Das Aufwachsen einer zusätzlichen Schicht von Siliziumatomen auf einem Siliziumwafer-Substrat bietet mehrere Vorteile:
Bei CMOS-Siliziumprozessen ist das epitaktische Wachstum (EPI) auf dem Wafersubstrat ein kritischer Prozessschritt.
1. Verbesserung der Kristallqualität
Anfängliche Substratdefekte und Verunreinigungen: Während des Herstellungsprozesses können auf dem Wafersubstrat Defekte und Verunreinigungen auftreten. Durch das Wachstum der Epitaxieschicht kann eine hochwertige monokristalline Siliziumschicht mit geringen Konzentrationen an Defekten und Verunreinigungen auf dem Substrat erzeugt werden, was für die nachfolgende Bauelementfertigung entscheidend ist.
Einheitliche Kristallstruktur: Epitaxiales Wachstum gewährleistet eine gleichmäßigere Kristallstruktur, wodurch der Einfluss von Korngrenzen und Defekten im Substratmaterial verringert und somit die Gesamtqualität der Waferkristalle verbessert wird.
2. Verbesserung der elektrischen Leistung.
Optimierung der Geräteeigenschaften: Durch das Aufwachsen einer Epitaxieschicht auf dem Substrat lassen sich Dotierungskonzentration und -art des Siliziums präzise steuern und somit die elektrischen Eigenschaften des Bauelements optimieren. Beispielsweise kann die Dotierung der Epitaxieschicht feinjustiert werden, um die Schwellenspannung von MOSFETs und andere elektrische Parameter zu beeinflussen.
Reduzierung des Leckstroms: Eine hochwertige Epitaxieschicht weist eine geringere Defektdichte auf, was dazu beiträgt, den Leckstrom in den Bauelementen zu reduzieren und somit die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Bauelemente zu verbessern.
3. Verbesserung der elektrischen Leistung.
Verkleinerung der Strukturgröße: Bei kleineren Strukturgrößen (wie 7 nm, 5 nm) schrumpft die Strukturgröße von Bauelementen kontinuierlich, was den Einsatz hochwertigerer Materialien erfordert. Epitaxieverfahren können diese Anforderungen erfüllen und die Herstellung von leistungsstarken und hochdichten integrierten Schaltungen ermöglichen.
Erhöhung der Durchbruchspannung: Epitaxiale Schichten können mit höheren Durchbruchspannungen entwickelt werden, was für die Herstellung von Hochleistungs- und Hochspannungsbauelementen entscheidend ist. Beispielsweise können epitaxiale Schichten bei Leistungshalbleitern die Durchbruchspannung erhöhen und somit den sicheren Betriebsbereich erweitern.
4. Prozesskompatibilität und Mehrschichtstrukturen
Mehrschichtstrukturen: Die Epitaxietechnologie ermöglicht das Wachstum von Mehrschichtstrukturen auf Substraten, wobei die einzelnen Schichten unterschiedliche Dotierungskonzentrationen und -arten aufweisen. Dies ist äußerst vorteilhaft für die Herstellung komplexer CMOS-Bauelemente und die dreidimensionale Integration.
Kompatibilität: Das Epitaxieverfahren ist mit bestehenden CMOS-Fertigungsprozessen sehr gut kompatibel und lässt sich daher problemlos in die aktuellen Fertigungsabläufe integrieren, ohne dass wesentliche Änderungen an den Prozesslinien erforderlich sind.
Zusammenfassung: Die Anwendung des Epitaxieverfahrens in CMOS-Siliziumprozessen zielt primär darauf ab, die Kristallqualität der Wafer zu verbessern, die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente zu optimieren, fortschrittliche Prozessknoten zu unterstützen und die Anforderungen der Fertigung von Hochleistungs- und hochdichten integrierten Schaltungen zu erfüllen. Die Epitaxietechnologie ermöglicht eine präzise Kontrolle der Materialdotierung und -struktur und verbessert so die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit der Bauelemente.
Veröffentlichungsdatum: 16. Oktober 2024