The EPI (Epitaxy) process is a key material growth technology in semiconductor manufacturing. It epitaxies a layer of high-quality single-crystal silicon or silicon alloy material on a single-crystal silicon substrate to provide a better material platform for subsequent device manufacturing. It is widely used in power devices, CMOS, high-speed devices, Bicmos, RF чипове и т.н. .
1. Определение на EPI процес
Epitaxy (Epitaxial growth) refers to the growth of the same or different materials along the lattice direction on a crystal substrate (usually single-crystal silicon) with an existing lattice structure to form a new single-crystal material layer with the same crystal orientation as the substrate.
2. Основната цел на процеса на EPI
| Цел | Илюстрирайте |
| Подобрено качество на кристалите | Осигуряване на висококачествени слоеве с ниска плътност |
| Контрол на концентрацията и типа на допинг | Регион, който е по -нисък (ниско легиран) или по -легиран от субстрата, образувайки отклонение на дрейф . |
| Въвеждане на щам инженерство | Въвеждане на SIGE или стресори в EPI слоя за подобряване на мобилността на носителя (като напрегнат силиций) |
| Осигурява слой за изолация на устройството | Поддържа образуването на вертикални изолационни слоеве в SOI, BICMOS и други структури |
| Поддържа структурите на устройството с високо напрежение |
Например, LDMOS и IGBT изискват дебел, нискокачествен EPI слой като дрейф регион за увеличаване на напрежението на разрушаване .
|
3. Класификация на процесите на EPI
1. Класификация по тип материал
| Тип | Опишете |
| Si epi | Най -често срещаният, едно кристален силициев епитаксиален слой |
| Sige Epi | Епитаксиални слоеве с леги, легирани с германий за инженеринг или RF устройства |
| SI: C epi | Епитаксиален слой на силиций, легиран с въглерод, за да се ограничи дифузията на бор (PMOS) |
| III-V EPI | GAAS, INP и т.н. ., използвани главно в оптоелектронни устройства, високоскоростни устройства (обикновено не в основната линия на CMOS) |
2. Класификация по тип допинг
| Тип | Опишете |
| N-тип epi | Фосфор/арсен, легиран, подходящ за дрифт слой от захранващи устройства като N-LDMOS |
| P-тип epi | Борн легиран, подходящ за структурата на устройството с P-тип CMOS |
| Вътрешен епи | Много нисък допинг, близо до вътрешен силиций, за приложения с високо напрежение |
3. Класификация по структурна форма
| Тип | Илюстрирайте |
| Еднослоен EPI | Единична дебелина/допинг структура |
| Многослоен epi | Степендиран допинг, като променливи P/N слоеве, необходими за суперфункционални SJ MOSFET структури |
| Селективен EPI | Растат само в местните райони на вафлата (като източник/дренаж), използвани за Finfet или обтегнати структури |
4. Преглед на потока на процеса на EPI
Подготовка на субстрата:
- Поширено почистване на силициеви вафли (почистване на RCA);
- Отстранете оригиналния оксиден слой (обработка на газ HF или HCl);
- Повърхностно намаляване на чистата Si (100) гола повърхност
Кристален растеж (епитаксиална реакция):
-Застрявайте CVD (химическо отлагане на пари);
-Намбортни реакционни газове:
-Sih₄ (силан), sicl₄, hcl
-Допинг газ: ph₃ (фосфор), b₂h₆ (бор), ash₃ (арсен)
Параметри за контрол на процеса:
-Температура: 900 градуса ~ 1200 градуса (гореща стена или реактор на студена стена)
-Посирение: ниско налягане или атмосферно налягане;
-Раз на растежа:<1μm/min (strict requirements on thickness/uniformity)
След обработка:
-Почисността на дебелината на теста, разпределението на допинг;
-Стъпка на измерване на височината;
-Сърфик анализ на дефекти (E . g . с помощта на оптика/sem/afm/и т.н. за откриване на кристална дислокация)
5. Общи сценарии за кандидатстване за EPI
1. захранващи устройства (LDMOS, IGBT, диод)
Нисък допинг, дебел EPI слой образува дрейф регион;
Увеличете напрежението на разрушаването и намалете загубата на проводимост .
2. FINFET/CMOS високоефективни устройства
Селективен SIGE EPI в източник/дренаж;
Въвеждане на щам, подобряване на мобилността и намаляване на устойчивостта .
3. RF устройства (RF CMOS, HBT)
Прецизно контролиран SIGE EPI слой образува хетерогенни структури (като SIGE HBT);
Осигурява по -добра честотна характеристика и ниски характеристики на шума .
6. Предизвикателства на EPI процеса
| Предизвикателство | Илюстрирайте |
| Контрол на дефектите на решетката | EPI слоят трябва да поддържа ниска плътност на дислокация (e . g . tdd <1e4) |
| Прецизно управление на допинг | За постигане на <5% вариация, особено в многослойни структури |
| Чистота на интерфейса | Интерфейсните примеси/окисляването могат да причинят кристално несъответствие и електрическо разграждане |
| Височина на стъпката/управление на стълби | Високи изисквания за последваща фотолитография и плоскост |
| Разходи | EPI оборудването е скъпо, бавно и скъпо |
7. Връзка между EPI и други технологии
| Технология | Връзка |
| Сой | EPI може да се отглежда на силиконови слоеве за производство на устройства |
| Finfet | Източник/дренаж често използва селективен EPI за въвеждане на щам |
| Супер кръстовище | Множество слоеве от редуващи се p/n тип EPI слоеве образуват структура на високо напрежение MOS |
| CMOS с високо напрежение | EPI слоят представлява район на дрейф с високо напрежение и съвместно оптимизира RON и BV с погребания слой |
Обобщавайте
| Проект | Съдържание |
| Цел | Осигуряване на висококачествени, допинг-контролирани единични кристални структури |
| Начин | Химическо отлагане на пари (CVD) Единична епитаксия на вафли върху вафли на вафли на вафли |
| Приложение | Устройства с високо напрежение, RF, Finfet, SOI, захранващи устройства и т.н. . |
| Предизвикателство | Кристални дефекти, точност на допинг, повърхностна плоска, цена |