התפקיד הקריטי של מעבר פני השטח בייצור Semiconductor

מעבר משטח עומד כאחד התהליכים הקריטיים ביותר בהפצה של מכשיר המוליכים למחצה, המשפיעים ישירות על חיי נושא, דליפות הנוכחית, ואמינות המכשיר הכוללת.בבסיסה, מעבר פני השטח מתייחס לבעיה הבסיסית של אג"ח מתפתל, מדינות פני השטח ומרכזי גומלין שמרכיבים את הממשק בין גבישי למחצה וסביבתו. פגמים אלה פועלים כמלכודות לביצועים מופקדים, ממולכים תאים לוגיים מתקדמים לכל דבר.

בעוד חוק מור ממשיך לדחוף את מימדי המכשיר לעבר קשקשים אטומיים, היחס של שטח פני השטח לנפח גדל באופן דרמטי, מה שהופך את השפעות פני השטח דומיננטיות יותר ויותר על תכונות גדולות. A מודרני FinFET Transistor, למשל, מציג ערוץ תלת-ממדי שבו פני השטח מגדירים התנהגות חשמלית. בדומה, ב photovoltaics, כל אחוז של יעילות שנרכשה באמצעות מעבר טוב יותר מתורגם ישירות בעלות מופחתת של אנרגיה.

האתגר הוא רב-פנים: שכבת המעבר האידיאלית חייבת לספק יציבות כימית מעולה, צפיפות מלכודות ממשק נמוכה, תשלום קבוע מינימלי, תאימות עם מדרגות עיבוד במורד הזרם.זה חייב גם לעמוד בתקציבים תרמיים, חשיפה פלזמה, וסביבות כימיות רטובות נתקלו במהלך ייצור גישות מסורתיות שירתו את התעשייה היטב במשך עשרות שנים, אבל טכניקות מתעוררות דוחפות כעת את הגבולות של מה אפשרי בייצוב.

שיטות מעבר משטח מסורתיות: בסיס להשוואה

הבנת המגבלות של טכניקות מבוססות מספקת ההקשר חיוני להערכת ההתקדמות המוצעת על ידי שיטות חדשות יותר.גישות מסורתיות להחלפה היו מעוגנות לאורך עשרות שנים, ונשארו פרוסות רבות בתעשיית הייצור ברחבי העולם.

Oxidation

(התחמצות הסיליקון) מייצרת שכבת סיליקון באיכות גבוהה, שהייתה הבסיס לטכנולוגיה של MOS מאז שנות ה-60.על ידי חשיפת סיליקון מחוספס לחמצן או קיטור בטמפרטורות בין 800 ו-Deg;C ו-1200 ו-C; C, דחוס, סטוכמטרי SiO & #8322; הסרט גדל ישירות מהתהליך התת-קרקעי, צורבדומה ל-חמצני, עם ממשק כפול:2Fmark: 2.

עם זאת, חמצון תרמי יש חסרונות משמעותיים.הטמפרטורות הגבוהות הנדרשת להציג מתח תרמי יכול לגרום חלוקה מחדש dopant באזורים שכבר נשתולו כבר.בנוסף, התהליך הוא מוגבל באופן טבעי לסיליקון וכמה חומרים אחרים שיוצרים תחמוצות מולדות יציבה.עבור מוליכים למחצה מורכבים כגון GaAs, InP, או GaN, חמצון תרמי מייצר איכות ירודה עקב ממשק לא תחמוצת ומעדיפים רכיבים של חמצון.

החלפה כימית

מעבר כימי כרוך בטיפול משטחים למחצה מולידים עם פתרונות כימיים ספציפיים כדי להסיר תחמוצות ילידים ולסיים אג"ח דנגלינג עם מינים יציבים.עבור סיליקון, הפסקת מימן באמצעות חומצה הידרופלומרית dilutefluoric (HF) היא הדוגמה הנפוצה ביותר, לייצר משטח הידרופובי שבו אטומים מחוברים מימן.זה מספק הגנה זמנית נגד חמצון וזיהום במהלך פעולות רטובות.

