی از این است که صفحات کریستالوگرافی به چه میزان در معرض جریان قرار دارند. شکل 2 اثر جهت گیری زیرلایه بر روی نرخ رشد را برای صفحات (111)، (110) و (100) نشان می دهد. برای سیلیکون، صفحه ی (110) صفحه ای است که دارای بیشترین نرخ رشد را دارد و بعد از آن نرخ رشد به ترتیب در صفحات (100) و (111) کاهش می یابد.
برای رشد اپیتاکسی بر روی صفحات کریستالی که در جهت مستقیم قرار دارند، نرخ رشد کم برای صفحات (111) موجب بوجود آمدن عیبی می شود که آن را صفحه ای شدن یا پوسته پرتقالی شدن می نامند. رشد عمود بر صفحه ی (111) آهسته است درحالی که رشد بر روی صفحات غیر موازی با سطح سریع تر است. برای جلوگیری از عیب صفحه ای شدن، صفحات (111) برای رشد اپیتاکسی، به میزان چند درجه نسبت به صفحه ی (111) کج می شوند که این کار موجب می شود تا رشد در عرض موج سطح، بیشتر شود. رشد اپیتاکسی بر روی صفحه ی (100) دارای این مشکل نیست بنابراین صفحات (100) معمولا به صورت مستقیم قرار داده می شوند.
آماده سازی سطحی یک فاکتور معم در تولید کریستال های اپیتاکسی با کیفیت خوب است. این سطوح نیازمند کیفیت بالایی هستند و باید عاری از هرگونه عیب باشند و به صورت شیمیایی /مکانیکی پولیش شده باشند به نحوی که در طی پولیش آسیب مکانیکی به سطح وارد نیاید. ماده ی خارجی مانند ترکیبات آلی باید از سطح جدا شوند زیرا این مواد در طی افزایش حرارت با سطح کریستال واکنش می دهند و ترکیبات سیلیکونی نامناسب ایجاد می کنند که این ترکیبات موجب ایجاد عیب می شوند.
شیمی فرایند اپیتاکسی سیلیکون
شرایط مورد قبول برای اپیتاکسی تجاری سیلیکون در جدول 2 آورده شده است که عموما دمای پایین تر، نرخ رشد پایین تر برای کیفیت اپیتاکسی قابل قبول و تلورانس کمتر برای اکسیدکننده ها در فرایند اپیتاکسی اشاره شده است. اگر اجازه داده شود که اکسید سیلیکون که شامل SiO می باشد، در طی فرایند رسوب دهی تشکیل گردد، این مواد با سطح نفوذ تداخل ایجاد کرده و در شبکه شرکت می کنند و این مسئله باعث ایجاد عیوب مختلفی در لایه های اپیتاکسی می شود.
کیفیت اپیتاکسی مخصوصا به حضور اکسیدکننده ها در طی بالارفتن حرارت، حساس می باشد. جذب رطوب بر روی سطح سرد نگهدارنده های ویفر می تواند یک منبع عمده برای اکسید کنندگی در محفظه ی واکنش باشد. بنابراین، یک تفاوت ذاتی در کیفیت سطح میان نگهدارنده های مجهز به سیستم گرمایش و نگهدارنده های بدون سیستم گرمایش وجود دارد. در سیستم بدون نشتی، بخار آب جمع شده بر روی نگهدارنده ی سرد می تواند به آسانی به عنوان بزرگترین منبع اکسید کنندگی در داخل رآکتور باشد.
در غلظت های پایین، بخار آب سطح Si را بوسیله ی تشکیل SiO فرار در گاز هیدروژن اچ می کند. به هر حال 1ppm آب در دمای 900 درجه ی سانتیگراد باعث تشکیل بر روی سطح Si می شود و اینمی تواند باعث ایجاد عیوب سطحی گردد. حضور گاز هیدروژن اضافی باعث عکس شدن این فرایند می شود ولی به هر حال وجود تنها مقدار اندکی آب ( در حد ppm) در طی فرایند حرارت دهی می تواند باعث تخریب جدی کیفیت اپیتاکسی شود.
