Wafer di silicio

Il silicio è un materiale solido con determinate proprietà elettriche del semiconduttore e stabilità fisica e fornisce il supporto del substrato per il successivo processo di produzione del circuito integrato. È un materiale chiave per i circuiti integrati a base di silicio. Oltre il 95% dei dispositivi semiconduttori e oltre il 90% dei circuiti integrati nel mondo sono realizzati su wafer di silicio.

Secondo i diversi metodi di crescita del singolo cristallo, i monocristalli di silicio sono divisi in due tipi: Czochralski (CZ) e zona flottante (FZ). I wafer di silicio possono essere suddivisi approssimativamente in tre categorie: wafer lucidati, wafer epitassiali e isolante di silicio (SOI).

Wafer di lucidatura in silicio

Il wafer di lucidatura del silicio si riferisce a awafer di silicioformato lucidando la superficie. È un wafer rotondo con uno spessore inferiore a 1 mm lavorato mediante taglio, molatura, lucidatura, pulizia e altri processi di un'unica asta di cristallo. Viene utilizzato principalmente nei circuiti integrati e nei dispositivi discreti e occupa una posizione importante nella catena industriale dei semiconduttori.

Quando elementi del gruppo V come fosforo, antimonio, arsenico, ecc. vengono drogati in singoli cristalli di silicio, si formeranno materiali conduttivi di tipo N; quando elementi del gruppo III come il boro vengono drogati in silicio, si formeranno materiali conduttivi di tipo P. La resistività dei monocristalli di silicio è determinata dalla quantità di elementi droganti. Maggiore è la quantità di drogaggio, minore è la resistività. I wafer di lucidatura del silicio leggermente drogato si riferiscono generalmente a wafer di lucidatura del silicio con una resistività superiore a 0,1 W·cm, che sono ampiamente utilizzati nella produzione di circuiti integrati e memorie su larga scala; I wafer di lucidatura in silicio fortemente drogato si riferiscono generalmente a wafer di lucidatura in silicio con una resistività inferiore a 0,1 W·cm, che sono generalmente utilizzati come materiali di substrato per wafer di silicio epitassiali e sono ampiamente utilizzati nella produzione di dispositivi di potenza a semiconduttore.

Wafer di lucidatura in silicioche formano un'area pulita sulla superficie delwafer di siliciodopo il trattamento termico di ricottura sono chiamati wafer di ricottura di silicio. Quelli comunemente usati sono i wafer per la ricottura dell'idrogeno e i wafer per la ricottura dell'argon. I wafer di silicio da 300 mm e alcuni wafer di silicio da 200 mm con requisiti più elevati richiedono l'uso del processo di lucidatura su due lati. Pertanto, la tecnologia gettering esterna che introduce il centro gettering attraverso la parte posteriore del wafer di silicio è di difficile applicazione. Il processo di gettering interno che utilizza il processo di ricottura per formare il centro di gettering interno è diventato il processo di gettering tradizionale per wafer di silicio di grandi dimensioni. Rispetto ai wafer lucidati generali, i wafer ricotti possono migliorare le prestazioni del dispositivo e aumentare la resa e sono ampiamente utilizzati nella produzione di circuiti integrati digitali e analogici e chip di memoria.

Il principio di base della crescita del singolo cristallo con fusione a zona è quello di fare affidamento sulla tensione superficiale della massa fusa per sospendere la zona fusa tra l'asta di silicio policristallino e il singolo cristallo cresciuto sotto, e purificare e far crescere i singoli cristalli di silicio spostando la zona fusa verso l'alto. I cristalli singoli di silicio con fusione a zona non sono contaminati dai crogioli e hanno un'elevata purezza. Sono adatti per la produzione di monocristalli di silicio di tipo N (compresi monocristalli drogati per trasmutazione di neutroni) con resistività superiore a 200Ω·cm e monocristalli di silicio di tipo P ad alta resistenza. I cristalli singoli di silicio con fusione a zona vengono utilizzati principalmente nella produzione di dispositivi ad alta tensione e alta potenza.

