1. Передумови: Чому кремнієві вафлі недостатньо?
Першим кроком у виробництві напівпровідників є отримання відшліфованої єдиної - кристалічної кремнієвої пластини (як правило, пластина чокральського, вирощеного за методом CZ).
Однак, хоча ці вафлі є монокристалами, їх поверхні можуть не відповідати суворим вимогам пристрою для чистоти, щільності дефектів, точності допінгу та структури.
Особливо в розширених вузлах процесів та високих пристроях продуктивності -, створюючи активні регіони безпосередньо на початковій вафлі, представляє обмеження:
- Високий вміст кисню в силі -вафлі (CZ Silicon часто має осади кисню), що впливає на термін експлуатації та витоку носія пристрою.
- Профіль допінгу вафель не може бути точно відрегульований (особливо коли потрібні Ultra - неглибокі з'єднання або градієнтні структури).
- Мікро - дефекти, такі як дислокації та подряпини, можуть існувати на поверхні, безпосередньо впливаючи на вихід.
- Деякі пристрої потребують гетерогенних матеріалів (наприклад, SIGE, GAAS - on - Si, і sic - {{}}} Si) - Матеріали, які не можуть бути досягнуті за допомогою вад.
Це вимагає керованої технології "відновлення" - процес епітаксіального зростання (EPI).
2. Основне визначення процесу EPI
Epitaxy відноситься до росту однієї - кристалічної тонкої плівки на одній - кристалічній підкладці з тією ж кристалічною орієнтацією, що і субстрат.
Це може бути або гомоепітисальний (Si на Si), або гетероепітисальний (SIGE ON SI, GAN ON SIC тощо).
Основні особливості:
Епітаксіальний шар "успадковує" структуру решітки субстрату (орієнтація кристалі та вирівнювання) і має низьку щільність дефектів.
Товщина керована (від кількох нанометрів до десятків мікрон).
Допінг -тип, концентрація та градієнт можна точно відрегулювати відповідно до конструкції.
3. Навіщо використовувати процес EPI?
Це можна пояснити з трьох поглядів: продуктивність, процес та впровадження нових матеріалів:
3.1 Поліпшення продуктивності
Зменшення щільності дефектів
EPI може виростити "дефект - вільний шар", який виділяє дефекти субстрату з активної області, тим самим збільшуючи термін експлуатації меншин (особливо важливий для пристроїв електроенергії). Оптимізація допінгових структур
Ultra - Неглибокі з'єднання або класифіковані допінгові профілі можуть бути досягнуті, покращуючи характеристики напруги та провідності.
Вдосконалення електричних показників
Високий - Опір епітаксіального шару (EPI) може зменшити паразитарну ємність (підходить для високих частотних пристроїв -), тоді як товсті епітаксіальні шари можуть покращити протилежну напругу пристроїв живлення.
3.2 Керованість процесів
Ізоляція пристроїв
Використання високого рівня epi -шару {}}} може покращити ізоляцію між пристроями та зменшити паразитарну перехресну.
Зменшення засувки -
У CMOS епітаксіальний шар може придушити спрацьовування паразитарних структур тиристору.
Гнучка товщина
Різні продукти можуть мати індивідуальні товщини EPI на одній субстраті (особливо поширених за потужністю, аналоговими та RF -додатками).
3.3 Введення нових матеріалів
Інженерія
Epitaxy Sige, SIC Epitaxy та Gan Epitaxy досягаються через EPI.
Неоднорідна інтеграція
У кремнієвих фотоніках, пристроях MEMS та потужності EPI можна використовувати для вирощування III - V матеріалів на кремнію. Структури надлаштувань, такі як HBTS та квантові свердловини, потребують чергування шарів матеріалів з різними проміжками смуг, що потребує EPI.
4. Поширені типи процесів EPI
| Обробка | Особливості | Заявки |
|---|---|---|
|
SI EPI (однорідне покриття) |
High - Шари чистоти Si, вирощені на субстратах Si |
CMO, пристрої живлення |
|
SIGE EPI |
Контрольований вміст GE, напруга - покритий покритим |
Прискорення PMOS, SIGE HBT |
|
SIC EPI |
Висока твердість, висока теплопровідність, поле з високим поломкою | Електроніка живлення (кремнієвий карбід MOSFET) |
|
Ган Епі |
Широка смуга, висока мобільність електронів | Висока - частота, висока - живлення rf |
|
Ge epi на si |
Оптоелектронна інтеграція, напружена CMOS | Кремнієва фотоніка, інфрачервоне виявлення |
5. Технічні виклики процесу EPI
Дефекти інтерфейсу: відповідність решітки між епітаксіальним шаром та субстрату вимагає надзвичайно високої точності, інакше буде генеруватися дислокації.
Управління стресом: Надмірний стрес під час гетероепітисального зростання може спричинити викривлення або розтріскування.
Точний контроль допінгу: діапазон концентрації може досягати 10¹³–10²⁰ cm⁻³, з вимогою точності ± 1%.
Рівномірність товщини: великі - діаметр (300 мм) вафлі потребують рівномірності товщини<1%.
6. Короткий зміст
Процес EPI з’явився, оскільки він може "переробити" пластину, щоб створити високу якість -, позначений, низький дефект - та керований допінг -шар. Це не тільки продовжує тривалість життя КМО кремнію, але й забезпечує шлях для впровадження нових матеріалів та нових структур пристроїв.
Без EPI було б важко досягти сьогоднішнього високого - Performance PMOS, Power Mosfet, Sige HBT та пристроями SIC/GAN Power.