1. Tło: Dlaczego krzemowe wafle nie jest wystarczające?
Pierwszym krokiem w produkcji półprzewodników jest uzyskanie wypolerowanego pojedynczego krystalicznego wafla krzemowego (zwykle wafla czochralski uprawiana za pomocą metody CZ).
Jednak chociaż te wafle są pojedynczymi kryształami, ich powierzchnie mogą nie spełniać rygorystycznych wymagań urządzenia dla czystości, gęstości defektu, dokładności domieszkowania i struktury.
Szczególnie w zaawansowanych węzłach procesowych i urządzeniach o wysokiej wydajności, tworzenie aktywnych regionów bezpośrednio na oryginalnym opłatce przedstawia ograniczenia:
- Wysoka zawartość tlenu w waflu (krzemion CZ często ma osady tlenu), co wpływa na żywotność i wyciek mniejszościowych urządzeń.
- Profil domieszki waflowej nie może być precyzyjnie dostosowany (szczególnie gdy wymagane są ultra-shallow połączenia lub struktury gradientu).
- Na powierzchni mogą występować mikro-defekty, takie jak zwichnięcia i zadrapania, bezpośrednio wpływające na wydajność.
-Niektóre urządzenia wymagają materiałów heterogenicznych (takich jak Sige, Gaas-on-Si i SiC-on-Si)-których nie można osiągnąć za pomocą samego wafla.
Wymaga to kontrolowanego procesu technologii „ponownego odnawiania”-wzrostu epitaxialnego (EPI).
2. Podstawowa definicja procesu EPI
Epitaksja odnosi się do wzrostu cienkiej warstwy jedno-rystal na podłożu jednokryształowym o tej samej orientacji kryształowej co substrat.
Może to być albo homoepitaksja (si na SI) lub heteroepitaxial (sige na SI, Gan na SIC itp.).
Kluczowe funkcje:
Warstwa epitaksjalna „dziedziczy” strukturę sieci podłoża (orientacja i wyrównanie kryształów) i ma niską gęstość defektu.
Grubość jest kontrolowana (od kilku nanometrów do dziesiątek mikronów).
Typ domieszkowania, koncentracja i gradient można dokładnie dostosować zgodnie z projektem.
3. Po co korzystać z procesu EPI?
Można to wyjaśnić z trzech perspektyw: wydajność, proces i wprowadzenie nowych materiałów:
3.1 Ulepszenie wydajności
Zmniejszenie gęstości defektu
EPI może wyhodować „warstwę wolną od defektów”, która izoluje wady podłoża z regionu aktywnego, zwiększając w ten sposób okres życia mniejszościowego (szczególnie ważny dla urządzeń energetycznych). Optymalizacja struktur domieszkowanych
Można osiągnąć ultra-shallow połączenia lub stopniowane profile dopingowe, poprawiając charakterystykę napięcia i przewodzenia.
Poprawa wydajności elektrycznej
Warstwy warstwy epitaksjalnej (EPI) o wysokiej oporności mogą zmniejszyć pasożytniczy pojemność (odpowiedni dla urządzeń o wysokiej częstotliwości), podczas gdy grube warstwy epitaksjalne mogą poprawić napięcie wytrzymałości urządzeń energetycznych.
3.2 Kontrola procesu
Izolacja urządzenia
Zastosowanie warstwy EPI o wysokiej oporności może poprawić izolację między urządzeniami i zmniejszyć pasożytniczą przesłuch.
Zmniejszenie zatrzasku
W CMO warstwa epitaksjalna może stłumić wyzwalanie pasożytniczych struktur tyrystorowych.
Elastyczna grubość
Różne produkty mogą mieć niestandardowe grubości EPI na tym samym podłożu (szczególnie powszechne pod względem mocy, analogu i RF).
3.3 Wprowadzenie nowych materiałów
Inżynieria odkształcenia
Sige Epitaxy, Epitaksja SIC i Epitaksja Gan są osiągane za pośrednictwem EPI.
Integracja heterogeniczna
W fotonice krzemowej, MEMS i urządzeniach energetycznych EPI może być stosowane do uprawy materiałów III-V na krzemie. Struktury superlatyw, takie jak HBT i lasery kwantowe, wymagają naprzemiennego odkładania warstw materiałów o różnych szczelinach pasmowych, wymagających EPI.
4. Wspólne typy procesów EPI
| Proces | Cechy | Zastosowania |
|---|---|---|
|
Si Epi (jednorodne pokrycie) |
Warstwy SI o wysokiej czystości uprawiane na podłożach SI |
CMO, urządzenia energetyczne |
|
Sige Epi |
Kontrolowana zawartość GE, pokryta odkształceniem |
PMOS Acceleration, Sige HBT |
|
Sic Epi |
Wysoka twardość, wysoka przewodność cieplna, wysokie pole rozpadu | Power Electronics (krzemowa węglika Mosfet) |
|
Gan Epi |
Szeroka bandgap, wysoka mobilność elektronów | RF o dużej częstotliwości |
|
Ge Epi na Si |
Integracja optoelektroniczna, napięte CMOS | Fotonika krzemowa, wykrywanie w podczerwieni |
5. Wyzwania techniczne procesu EPI
Wady interfejsu: Dopasowanie sieci między warstwą epitaksjalną a podłożem wymaga wyjątkowo wysokiej precyzji, w przeciwnym razie zostaną wygenerowane zwichnięcia.
Zarządzanie stresem: Nadmierny stres podczas wzrostu heteroepitaksyjnego może powodować wypaczenie lub pękanie.
Precyzyjna kontrola domieszkowania: zakres stężenia może osiągnąć 10¹³–10²⁰ cm⁻³, z wymogiem dokładności ± 1%.
Jednorodźność grubości: Wafle o dużej średnicy (300 mm) wymagają jednolitości grubości<1%.
6. Podsumowanie
Proces EPI pojawił się, ponieważ może „przekształcić” opłatek, aby stworzyć wysokiej jakości, projektowaną, niską i kontrolowaną warstwę powierzchniową domieszkowaną. To nie tylko rozszerza żywotność krzemowych CMO, ale także zapewnia ścieżkę do wdrożenia nowych materiałów i nowych struktur urządzeń.
Bez EPI trudno byłoby osiągnąć dzisiejsze urządzenia PMO, Power Mosfet, Sige HBT i SIC/GAN Power.
