1. Fons: Kāpēc silīcija vafeles nav pietiekami?
Pirmais solis pusvadītāju ražošanā ir pulēta viena - kristāla silīcija vafeļu iegūšana (parasti czochralski vafele, kas audzēta, izmantojot CZ metodi).
Tomēr, kaut arī šie vafeles ir vienkristāli, to virsmas var neatbilst stingrām ierīces prasībām tīrībai, defektu blīvumam, dopinga precizitātei un struktūrai.
Īpaši uzlabotos procesa mezglos un augstās - veiktspējas ierīcēs, izveidojot aktīvos reģionus tieši uz sākotnējiem vafeļu ierobežojumiem:
- Augsts skābekļa saturs vafeļu lielajā daļā (CZ silīcija bieži ir skābekļa nogulsnes), kas ietekmē ierīces minoritāšu pārvadātāju kalpošanas laiku un noplūdi.
- Vafer dopinga profilu nevar precīzi pielāgot (it īpaši, ja ir nepieciešami ultra - sekli savienojumi vai gradienta struktūras).
- mikro - defekti, piemēram, dislokācijas un skrāpējumi, var pastāvēt uz virsmas, tieši ietekmējot ražu.
- Dažām ierīcēm ir nepieciešami neviendabīgi materiāli (piemēram, sige, gaas - on - si un sic - {{}}} si) -} materiāli, kurus nevar sasniegt ar pašu vainu.
Tas prasa kontrolējamu “atjaunošanas” tehnoloģiju - Epitaksiālā augšanas (EPI) process.
2. EPI procesa pamatindedze
Epitaxy attiecas uz viena - kristāla plānas plēves augšanu vienā - kristāla substrātā ar tādu pašu kristāla orientāciju kā substrāts.
Tas var būt vai nu homoepitaxial (si on si), vai heteroepitaxial (sige on si, gan on sic utt.).
Galvenās funkcijas:
Epitaksiālais slānis "manto" substrāta režģa struktūru (kristāla orientācija un izlīdzināšana), un tam ir zems defektu blīvums.
Biezums ir kontrolējams (no dažiem nanometriem līdz desmitiem mikronu).
Dopinga veidu, koncentrāciju un gradientu var precīzi pielāgot atbilstoši dizainam.
3. Kāpēc izmantot EPI procesu?
To var izskaidrot no trim perspektīvām: veiktspēja, process un jaunu materiālu ieviešana:
3.1 Veiktspējas uzlabošana
Samazinot defektu blīvumu
Epi var izaudzēt "defektu - bezmaksas slāni", kas izolē substrāta defektus no aktīvā reģiona, tādējādi palielinot minoritāšu pārvadātāju mūžu (īpaši svarīgu enerģijas ierīcēm). Dopinga struktūru optimizēšana
Var sasniegt ultra - seklus savienojumus vai šķirotus dopinga profilus, uzlabojot sadalījuma sprieguma un vadīšanas īpašības.
Elektriskās veiktspējas uzlabošana
Augsts - pretestības epitaksiālais slānis (EPI) slāņi var samazināt parazītu kapacitāti (piemērots augstiem - frekvences ierīcēm), savukārt biezi epitaksiālie slāņi var uzlabot strāvas ierīču izturību.
3.2 Procesa vadāmība
Ierīces izolācija
Izmantojot augstu - pretestības epi slāni, var uzlabot izolāciju starp ierīcēm un samazināt parazītu šķērsrunu.
Samazinot aizbīdni - augšup
CMOS epitaksiālais slānis var nomākt parazītu tiristoru struktūru iedarbināšanu.
Elastīgs biezums
Dažādiem produktiem var būt pielāgoti EPI biezumi uz viena un tā paša substrāta (īpaši izplatīti pēc enerģijas, analogās un RF lietojumprogrammām).
3.3 Jaunu materiālu ieviešana
Celma inženierija
Sige epitaksija, SiC epitaksija un Gan epitaksija tiek panākta caur EPI.
Neviendabīga integrācija
Silīcija fotonikā, MEMS un enerģijas ierīcēs EPI var izmantot, lai audzētu III - V materiālus uz silīcija. Superlattice struktūrām, piemēram, HBT un kvantu urbuma lāzeriem, ir nepieciešama mainīga materiālu slāņu nogulsnēšanās ar dažādām joslu spraugām, kas prasa EPI.
4. Parastie epi procesu veidi
| Process | Funkcijas | Pieteikumi |
|---|---|---|
|
Si epi (viendabīgs pārklājums) |
Augsts - Purity Si slāņi, kas audzēti uz Si substrātiem |
CMOS, enerģijas ierīces |
|
Sige epi |
Kontrolējams GE saturs, celms - pārklāts |
PMOS paātrinājums, Sige HBT |
|
Sic epi |
Augsta cietība, augsta siltumvadītspēja, augsts sadalīšanās lauks | Strāvas elektronika (silīcija karbīda MOSFET) |
|
Gan Epi |
Plaša josla, augsta elektronu mobilitāte | Augsts - frekvence, augsta - Power RF |
|
Ge epi uz si |
Optoelektroniskā integrācija, saspringts CMOS | Silīcija fotonika, infrasarkanā noteikšana |
5. EPI procesa tehniskās problēmas
Saskarnes defekti: režģa saskaņošanai starp epitaksiālo slāni un substrātu ir nepieciešama ārkārtīgi liela precizitāte, pretējā gadījumā tiks ģenerētas dislokācijas.
Stresa pārvaldība: pārmērīgs stress heteroepitaxial augšanas laikā var izraisīt deformāciju vai plaisāšanu.
Precīza dopinga kontrole: koncentrācijas diapazons var sasniegt 10¹³–10²⁰ cm⁻³, ar precizitātes prasību ± 1%.
Biezuma vienveidība: liels - diametrs (300 mm) vafelēm ir nepieciešams biezuma vienveidība<1%.
6. Kopsavilkums
EPI process parādījās, jo tas var "pārveidot" vafeļu, lai izveidotu augstu - kvalitāti, noformējamu, zemu - defektu un kontrolējamu dopinga virsmas slāni. Tas ne tikai pagarina silīcija CMO dzīves ilgumu, bet arī nodrošina ceļu jaunu materiālu un jaunu ierīču struktūru ieviešanai.
Bez EPI būtu grūti sasniegt šodienas augsto - veiktspējas PMOS, Power MOSFET, SIGE HBT un SIC/GAN Power ierīces.