בעוד פשוט ויעיל, המעבר הכימי הוא בדרך כלל זמני ומציע יציבות תרמית מוגבלת. הידרוגן desorbs בטמפרטורות מעל 400 °C, משאיר את פני השטח פגיעים. עבור מוליכים למחצה מורכבים, המעבר הכימי הוא אפילו מאתגר יותר.טיפולים המבוססים על Sulfur באמצעות ammonium sulfide או sodium sulfide הראו הבטחה עבור חומרים 3V, אבל השגת יציבות לטווח ארוך נשאר אזור מחקר פעיל.

Dielectric Layer Deposition: Silicon Nitride and Silicon Dioxide

פלטמה-enhanced כימי Deposition (PECVD) של סיליקון ניטריד וסיליקון דו תחמוצת הפך טכניקת העברת עבודה בייצור מעגלים משולבים. אלה dielectrics שהופקדו לספק כיסוי קונפורציוני, תכונות מחסום טוב נגד לחות וצלומי נייד, והוא יכול להיות מיושם בטמפרטורות תואמות שכבות מתכת.

המגבלה העיקרית של דיאלקטריקה PECVD היא איכות ממשק.תהליך המחיקה אינו צורב את המצע, כך שהממשק הוא מושלם פחות מזה של תחמוצת תרמיות.מדנות קבועות ותבניות מלכודות ממשק הן בדרך כלל גבוהות יותר, אשר יכול לקלקל ביצועים, במיוחד ביישומים אנלוגיים או רדיו- ⁇ , בנוסף, תהליך הפירוק עצמו יכול להביא נזק פלזמה למשטח המוליכים למחצה.

טכניקות מתפתחות ב Semiconductor Surface Passivation

ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית הדגה, חומרים מדע וכימיה על פני השטח הביאה לדור חדש של טכניקות מעבר שמטפלים במגבלות של שיטות מסורתיות תוך מתן ארכיטקטורות מכשירים ומערכות חומריות חדשות.

שכבת אטומית (ALD)

פיזור שכבת אטומי התפתח כטכניקה טרנספורמטיבית עבור מעבר פני השטח, המציע שליטה בלתי-מתאמת על עובי הסרט, אחידות והקומפוזיציה. ALD פועלת באמצעות תגובות משטח אטומיות, שמפיקות שכבה אטומית אחת בכל פעם.תהליך מחזורי זה מאפשר שליטה על עובי ברמת angstrom ומייצר סרטים שתואמים אפילו על מבנים גבוהים-aspectratio.

עבור יישומי העברת, ALD מאפשר את הפירוק של דיאלקטריות כגון אל & #8322; O & #8323; HfO & #8322; ו ZrO & #8322; עם תכונות ממשק מבוקרות בדיוק. oxide oxide שהופקדו על ידי ALD הראה איכות מעבר יוצאת דופן על פני משטחים סיליקון, השגת מהירויות נמוכות מאוד על פני השטח באמצעות שילוב של תאים עמידים כימיים ו-ידי ALDL סטנדרטיים (במיוחד על ידי ALDL) עבר רמת השפעה גבוהה.

הטמפרטורה הנמוכה של ALD (בדרך כלל 150-300 °C) ממזער מתח תרמי ומאפשרת העברת substrates רגישים לטמפרטורה.יתר על כן, הטכניקה היא החלת על מגוון רחב של חומרים מוליכים למחצה, כולל 3-V תרכובות, סיליקון carbide, ועלייה של 2D חומרים לאחרונה הוכיחה ALD של תחמוצת ternary oxides וננולויות שניתן יהיה מהנדס כדי לספק תכונות ספציפיות, מיקומים, ממשק.

