1. Pozadina: Zašto silikonski vafri nisu dovoljno?
Prvi korak u proizvodnji poluvodiča dobiva polirani pojedinačni - kristalni silikonski rez (obično CZOCHRALSKI vafel uzgojen pomoću CZ metode).
Međutim, iako su ti vafli s jednim kristalima, njihove površine možda ne ispunjavaju stroge zahtjeve uređaja za čistoću, gustoću oštećenja, točnost dopinga i strukturu.
Posebno u naprednim procesnim čvorovima i visokim - uređajima za performanse, stvarajući aktivne regije izravno na originalnom rezinu predstavlja ograničenja:
- visoki sadržaj kisika u vaferskom rasutom stanju (CZ silicij često ima taloge kisika), što utječe na životni vijek i curenje manjine uređaja.
- Profil dopinga Wafer ne može se precizno prilagoditi (posebno kada su potrebni ultra - plitki spoj ili gradijentne strukture).
- Micro - oštećenja poput dislokacija i ogrebotina mogu postojati na površini, izravno utječu na prinos.
- Neki uređaji zahtijevaju heterogene materijale (poput sige, gaas - na - si, i sic - na - si) - Materijali koji se ne mogu pokrenuti sa sobom.
To zahtijeva kontroliranu tehnologiju "resurfacing" - proces epitaksijskog rasta (EPI).
2. Jezgra Definicija EPI procesa
EpiTaxy se odnosi na rast jednog - kristalnog tankog filma na jednom - kristalnom supstratu s istom kristalnom orijentacijom kao i supstrat.
To može biti ili homoepitaksijalno (si na si) ili heteroepitaksijalno (sige na si, gan na sic itd.).
Ključne značajke:
Epitaksijski sloj "nasljeđuje" strukturu rešetke supstrata (orijentacija kristala i poravnanje) i ima nisku gustoću oštećenja.
Debljina se može kontrolirati (od nekoliko nanometara do desetaka mikrona).
Doping vrsta, koncentracija i gradijent mogu se precizno prilagoditi u skladu s dizajnom.
3. Zašto koristiti EPI proces?
To se može objasniti iz tri perspektive: performanse, procesa i uvođenja novih materijala:
3.1 Poboljšanje performansi
Smanjenje gustoće oštećenja
EPI može uzgajati "defekt - slobodni sloj" koji izolira oštećenja supstrata iz aktivne regije, povećavajući tako životni vijek nosača manjina (posebno važan za uređaje za napajanje). Optimiziranje doping struktura
Ultra - mogu se postići plitki spoj ili ocjenjivani doping profili, poboljšavajući karakteristike napona i provođenja.
Poboljšanje električnih performansi
Visoki - Slojevi Epitaksijalnog sloja otpora (EPI) mogu smanjiti parazitski kapacitet (pogodan za visoke - frekvencijske uređaje), dok debeli epitaksijski slojevi mogu poboljšati izdržani napon uređaja za napajanje.
3.2.
Izolacija uređaja
Korištenje visokog - otpora EPI sloj može poboljšati izolaciju između uređaja i smanjiti parazitske presjeke.
Smanjenje zasuna -
U CMOS -u, epitaksijski sloj može suzbiti pokretanje parazitskih tiristorskih struktura.
Fleksibilna debljina
Različiti proizvodi mogu imati prilagođene EPI debljine na istoj supstratu (posebno uobičajene u napajanju, analognim i RF aplikacijama).
3.3 Uvođenje novih materijala
Inženjering
SIGE epitaxy, sic epitaksi i gan epitaksiji postignuti su kroz EPI.
Heterogena integracija
U silikonskoj fotonici, MEMS -u i uređajima za napajanje, EPI se može koristiti za uzgoj iii - V materijala na silicijumu. Superlattice strukture kao što su HBTS i Quantum Well Laseri zahtijevaju izmjenično taloženje slojeva materijala s različitim prazninama opsega, što zahtijeva EPI.
4. Uobičajene vrste EPI procesa
| Proces | Značajke | Prijava |
|---|---|---|
|
Si Epi (homogena pokrivenost) |
Visoki - čistoća Si slojevi uzgojeni na SI supstrate |
CMO, uređaji za napajanje |
|
Sige Epi |
Kontrolirani GE sadržaj, soj - obložen |
PMOS ubrzanje, sige hbt |
|
Sic epi |
Visoka tvrdoća, visoka toplinska vodljivost, polje visokog raspada | Elektronika napajanja (silicijski karbid mosfet) |
|
Gan EPI |
Široka pojasa, visoka pokretljivost elektrona | Visoka - frekvencija, visoka - snaga rf |
|
Ge Epi na Si |
Optoelektronska integracija, napeta CMOS | Silicijska fotonika, infracrvena detekcija |
5. Tehnički izazovi procesa EPI
Defekti sučelja: Rešetka koja podudara između epitaksijskog sloja i supstrata zahtijeva izuzetno visoku preciznost, inače će se generirati dislokacije.
Upravljanje stresom: Prekomjerni stres tijekom heteroepitaksijalnog rasta može uzrokovati iskrivljenje ili pucanje.
Precizna kontrola dopinga: Raspon koncentracije može doseći 10¹³–10²⁰ cm⁻³, sa zahtjevom točnosti od ± 1%.
Debljina ujednačenost: veliki - promjer (300 mm) rezine zahtijeva uniformnost debljine<1%.
6. Sažetak
Proces EPI pojavio se zato što može "preoblikovati" rezinu da stvori visoku - kvalitetu, označenu, nisku - defekt i kontrolirani doping površinski sloj. To ne samo da proširuje životni vijek silikonskih CMO -a, već također pruža put za implementaciju novih materijala i novih struktura uređaja.
Bez EPI -a bilo bi teško postići današnje visoke - performanse PMOS, Power MOSFET, SIGE HBT i SIC/GAN Power uređaji.
