1. Bakgrund: Varför är inte kiselskivor tillräckligt?
Det första steget i halvledartillverkning är att få en polerad singel - Crystal Silicon Wafer (vanligtvis en czochralski -skiva som odlas med CZ -metoden).
Även om dessa skivor är enstaka kristaller, kanske deras ytor kanske inte uppfyller de stränga anordningskraven för renhet, defektdensitet, dopningsnoggrannhet och struktur.
Särskilt i avancerade processnoder och hög - Performance -enheter, skapa aktiva regioner direkt på de ursprungliga skivorna ger begränsningar:
- Det höga syreinnehållet i skivbulken (CZ -kisel har ofta syreutfällningar), vilket påverkar enhetens minoritetsbärare livslängd och läckage.
- Wafer -dopingprofilen kan inte justeras exakt (särskilt när Ultra - grunt korsningar eller gradientstrukturer krävs).
- Micro - Defekter såsom dislokationer och repor kan existera på ytan, vilket direkt påverkar utbytet.
- Vissa enheter kräver heterogena material (såsom Sige, GaAs - på - Si och SIC - på - si) - Material som inte kan uppnås med WAVER.
Detta kräver en kontrollerbar "resurfacing" -teknologi - den epitaxiella tillväxtprocessen (EPI).
2. Kärndefinition av EPI -processen
Epitaxy hänvisar till tillväxten av en enda - Crystal Thin Film på en enda - kristallsubstrat med samma kristallorientering som underlaget.
Detta kan vara antingen homoepitaxial (Si på Si) eller heteroepitaxial (Sige på Si, GaN på Sic, etc.).
Nyckelfunktioner:
Det epitaxiala skiktet "ärver" underlagets gitterstruktur (kristallorientering och inriktning) och har en låg defektdensitet.
Tjockleken är kontrollerbar (från några nanometer till tiotals mikron).
Dopningstyp, koncentration och gradient kan justeras exakt enligt designen.
3. Varför använda EPI -processen?
Detta kan förklaras från tre perspektiv: prestanda, process och introduktion av nya material:
3.1 Prestationsförbättring
Minska defektdensiteten
EPI kan växa en "defekt - fritt skikt" som isolerar substratdefekter från det aktiva området och därigenom ökar minoritetsbärarens livslängd (särskilt viktigt för kraftanordningar). Optimering av dopningsstrukturer
Ultra - grunda korsningar eller graderade dopningsprofiler kan uppnås, vilket förbättrar nedbrytningsspännings- och ledningsegenskaperna.
Förbättra elektrisk prestanda
High - Resistance Epitaxial Layer (EPI) -skikt kan minska parasitkapacitansen (lämplig för höga - frekvensenheter), medan tjocka epitaxiala skikt kan förbättra motståndsspänningen på kraftanordningar.
3.2 Processkontrollbarhet
Enhetsisolering
Att använda ett högt - motstånd kan EPI -skiktet förbättra isoleringen mellan enheter och minska parasitisk övergång.
Minska spärren - upp
I CMO: er kan det epitaxiella skiktet undertrycka utlösningen av parasitiska tyristorstrukturer.
Flexibel tjocklek
Olika produkter kan ha anpassade EPI -tjocklekar på samma substrat (särskilt vanligt i effekt-, analoga och RF -applikationer).
3.3 Introduktion av nya material
Töjningsteknik
Sige Epitaxy, Sic Epitaxy och GaN Epitaxy uppnås alla genom EPI.
Heterogen integration
I kiselfotonik, MEMS och kraftanordningar kan EPI användas för att odla iii - V -material på kisel. Superlattice -strukturer såsom HBT: er och kvantbrunnslasrar kräver växlande avsättning av lager av material med olika bandgap, vilket kräver EPI.
4. Vanliga EPI -processtyper
| Behandla | Drag | Ansökningar |
|---|---|---|
|
SI EPI (homogen täckning) |
Hög - renhet Si -lager odlade på Si -underlag |
CMOS, Power Devices |
|
Sige epi |
Kontrollerbart GE -innehåll, stam - belagd |
PMOS Acceleration, Sige HBT |
|
Sic epi |
Hög hårdhet, hög värmeledningsförmåga, hög nedbrytningsfält | Power Electronics (Silicon Carbide MOSFET) |
|
Gan epi |
Bred bandgap, hög elektronmobilitet | Hög - frekvens, hög - Power RF |
|
GE EPI på SI |
Optoelektronisk integration, ansträngda CMO: er | Kiselfotonik, infraröd upptäckt |
5. Tekniska utmaningar i EPI -processen
Gränssnittsdefekter: Gittermatchningen mellan det epitaxialskiktet och underlaget kräver extremt hög precision, annars kommer dislokationer att genereras.
Stresshantering: Överdriven stress under heteroepitaxial tillväxt kan orsaka vridning eller sprickbildning.
Exakt dopningskontroll: Koncentrationsområdet kan nå 10¹³ - 10²⁰ cm⁻³, med ett noggrannhetskrav på ± 1%.
Tjocklekens enhetlighet: stor - diameter (300 mm) skivor kräver tjocklekens enhetlighet<1%.
6. Sammanfattning
EPI -processen uppstod eftersom den kan "omforma" skivan för att skapa ett högt - kvalitet, utformbar, låg - defekt och kontrollerbart dopningsytlager. Detta förlänger inte bara livslängden för kisel CMO, utan ger också en väg för implementering av nya material och nya enhetsstrukturer.
Utan EPI skulle det vara svårt att uppnå dagens höga - PRESTANDE PMOS, Power MOSFET, SIGE HBT och SIC/GAN Power Devices.