1. Предистория: Защо силиконовите вафли не са достатъчно?
Първата стъпка в производството на полупроводници е получаването на полирана единична - кристална силициева вафла (обикновено вафла Czochralski, отглеждана по метода CZ).
Въпреки че тези вафли са единични кристали, техните повърхности може да не отговарят на строгите изисквания на устройството за чистота, плътност на дефекти, точност на допинг и структура.
Особено в усъвършенстваните производителни възли и високите устройства за производителност-, създаването на активни региони директно върху оригиналните вафли представя ограничения:
- Високото съдържание на кислород в вафлата на вафлите (CZ силикона често има кислородни утайки), което засяга живота на малцинствата на малцинствата и изтичането.
- Профилът на допинг на вафли не може да бъде точно коригиран (особено когато са необходими ултра - плитки кръстовища или градиентни структури).
- micro - дефекти като дислокации и драскотини могат да съществуват на повърхността, пряко влияещи на добива.
- Някои устройства изискват хетерогенни материали (като Sige, GaAs - на - Si, и sic - на - si) - материали, които не могат да бъдат постигнати с самия вафер.
Това налага контролируема технология "Resurfacing" - процеса на епитаксиален растеж (EPI).
2. Основно определение на процеса на EPI
Епитаксията се отнася до растежа на единичен - кристален тънък филм върху един кристален субстрат- със същата кристална ориентация като субстрата.
Това може да бъде или хомоепитаксиално (Si на Si), или хетероепитаксиална (Sige on Si, Gan on sic и т.н.).
Основни характеристики:
Епитаксиалният слой "наследява" решетъчната структура на субстрата (кристална ориентация и подравняване) и има ниска плътност на дефекта.
Дебелината е контролируема (от няколко нанометра до десетки микрони).
Допинг тип, концентрация и градиент могат да бъдат точно коригирани според дизайна.
3. Защо да използваме процеса на EPI?
Това може да се обясни от три перспективи: изпълнение, процес и въвеждане на нови материали:
3.1 Подобряване на производителността
Намаляване на плътността на дефекта
EPI може да нарасне "дефект - свободен слой", който изолира дефектите на субстрата от активния регион, като по този начин увеличава живота на малцинствата (особено важен за захранващите устройства). Оптимизиране на допинг структури
Ултра - плитки кръстовища или степенувани допинг профили могат да бъдат постигнати, подобряване на характеристиките на напрежението и проводимостта.
Подобряване на електрическите характеристики
Високите - Епитаксиалният слой на устойчивостта (EPI) могат да намалят паразитния капацитет (подходящ за високи - честотни устройства), докато дебелите епитаксиални слоеве могат да подобрят напрежението на захранването на захранващите устройства.
3.2 Контролируемост на процеса
Изолация на устройството
Използването на висок - съпротивление EPI слой може да подобри изолацията между устройствата и да намали паразитния кръстосан разход.
Намаляване на ключалката - нагоре
В CMOS епитаксиалният слой може да потисне задействането на паразитни тиристорни структури.
Гъвкава дебелина
Различните продукти могат да имат персонализирани дебелини на EPI върху един и същ субстрат (особено често срещани при мощност, аналогови и RF приложения).
3.3 Въвеждане на нови материали
Щам инженеринг
Sige Epitaxy, Sic Epitaxy и Gan Epitaxy се постигат чрез EPI.
Хетерогенна интеграция
В силиконовата фотоника, MEMS и захранващите устройства EPI могат да се използват за отглеждане на iii - V материали на силиций. Структурите на свръхрешетката като HBT и лазерите с квантови кладенци изискват променливо отлагане на слоеве материали с различни пропуски в лентата, налагащи EPI.
4. Общи типове процеси на EPI
| Процес | Характеристики | Приложения |
|---|---|---|
|
Si EPI (хомогенно покритие) |
Високи - чистота Si слоеве, отглеждани на Si субстрати |
CMOS, захранващи устройства |
|
Sige Epi |
Контролируемо съдържание на GE, щам - |
PMOS ускорение, Sige HBT |
|
Sic epi |
Висока твърдост, висока термична проводимост, поле за високо разпадане | Електроника на силата (силициев карбид MOSFET) |
|
Gan Epi |
Широка лента, висока електронна подвижност | Висока - честота, висока - мощност rf |
|
Ge epi on si |
Оптоелектронна интеграция, обтегнати CMO | Силиконова фотоника, инфрачервено откриване |
5. Технически предизвикателства на процеса на EPI
Дефекти на интерфейса: Съпоставянето на решетката между епитаксиалния слой и субстрата изисква изключително висока точност, в противен случай ще се генерират дислокации.
Управление на стреса: Прекомерният стрес по време на хетероепитаксиален растеж може да причини изкривяване или напукване.
Прецизно управление на допинга: Диапазонът на концентрация може да достигне 10¹³–10²⁰ cm⁻³, с изискване за точност ± 1%.
Еднообразие на дебелината: големи - диаметър (300 мм) вафли изискват равномерност на дебелината на<1%.
6. Обобщение
Процесът на EPI се появи, защото може да "прекрои" вафлата, за да създаде високо - качество, проектиращ се, нисък - дефект и контролируем допиращ повърхностен слой. Това не само удължава живота на силиконовите CMO, но също така осигурява път за прилагането на нови материали и нови структури на устройства.
Без EPI би било трудно да се постигне днешното високо - изпълнение PMOS, Power Mosfet, Sige HBT и SIC/GAN захранващи устройства.