2D חומרים החלפה: Graphene and Hexagonal Boron Nitride

התכונות יוצאות הדופן של חומרים דו-ממדיים פתחו אפשרויות חדשות לחלוף פני השטח שהיו בלתי אפשריים עם דיאלקטריים גדולים מאוד. Graphene, שכבה אטומית אחת של אטומי פחמן מסודרים בלחיצת hexagonal, מציעות חסינות יוצאת דופן גזים ונוזלים, מוליכות תרמית גבוהה, וגמישות מכנית. כאשר מועברים או גדל ישירות על משטחים למחצה, גרפן יכול לשמש כשכבה אטומית המונעת חמצן מינימלית.

הקסגונית בורון nitride (h-BN), המכונה לעתים קרובות "גרפן לבן", היא אינסטלטור 2D עם להקה רחבה של בערך 6 eV. משטח שטוח אטומי שלה, חוסר אג"ח דנגלינג, ויציבות תרמית גבוהה להפוך אותו לשכבה אידיאלית עבור משטחים סטריפטור רגישים.

היישום המעשי של העברת חומרים 2D עומד בפני אתגרים בסינתזה בקנה מידה גדול, העברה ללא זיהום, ושילוב עם תהליכי ייצור קיימים.עם זאת, התקדמות לאחרונה בפירוק כימי בקנה מידה רחב של h-BN וגרף טוען כי חומרים אלה עשויים בקרוב למצוא את דרכם לתוך סביבות ייצור, במיוחד עבור יישומים שבהם נדרשת איכות האולטימטיבית.

פאסיביזציה מבוססת פלאסמה

עיבוד פלאסמה מציע יכולות ייחודיות להעברת פני השטח על ידי מתן שינוי מדויק של כימיה פני השטח ברמה האטומית ללא צורך בטמפרטורות תת-קרקעיות גבוהות.גישות שונות של מעבר פלזמה פותחו, כל אחת מהן מנצלת היבטים שונים של אינטראקציות פלזמה-surface.

מעבר פלזמה הידרוגן הוא אחת הטכניקות הנלמדות ביותר. חשיפה לפלסמה מימן מייצרת רדיקלים מימן אטומיים שיכולים ליישב אג"ח מתפתלים על משטחים למחצה וברובם.עבור פוליקריסטלליין סיליקון וסרטי סיליקון מולדים המשמשים טרנזיסנסים דקים ותאים סולאריים, טיפול פלזמה הוכח להפחית באופן משמעותי את הפגמים ולשפר את התכונות האלקטרוניות.

טיפול בפלסמה Nitrogen מציע מסלול מעבר חלופי עבור 3-V Semiconductors ו-סיליקון carbide. Nitrogen פלזמה חשיפה יכול ליצור שכבת nitride דק המספקת יציבות כימית ומפחיתה צפיפות המדינה פני השטח.עבור transistors בעלי יכולת גבוהה של GaN-electron גבוהה (HEMTs), פלזמה לפני deposition dielectric הוכח להפחית את ההתמוטטות הנוכחית ולשפר את האמינות על ידי מלכודות משטח.

גרסה מתפתחת היא מעבר פלזמה מרוחקת, שבו המקור פלזמה מופרד מהמצע כדי להפחית את נזק ההפגזה של יון.גישה זו מאפשרת את היתרונות הכימיים של מינים מהונדסים פלזמה להיות מובנות ללא הנזק הפיזי שעלול להתרחש בחשיפה פלזמה ישירה.

עצמי-Assembled Monolayers (SAMs)

מונושבים עצמיים מאגדים מייצגים גישה שונה מהותית לחלוף פני השטח שממנף את ארגון העצמי המולקולרי ולא פיזור פילים דקים. SAMs הם עמותות מולקולריות שצורות באופן ספונטני כאשר מולקולות אמפיפיליות מודעות אורבומיות על תת-קבוצה תואמים.המערכות הנלמדות ביותר הן אוניברסנס על פני השטח תחמוצמיים ו- thiols על מתכות אציליות, אך המחקר הרחיב על מנת להרחיב את חומצות מימן על סיליקון-מדומים.