سیلیکون اپیتاکسی می تواند با ضخامت کمتر از 1 میکرون تا 100 میکرون رشد کند ضخامت زیر 2 میکرون خیلی نازک است و ملاحظات دقیقی باید برای انتقال دوپانت (در این لایه ها) از زیرلایه ی با غلظت بالای دوپانت به زیرلایه ی با غلظت پایین در نظر گرفته شود. ضخامت حدود 30 میکرون خیلی ضخیم است و باید تدابیر خاصی برای کاهش عیوب در این لایه ها اتخاذ گردد.
سیلیکون اپیتاکسی معمولا با ، و دوپ می شود. مقادیر مقاومت در حدود 0.1 اهم سانتیمتر می تواند به عنوان لایه ی با غلظت دوپانت بالا در نظر گرفته شود و از این رو نیاز به غلظت بالاتری از دوپانت در جریان گازی هستیم تا بدین وسیله مقدار مقاومت مناسب حاصل شود. همین طور که به حد حلالیت دوپانت در حالت جامد می رسیم، غلظت بالایی از دوپانت در جریان گازی نیاز است و لایه های اپیتاکسی شده می توانند به صورت یک رسوب پلی کریستال دوفازی تبدیل شوند، اگر از حد حلالیت عبور کنیم. وقتی غلظت بالایی از دوپانت به محظه افزوده می شود، دوپانت می تواند بر روی دیواره ی محفظه رسوب کند و با نفوذ از جداره در داخل هوای اتاق پخش گردد. وقتی از دوپانت های هیدریدی ایتفاده می کنیم، باید روش های ایمن و همچنین تحویه ی مناسبی برای محل انجام واکنش اتخاذ کنیم مخصوصا وقتی از غلظت بالاتر از 100ppm در داخل استفاده می کنیم.
شکل رآکتورهای تجاری
شکل رآکتور می تواند بر روی ویژگی های جریان گاز اثر بگذارد به نحوی که این تغییر در ویژگی های جریان نیز بر روی لایه های رسوب کرده اثر می گذارد.
رآکتورهای شیمیایی می توانند یکی از انواع جریان کارکنند:
جریان جابجایی که در آن گاز ورودی با گاز موجود در محفظه جایگزین می گردد( با حداقل مخلوط شدن).
جریان مخلوط که در آن گاز ورودی، پیش از خروج گاز موجود در محفظه، کاملا با آن مخلوط می شود.
وقتی ترکیب شیمیایی یک گاز وقتی با جریان جابجایی به محفظه شارژ می شود، تغییر کند، یک تغییر حجم می تواند با یک جایگزینی حجمی از گاز موجود در محفظه، یک تغییر 100% در ترکیب شیمیایی ایجاد کند. وقتی یک تغییر در ترکیب شیمیایی گاز در یک جریان مخلوط ایده آل پدید می آید، ترکیب شیمیایی گاز به طور اکپوننسیالی با میزان تغییرات حجمی، تغییر می کند.
به دلیل اینکه فرایند اپیتاکسی از واکنش های پیچیده با مقادیر اندک از مواد ناخاصی تشکیل شده است، طبیعت تغییر در جریان گاز می تواند اثر زیادی بر روی خواص مواد و کارایی رآکتور داشته باشد. عموما رآکتورهای با جریان مخلوط دارای توانایی کنترل مقاومت ویفر به ویفر خوبی است، حتی اگر مقادیر قابل توجهی از اتودوپینگ از زیر لایه بوجود آید. رآکتورهای با جریان جابجایی می توانند عرض انقال دوپانت تیز تری داشته باشند و همچنین اثر اتودوپینگ در این رآکتورها از ویفر به ویفر در طول جریان فرایند، افزایش می یابد. نرخ جریان کل بالا می تواند فشار عملیاتی را کاهش دهد و سایر المان های طراحی رآکتور به طور فراوان بر روی این تعیم ها اثر دارد.
شکل 3 اشکال رآکتورهای اصلی را که به طور تجاری در تولید اپیتاکسی مورد استفاده قرار می گیرند را نشان می دهد.
ملاحظات ابزاری برای اپیتاکسی سیلیکون

