1. Tausta: Miksi piikiekot eivät ole tarpeeksi?
Ensimmäinen vaihe puolijohdevalmistuksessa on kiillotetun yksittäisen - kidekieli kiekko (yleensä Czochralski -kiekko, jota kasvatetaan CZ -menetelmällä).
Vaikka nämä kiekot ovat yksittäisiä kiteitä, niiden pinnat eivät välttämättä täytä tiukkoja laitevaatimuksia puhtauden, viantiheyden, seostamisen tarkkuuden ja rakenteen suhteen.
Erityisesti edistyneissä prosessisolmuissa ja korkeat - suorituskykylaitteet, aktiivisten alueiden luominen suoraan alkuperäiseen kiekkoon asettaa rajoitukset:
- kiekko -irtotavarana olevassa korkean happipitoisuuden (CZ -piilassa on usein happea), mikä vaikuttaa laitteen vähemmistöjen kantaja -aineisiin ja vuotoihin.
- Kiekko -dopingprofiilia ei voida säätää tarkasti (varsinkin kun vaaditaan ultra - matalia risteyksiä tai gradientirakenteita).
- mikro - puutteita, kuten dislokaatioita ja naarmuja, voi olla pinnalla, mikä vaikuttaa suoraan satoon.
- Jotkut laitteet vaativat heterogeenisiä materiaaleja (kuten sige, gaas - on - si ja sic - - si) - materiaaleja, joita ei voida saavuttaa itse waferin kanssa.
Tämä edellyttää hallittavissa olevaa "uudelleenkäsittely" -tekniikkaa - epitaksiaalista kasvua (EPI).
2. EPI -prosessin ydinmääritelmä
Epitaksi viittaa yhden - kidekalvon kasvuun yhdellä - kidesubstraatilla, jolla on sama kidesuuntainen kuin substraatti.
Tämä voi olla joko homoepitaksiaalista (Si: n SI) tai heteroepitaksiaalista (SIGE SI: llä, Gan on sic jne.).
Tärkeimmät ominaisuudet:
Epitaksiaalikerros "perii" substraatin hilan rakenne (kidekoriste ja kohdistus) ja sillä on pieni vikatiheys.
Paksuus on hallittavissa (muutamasta nanometristä kymmeniin mikroniin).
Dopingtyyppi, pitoisuus ja gradientti voidaan säätää tarkasti suunnittelun mukaan.
3. Miksi käyttää EPI -prosessia?
Tämä voidaan selittää kolmesta näkökulmasta: suorituskyky, prosessi ja uusien materiaalien käyttöönotto:
3.1 Suorituskyvyn parantaminen
Vikatiheyden vähentäminen
EPI voi kasvattaa "viat - vapaa kerros", joka eristää substraattivaurioita aktiivisesta alueelta, lisäämällä siten vähemmistökantajan käyttöikää (erityisen tärkeitä voimalaitteille). Dopingrakenteiden optimointi
Ultra - matalat liitokset tai luokitetut dopingprofiilit voidaan saavuttaa, mikä parantaa hajoamisjännite- ja johtavuusominaisuuksia.
Sähkösuorituskyvyn parantaminen
Korkeat - vastusepitaksiaalikerros (EPI) kerrokset voivat vähentää loiskapasitanssia (sopivat korkealle - taajuuslaitteille), kun taas paksut epitaksiaalikerrokset voivat parantaa voimalaitteiden kestävää jännitettä.
3.2 Prosessin hallittavuus
Laitteen eristäminen
Korkean - vastus EPI -kerroksen käyttäminen voi parantaa laitteiden eristämistä ja vähentää loisten ylikuormitusta.
Latvan vähentäminen - ylös
CMOS: ssä epitaksiaalikerros voi tukahduttaa loistyristorirakenteiden laukaisun.
Joustava paksuus
Eri tuotteilla voi olla räätälöityjä EPI -paksuuksia samassa substraatissa (erityisesti yleinen tehon, analogisten ja RF -sovellusten suhteen).
3.3 Uusien materiaalien käyttöönotto
Pintatekniikka
SIGE -epitaksi, sic -epitaksi ja Gan -epitaksi saavutetaan kaikki EPI: n kautta.
Heterogeeninen integraatio
Piilotoniikassa, MEM -laitteissa ja voimalaitteissa EPI: tä voidaan käyttää III - V materiaalien kasvattamiseen pii. Superlattice -rakenteet, kuten HBT: t ja kvanttikaivolaserit, vaativat vuorotellen kerrosten kerrosten materiaalikerroksia, joilla on erilaiset kaistaerot, jotka edellyttävät EPI: tä.
4. Yleiset EPI -prosessityypit
| Käsitellä | Piirteet | Sovellukset |
|---|---|---|
|
Si Epi (homogeeninen kattavuus) |
Korkea - puhtaus Si -kerrokset, jotka on kasvatettu Si -substraateilla |
CMO: t, voimalaitteet |
|
SIGE EPI |
Hallittavissa oleva GE -sisältö, venymä - päällystetty |
PMOS -kiihtyvyys, SIGE HBT |
|
Sic epi |
Korkea kovuus, korkea lämmönjohtavuus, korkea hajoamiskenttä | Power Electronics (piikarbidi mosfet) |
|
Gan Epi |
Leveä kaistalevy, korkea elektronien liikkuvuus | Korkea - taajuus, korkea - teho RF |
|
Ge epi Si: llä |
Optoelektroninen integraatio, kireät CMO: t | Piifotoniikka, infrapunatunnistus |
5. EPI -prosessin tekniset haasteet
Rajapintavirheet: Epitaksiaalikerroksen ja substraatin välinen hilan sovittaminen vaatii erittäin suurta tarkkuutta, muuten dislokaatiot syntyvät.
Stressin hallinta: Liiallinen stressi heteroepitaksiaalisen kasvun aikana voi aiheuttaa vääntymistä tai halkeilua.
Tarkka doping -kontrolli: Konsentraatioalue voi saavuttaa 10¹³ - 10²⁰ cm⁻³ tarkkuusvaatimuksella ± 1%.
Paksuuden tasaisuus: Suuret - halkaisija (300 mm) kiekot vaativat paksuuden yhtenäisyyden<1%.
6. Yhteenveto
EPI -prosessi syntyi, koska se voi "muotoilla" kiekon luodakseen korkean - laadun, suunnitellun, matalan - vikan ja hallittavan dopingin pintakerroksen. Tämä ei vain pidennä pii -CMO: n elinkaarta, vaan tarjoaa myös polun uusien materiaalien ja uusien laiterakenteiden toteuttamiseen.
Ilman EPI: tä olisi vaikea saavuttaa nykypäivän korkeaa - Performance PMOS-, Power MOSFET-, SIGE HBT- ja SiC/GAN -voimalaitteita.