היתרון המרכזי של העברת SAM הוא ביכולת מהנדס נכסים עם דיוק מולקולרי. על ידי בחירת הקבוצה הראש המתאים, אורך שרשרת וקבוצת פונקציונליות מסוף, החוקרים יכולים לשלוט על פני השטח אנרגיה, תפקוד עבודה, פעילות גופנית כימית, ונכסים אלקטרוניים.עבור מעבר מוליכים למחצה, SAMs יכול לספק מחסום צפוף, אולטרה-מטאין כי מונע חמצון וזיהום תוך כדי אפשרות טעינה באמצעות מנהרה או התנהגות מולקולרית.

עבור אלקטרוניקה אורגנית ומכשירים גמישים, SAM מעבירה יתרונות מסוימים.הטמפרטורה הנמוכה, עיבוד מבוסס פתרון תואם תת-שכבות פלסטיק, עובי מולקולרי מצמצם מתח מכני.ב transistors האפקטיבית האורגני, SAMs כבר שימש כדי להעביר את ממשק המוליכים למחצה-חשמלי, צמצום המלכודת ושיפור יציבות המכשיר באופן דומה, תאים סולקטיביים, טיפול SAM הוכח כדי לדכא אלקטרו-מוחטציה.

יציבות ארוכת טווח ועוצמה תרמית של SAMs נותרו חששות ליישומים הדורשים עיבוד עתירי גבוה או סביבות קשות.עם זאת, SAMs וגישות אורגניות היברידיות אורגניות-אורגניות מפותחות כדי לטפל במגבלות אלה.

יתרונות השוואתיים של טכניקות להחלפה

כאשר הוערך נגד מדדי הביצועים החשובים ביותר בייצור Semiconductor, הטכניקות המתעוררות מציעות יתרונות ברורים המצדיקים את האימוץ הגדל שלהם.

אחידות וקונפורטי

ALD משיג כיסוי קונפורמנטלי על מבנים תלת-ממדיים מורכבים עם יחסים מעל 100:1, מה שהופך אותו הטכניקה של בחירה עבור זיכרון גבוה-density ומכשירים לוגיים מתקדמים. SAMs לספק אחידות ברמה מולקולרית על פני משטחים של Planar אבל אתגרים פנים על חומרים שאינם-סבירים גיאומטריה חלקה, אבל דורשות תהליכים זהירים כדי למנוע קמטים ועיוותים.

תקציב וטמפרטורה עיבוד

המעבר SAM פועל בטמפרטורת החדר או ליד, המציע את התקציב התרמי הנמוך ביותר של כל טכניקה.פסמה עובר פועל בדרך כלל בין 100 ו-deg; C ו 400 & Deg;C, בעוד ALD משתרע 150 ° C ל 350 ° C. אלה טווחי טמפרטורה מתאימים גם שכבות מתכת ו- III-Vstrates כי יידרדרו במהלך הדבקה תרמית ב-800 ליטרים.

איכות סודיות והגנת הכחשות

(ב) [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]

מורכבות

ALD יש את הרמה הגבוהה ביותר של בגרות תעשייתית בין הטכניקות המתעוררות, עם כלים מסחריים הזמינים מיצרנים רבים של ציוד ומתכונים של תהליך מבוסס היטב. עוברי פלזמה הוא גם מוכן הייצור עבור יישומים ספציפיים. SAMs וחומרים 2D נשארים בעיקר בשלב המחקר והפיתוח עבור רוב יישומי המוליכים למחצה, עם עבודה הנדסית משמעותית הנדרשת לפני אימוץ נרחב בייצור גבוה.

יישום התעשייה ואפקטים בעולם האמיתי

טכניקות המעבר המתעוררות כבר מוצאים את דרכם למוצרים מסחריים ומדגימות שיפורים משמעותיים בביצועי המכשיר.

תאים סולאריים ו Photovoltaics

תעשיית הפוטובולטאית הייתה לאמץ מוקדם ונלהב של טכניקות לחלוף מתקדמות. ALD Al ₂O₃ הפך שכבת מעבר אחורית סטנדרטית בתאי השמש PERC, לתרום להורדת יעילות שיא של 24% עבור תאים מטבוליים פלזמה איכות.