Wafer epitassiale di silicio

Wafer epitassiale di siliciosi riferisce a un materiale su cui uno o più strati di film sottile monocristallino di silicio vengono cresciuti mediante deposizione epitassiale in fase vapore su un substrato e viene utilizzato principalmente per produrre vari circuiti integrati e dispositivi discreti.

Nei processi avanzati di circuiti integrati CMOS, al fine di migliorare l'integrità dello strato di ossido di gate, migliorare le perdite nel canale e aumentare l'affidabilità dei circuiti integrati, vengono spesso utilizzati wafer epitassiali di silicio, ovvero uno strato di film sottile di silicio è cresciuto in modo omogeneo epitassiale su un wafer lucidato di silicio leggermente drogato, che può evitare gli svantaggi di un elevato contenuto di ossigeno e molti difetti sulla superficie dei wafer lucidati di silicio generali; mentre per i wafer epitassiali di silicio utilizzati per circuiti integrati di potenza e dispositivi discreti, uno strato di strato epitassiale ad alta resistività viene solitamente cresciuto epitassiale su un substrato di silicio a bassa resistività (wafer lucidato di silicio fortemente drogato). Negli ambienti applicativi ad alta potenza e alta tensione, la bassa resistività del substrato di silicio può ridurre la resistenza in conduzione e lo strato epitassiale ad alta resistività può aumentare la tensione di rottura del dispositivo.

Wafer di silicio SOI

SOI (silicio su isolante)è silicio su uno strato isolante. Si tratta di una struttura "sandwich" con uno strato superiore di silicio (Top Silicon), uno strato intermedio sepolto di biossido di silicio (BOX) e un supporto di substrato di silicio (Handle) sottostante. Come nuovo materiale di substrato per la produzione di circuiti integrati, il vantaggio principale del SOI è che può ottenere un elevato isolamento elettrico attraverso lo strato di ossido, che ridurrà efficacemente la capacità parassita e le perdite dei wafer di silicio, favorendo la produzione di alta- circuiti integrati su larga scala ad alta velocità, bassa potenza, alta integrazione e alta affidabilità ed è ampiamente utilizzato in dispositivi di potenza ad alta tensione, dispositivi ottici passivi, MEMS e altri campi. Allo stato attuale, la tecnologia di preparazione dei materiali SOI comprende principalmente la tecnologia di incollaggio (BESOI), la tecnologia di stripping intelligente (Smart-Cut), la tecnologia di impianto di ioni di ossigeno (SIMOX), la tecnologia di incollaggio con iniezione di ossigeno (Simbond), ecc. La tecnologia più diffusa è intelligente tecnologia di stripping.

Wafer di silicio SOIpuò essere ulteriormente suddiviso in wafer di silicio SOI a film sottile e wafer di silicio SOI a film spesso. Lo spessore del silicio superiore del film sottileWafer di silicio SOIè inferiore a 1um. Attualmente, il 95% del mercato dei wafer di silicio SOI a film sottile è concentrato nelle dimensioni di 200 mm e 300 mm e la sua forza trainante sul mercato proviene principalmente da prodotti ad alta velocità e a basso consumo, in particolare nelle applicazioni con microprocessori. Ad esempio, nei processi avanzati inferiori a 28 nm, il silicio completamente impoverito sull'isolante (FD-SOI) presenta evidenti vantaggi prestazionali quali basso consumo energetico, protezione dalle radiazioni e resistenza alle alte temperature. Allo stesso tempo, l’uso di soluzioni SOI può ridurre notevolmente il processo di produzione. Lo spessore superiore del silicio dei wafer di silicio SOI a film spesso è maggiore di 1 um e lo spessore dello strato sepolto è 0,5-4 um. Viene utilizzato principalmente nei dispositivi di potenza e nei campi MEMS, in particolare nel controllo industriale, nell'elettronica automobilistica, nelle comunicazioni wireless, ecc. e solitamente utilizza prodotti con diametro di 150 mm e 200 mm.