Proces EPI (epitaxy) jest kluczową technologią wzrostu materialnego w produkcji półprzewodników. Emitaksuje warstwę wysokiej jakości materiału z pojedynczego krystalicznego silikonu lub silikonowego stopu na podłożu krzemowym jednokryształowym, aby zapewnić lepszą platformę materiałową do późniejszej produkcji urządzeń. Jest szeroko stosowany w urządzeniach zasilających, CMO, urządzeniach szybkich, bicmos, frytkach RF itp.
1. Definicja procesu EPI
Epitaksja (wzrost epitaxialny) odnosi się do wzrostu tych samych lub różnych materiałów wzdłuż kierunku sieci na podłożu kryształowym (zwykle jednokryształowym krzemu) z istniejącą strukturą sieci, tworząc nową warstwę materiału jednomkryształowego o tej samej orientacji kryształu co substrat.
2. Główny cel procesu EPI
| Zamiar | Zilustrować |
| Ulepszona jakość kryształów | Zapewnienie wysokiej jakości warstwy wzrostu o niskiej zawartości gęstości |
| Kontrolowanie stężenia i rodzaju domieszkowania | Region, który jest niższy (niski domek) lub bardziej domieszkowany niż podłoże, tworząc obszar dryfu. |
| Wprowadzenie inżynierii odkształcenia | Wprowadzenie SIGE lub stresorów w warstwie EPI w celu poprawy mobilności nośnika (takiego jak napięty krzem) |
| Zapewnia warstwę izolacji urządzenia | Obsługuje tworzenie pionowych warstw izolacji w SOI, Bicmos i innych strukturach |
| Obsługuje struktury urządzeń o wysokim napięciu |
Na przykład LDMO i IGBT wymagają grubej, niskiej domieszkowanej warstwy EPI jako obszar dryfu, aby zwiększyć napięcie rozkładu.
|
3. Klasyfikacja procesu EPI
1. Klasyfikacja według rodzaju materiału
| Typ | Opisać |
| Si Epi | Najczęstsza, pojedyncza kryształowa warstwa epitaksjalna |
| Sige Epi | Germon-domieszkowane silikonowe warstwy epitaksjalne dla urządzeń inżynierskich lub RF |
| SI: C Epi | Nakręcona węglem warstwa epitaksjalna krzemowa w celu ograniczenia dyfuzji boru (PMOS) |
| III-V EPI | GAA, INP itp., Używane głównie w urządzeniach optoelektronicznych, urządzeniach szybkich (zwykle nie w głównej linii CMOS) |
2. Klasyfikacja według typu dopingowego
| Typ | Opisać |
| EPI typu N. | Fosforu/domieszkowane arsenu, odpowiednie dla warstwy dryfu urządzeń mocy, takich jak N-LDMOS |
| EPI typu p | Domieszkowane borami, odpowiednie do struktury urządzenia CMOS typu p |
| Wewnętrzna EPI | Bardzo niskie domieszkowanie, zbliżone do wewnętrznego krzemu, do zastosowań o wysokim napięciu |
3. Klasyfikacja według formy strukturalnej
| Typ | Zilustrować |
| EPI jednarstwowe | Struktura pojedynczej grubości/domieszkowania |
| Multilayer Epi | Stopniowane domieszkowanie, takie jak naprzemienne warstwy P/N wymagane do struktur MOSFET superjunction SJ |
| Selektywne EPI | Rosnąć tylko w lokalnych obszarach opłatek (takie jak źródło/drenaż), używane do finfet lub napięte struktury |
4. Przegląd przepływu procesu EPI
Przygotowanie podłoża:
- Polerowane czyszczenie wafla krzemowego (czyszczenie RCA);
- Usuń oryginalną warstwę tlenku (HF lub HCL GAS TREADE);
- Redukcja powierzchni do czystej SI (100) nagich powierzchni
Wzrost kryształów (reakcja epitaksjalna):
-Użyj procesu CVD (chemiczne osadzanie pary);
-Comonowe gazy reakcyjne:
-Sih₄ (Silane), Sicl₄, HCl
-Doping Gas: Ph₃ (Fosforu), B₂H₆ (bor), Ash₃ (arsen)
Parametry kontroli procesu:
-Temperatura: 900 stopni ~ 1200 stopni (reaktor gorącej ściany lub zimnej ściany)
-Ciśnienie: ciśnienie niskie lub ciśnienie atmosferyczne;
-Rzecznik rozszerzenia:<1μm/min (strict requirements on thickness/uniformity)
Processing:
-Test Unformalność grubości, rozkład domieszkowania;
-Strap pomiar wysokości;
-Analiza defektu powierzchniowego (np. Wykorzystanie optyki/sem/afm/etc w celu wykrycia zwichnięcia kryształu)
5. Wspólne scenariusze aplikacji EPI
1. Urządzenia energetyczne (LDMOS, IGBT, dioda)
Niski domieszkowanie, gruba warstwa EPI tworzy obszar dryfu;
Zwiększ napięcie podziału i zmniejsz utratę przewodzenia.
2. Urządzenia o wysokiej wydajności FINFET/CMOS
Selektywne sige epi w źródle/drenaż;
Wprowadzenie odkształcenia, poprawa ruchliwości i zmniejszenie oporu.
3. Urządzenia RF (RF CMOS, HBT)
Dokładnie kontrolowana warstwa SIGE EPI tworzy heterogeniczne struktury (takie jak SIGE HBT);
Zapewnia lepszą reakcję częstotliwości i niskie charakterystykę szumu.
6. Wyzwania procesu EPI
| Wyzwanie | Zilustrować |
| Kontrola defektów kratowych | Warstwa EPI musi utrzymywać niską gęstość zwichnięcia (np. TDD <1E4) |
| Doping precyzyjny kontrola | Aby osiągnąć <5% zmienność, szczególnie w strukturach wielowarstwowych |
| Czystość interfejsu | Zanieczyszczenia/utlenianie interfejsu mogą powodować niedopasowanie kryształów i degradację elektryczną |
| Krok wysokości/kontrola schodów | Wysokie wymagania dotyczące późniejszej fotolitografii i płaskości |
| Koszt | EPI Sprzęt jest drogi, powolny i kosztowny |
7. Związek między EPI a innymi technologiami
| Technologia | Relacja |
| Soi | EPI można uprawiać na silikonowych warstwach do wytwarzania urządzeń |
| Finfet | Źródło/drenaż często wykorzystuje selektywne EPI do wprowadzenia odkształcenia |
| Super Junction | Wiele warstw naprzemiennych warstw EPI typu P/N tworzą strukturę MOS wysokiego napięcia |
| CMO wysokiego napięcia | Warstwa EPI stanowi region dryfu wysokiego napięcia i wspólnie optymalizuje RON i BV z zakopaną warstwą |
Streszczać
| Projekt | Treść |
| Zamiar | Zapewnienie wysokiej jakości, sterowanych domieszkowanymi strukturami pojedynczych krystalicznych |
| Sposób | Chemiczne osadzanie pary (CVD) Pojedyncza epitaksja na wafle |
| Aplikacja | Urządzenia wysokiego napięcia, RF, Finfet, SOI, urządzenia zasilające itp. |
| Wyzwanie | Wady kryształowe, dokładność domieszkowania, płaskość powierzchniowa, koszt |