מכשירים מתקדמים וזיכרון

ב transistors לוגיקה מתקדמת, ALD גבוה דיואלקטריים החליפו תחמוצת תרמי כמו שער dielectric מאז 45 nm טכנולוגיה node. השילוב של HfO & #8322; עם שכבות ALD-גזעיות גדולות מספק קנה מידה גבוה יותר קיבולת שיער תוך שמירה על זרמי דליפה מקובלים.

מכשירים אופטיים

דידות אור-הפחתת לייזר ו diodes המבוססים על חומרים III-V נהנים באופן משמעותי מטיפולי מעבר פני השטח. פלאסמה באמצעות חנקן או כימיה ulfur הוכחו להפחית את ה- un-radiative Recombination ב-Mosached mesa Sideקירות ב- GaN LEDs, שיפור היעילות וצמצום droop. for photodetectors על בסיס ב-GaAsgCre או Hgation, בתנאי הגנה מתמשכת על פני פני פני השטח.

אתגרים ומגבלות של טכניקות מתפתחות

למרות ההבטחה שלהם, טכניקות המעבר המתעוררות מתמודדות עם מכשולים משמעותיים שיש להתגבר עליהם לפני שהם יכולים להחליף באופן מלא את השיטות המסורתיות בייצור הזרם המרכזי.

תהליכי ALD איטיים מטבעם בשל האופי המחזורי של התערוכה, עם שיעורי צמיחה אופייניים של 1-2 אנגסטרום למחזור.עבור שכבות של מעבר עבה, זה יכול לגרום למגבלות באמצעות חישוב המשפיעות על כלכלת הייצור.ל.תעדויות ועלות עבור תחמוצות מתכת מסוימות נשארות חששות, וכמה מבשרים לייצר קורוזיות על ידי מוצרים הדורשים מערכות של חדירה מיוחדות.

העברת חומרים 2D עומדת בפני האתגר הבסיסי של הפקת סרטי דגנים ללא פגם, גדולים-area. ⁇ כימיות של גרפן ו- h-BN מייצרת בדרך כלל סרטים פוליקליים עם גבולות דגנים שיכולים להתפשר נכסים. תהליכי העברה באופן בלתי נמנע מציגים זיהום, קמטים, ודמעות שיוצרות מסלולים עבור חמצון או מנגנוני השפלה אחרים.

מעבר מבוסס פלזמה חייב להתמודד עם הסחר בין פעילות כימית לבין נזק פיזי.פלזמה גבוהה כי לייצר מינים רבים תגובתיים גם לייצר הפגזות יון אנרגטי שיכול ליצור פגמים על פני השטח למחצה. מציאת חלונות תהליך הממקסמים את המעבר תוך צמצום הנזק דורש אופטימיזציה נרחבת ויכולים להיות רגישים לתצורה.

SAMs להתמודד עם אתגרים במונחים של יציבות תרמית, עם רוב מונוlayers אורגניים מחלחלים בטמפרטורות מעל 300-400 ° C. זה מגביל את היישום שלהם בתהליכים הדורשים שלבים עתירי זמן מאוחר יותר.בנוסף, היווצרות SAM רגיש מאוד להכנת פני השטח תנאים סביבתיים, מה שהופך את הכדאית דאגה לסביבות הייצור.

קווי עתיד וגבולות מחקר

תחום המעבר של משטח המוליכים למחצה ממשיך להתפתח במהירות, עם כמה כיוונים מבטיחים שיכולים לעצב מחדש את הנוף בשנים הקרובות.

למידת מכונות ובדיקת חישובית מוחלים על מנת להאיץ את גילוי החומרים החדשים של מעבר ותנאי תהליך.על ידי הכשרת מודלים על מסדי נתונים של תכונות ממשק ידועות, החוקרים יכולים לחזות את איכות המעבר של שילובים חומריים חדשים ללא ביצוע מחקרים ניסיוניים נרחבים. גישה זו כבר זיהתה מבשרי ALD ומבנים מולקולריים SAM אשר ראויים לאימות ניסיוני.