• دمای واکنش
• دمای ویفر
• غلظت های واکنش
• توالی فرایند
• فشار رآکتور
• گردیان دمایی نگهدارنده
• نرخ کلی جریان و سرعت آن
• اثرات گاز خروجی

• ایمنی اپراتور
• قابلیت اطمینان فرآیند
• اتوماسیون
• سهولت اپراتور
• بار گیری و خروج هوای تمیز( تهویه)
• سهولت دسترسی برای عمیلیات تعمیر و نگهداری

• منبع تغذیه ی برق
• کنترل جریان گاز
• کاور
• بخش مربوط به تصفیه ی گاز خروجی
• محفظه ی واکنش
نگهدارنده ی ویفر
دستگاه تنظیم کامپیوتری
منبع تغذیه ی گاز

• تیره شدن( haze)
• پیت ها
• پوسته پرتقالی شدن
• رشد صفحه ای
• بخش های محدب لبه ای ( edge crown)
• نابجایی لبه ای
• نابجایی های رشد کرده
• نقص شبکه ای
• گل میخ ها و ناهواری های کوچک( spikes and hillocks)
• پیت های سایه دار

هر کدام از این عیوب روشی برای شناسایی دارد که در برخی مراجع، این روش ها آورده شده است.

ایمنی

فرایند و رآکتور اپیتاکسی دارای چندین مخاطره است. یکی از آنها استفاده از گازهایی است که آتش زا، مضر، سمی و خورنده هستند. ولتاژ کاری بالا و مواد شیمیایی دیگر از جمله سایر مخاطرات هستند. برای ایجاد یک عملیات ایمن نیاز به یک سیستم تهویه ی مناسب و یک طرح ایمنی است.
تمرین های ایمنی خوب برای آگاه سازی از مواد شیمیایی مورد استفاده و یک طرح عملیاتی جلوگیری کننده لازم است همچنین یک برنامه ی آگاه سازی در مورد نحوه ی اجرای طرح ایمنی برای منطقه ی عملیاتی و عملیات ویژه در موارد بروز خطر، نیز ضروری است. طرح های ایمنی فراوانی وجود دارد که مناسب نبوده و اطلاعات ضروری مورد نیاز برای کار ما را فراهم نمی کنند. همچنین بدون تمرین این عملیات ایمنی مستحکم نیست.

موضوعات کلیدی فنی

موضوعات کلیدی فنی برای اپیتاکسی تجاری سیلیکون بهره وری/هزینه، یکنواختی/ کیفیت، اتودوپینگ/ کنترل لایه ی زیر بستر، و تکنولوژی مواد جدید است.

تکنولوژی مواد جدید برای اپیتاکسی سیلیکون

فرایند اپیتاکسی از اواسط دهه ی 1970 به طور کامل توسعه پیدا کرده است و گستره ی مناسب دما، فشار، نرخ رشد، و مواد شیمیایی مورد انتخاب، تعیین شده است.

• رشد سیلیکون بر روی یاقوت کبود
• رشد انتخابی
• رشد بیش از اندازه ی اپیتاکسی در عرض
• دوباره پر کردن حفرات به صورت اپیتاکسی
• اپیتاکسی در دمای پایین
•

در ادامه درمورد اپیتاکسی در دمای پایین صحبت می کنیم:

اپیتاکسی در دمای پایین

امروزه، انجام فراینداپیتاکسی در دمای پایین بوسیله ی CVD مورد توجه قرار گرفته است.

• در گستره ی دمایی 800-1000 درجه ی سانتیگراد در رآکتور متداول با استفاده از گاز یا بعد از یک رشد اولیه در دمای بالاتر
• در گستره ی دمایی 800-1000 درجه ی سانتیگراد با استفاده از و جایگزینی با He به عنوان گاز حامل
• در گستره ی دمایی 850 تا 1000 درجه ی سانتیگراد در رآکتور مرسوم با استفاده از با ویفرهایی که پیش از قرار دهی در داخل رآکتور در محلول HF اچ شده بودند.
• در گستره ی دمایی 850 تا 900 درجه ی سانتیگراد با استفاده از تفکیک نوری سیالان و سایر ترکیبات سیلیکونی انجام می شود
• در گستره ی دمایی 950 تا 750 درجه ی سانتیگراد در رآکتور دیواره سرد وپس از زدایش اکسید موجود بر روی سطح با استفاده از اچ پلاسمایی انجام می شود.
• در گستره ی دمایی 900 تا 700 درجه ی سانتیگراد با ایجاد فرایند در فشار پایین در یک رآکتور دیواره گرم انجام می شود.

تمام این فرایند های اپیتاکسی در دمای پایین دارای محدودیت های کاربردی است زیرا این فرایندها نیازمند نرخ رشد پایین برای بدست آوردن کیفیت کریستالی مناسب است. هنگامی که ضخامت لایه ی اپیتاکسی مورد نیاز به زیر 0.6 میکرون برود، یک چنین تکنیک هایی باید برای محصولات تجاری توسعه داده شوند.

نتیجه گیری

اپیتاکسی سیلیکون یک تکنولوژی حیاتی و در حال رشد برای صنعت نیمه رساناهاست که با کوچک شدن اندازه ی وسایل و آی سی های MOS اهمیت آنها نیز دوچندان می شود.
مکانیزم های مایع و سایر قوانین مهندسی شیمی می تواند برای یادگیری نحوه ی اصلاح فرایند، مطلوب باشند. این تکنولوژی تا حدودی پیچیده است اما در یک محیط تولید قابل یادگیر ی بوده و می توان در آن محیط محصولات را به تعداد زیاد تولید کرد.
کیفیت اپیتاکسی به طور زیادی به آماده سازی سطحی کریستال پیش از اپیتاکسی و شرایط رسوب دهی بستگی دارد. کیفیت کریستال مخصوصا با حضور اکسیدکننده ها در طی حرارت دهی و رسوب دهی، کاهش می یابد. یک سری ابزارآلات تجاری توسعه یافته اند که نیازهای تجاری را در کیفیت و بهره وری مناسب برطرف می کنند. هچنین این را باید گفت که در طی یک قرن گذشته، CVD فرایند ی غالب در تکنولوژی اپیتاکسی سیلیکون است.