תוכניות העברת היברידיות המשלבות טכניקות מרובות מתעוררות כאסטרטגיה למנף את היתרונות של גישות שונות.לדוגמה, שכבת זרע ALD דק יכול לשפר את הניקוי ואת הדבקות של חומר 2D מופקד לאחר מכן, בעוד שקדם פלזמה יכול להכין את פני השטח עבור היווצרות SAM אופטימלית. אלה גישות מרובות-שלב גישות להגדיל את המורכבות, אבל לעתים קרובות מניב תכונות ממשק כי על כל טכניקה אחת.

החלפת החלפת החלפת, שבו משטח המוליכים למחצה מוגן מיד לאחר צמיחה או גרד ללא חשיפה לתנאי הסביבה, הוא מקבל תשומת לב לחומרים רגישים במיוחד חמצון. Integrated עיבוד מערכות המשלבות תאי דהוגס דק-סרט עם הכנה על פני השטח בסביבה מבוקרת לחסל את הצורך בטיפולים כימיים רטובים ולהפחית את הסיכון לזיהום אווירי 2D רגישים חומרים ומוליכים למחצה, סביר להניח כי הוא השגת ממשק חיוני כדי לעבור.

הגדלה המתמשכת של מכשירים מוליכים למחצה יניחה את הפיתוח של טכניקות מעבר שיכול לתפקד בקנה מידה אטומי.As אורך ערוץ גישה כמה ננומטרים, ההבחנה בין פני השטח לבין הרוב נעלם, וכל אטום בממשק חייב להיות מבוקר.טכניקות כגון שכבת אטומית גירוד בשילוב עם שכבת אטומית אטומית מציע את האפשרות של הסרת חומרים באופן שווה ופיקד ברמה המונומית, לספק את הממשק ברמה אטומית כולה.

מסקנה

מעבר משטח התקדם מפרקטיקה אמפירית בעיקר לפן ממונדס ומבינו מאוד של מכשיר המוליכים למחצה.הטכניקות המתעוררות של שכבת אטומית, העברת חומרים 2D, עיבוד מבוסס פלזמה, ורכיב עצמי של מונופילים מאגדים מייצגים התקדמות משמעותית ביכולת לשלוט על משטחים של מוליכים למחצה עם דיוק, גמישות, ואמינות.כל טכניקה מציעה יכולות ייחודיות של מערכת אופטית כדי להיות צורך בדרישות ספציפיות של פורמטים באיכות גבוהה.

כמו טכנולוגיה Semiconductor ממשיכה לגוון מעבר לסיליקון לתוך מוליכים למחצה מורכבים, חומרים 2D ומערכות היברידיות, החשיבות של מעבר משטח יעיל רק לגדול.היכולת לייצב משטחים וממשקים ברמה האטומית יהיה מאפשר מפתח לדור הבא של מכשירים אלקטרוניים, פוטוניים ו הקוונטים. יצרנים וחוקרים אשר משקיעים בטכניקות מתפתחות אלה יהיו ממוצבים היטב כדי לספק את הביצועים, יעילות בתעשייה.

עבור אנשי מקצוע בייצור ועיצוב למחצה, שמירה על נשימה של התפתחויות במעבר פני השטח היא לא רק תרגיל אקדמי אלא צורך מעשי.הבחירה של טכניקת המעבר משפיעה ישירות על ביצועי המכשיר, התשואות והאמינות, מה שהופך אותו שיקול קריטי בתהליך פיתוח וטכנולוגיה Roadmapping. כמו השדה ממשיך להתקדם, שילוב של שיטות הפעלה מתעורר לתוך זרמי ייצור הזרם המרכזי יייצג אתגר והזדמנות עבור התעשייה למחצה.