1. Taust: miks pole räni vahvleid piisavalt?
Pooljuhtide tootmise esimene samm on lihvitud üksiku - kristallkabi (tavaliselt CZ -meetodi abil kasvatatud Czochralski vahvli).
Ehkki need vahvlid on üksikkristallid, ei pruugi nende pinnad vastata puhtuse, defekti tiheduse, dopingu täpsuse ja struktuuri rangetele seadme nõuetele.
Eriti täiustatud protsessisõlmedes ja kõrged - jõudlusseadmed, loodes aktiivsed piirkonnad otse algses vahvlis, on piirangud:
- kõrge hapnikusisaldus vahvli maht (CZ räni on sageli hapniku sademed), mis mõjutab seadme vähemuse kandja eluiga ja leket.
- vahvli dopinguprofiili ei saa täpselt reguleerida (eriti kui ultra - on vaja madalaid ristmikke või gradientstruktuure).
- Micro - defektid nagu nihestused ja kriimustused võivad olla pinnal, mõjutades otseselt saaki.
- Mõned seadmed vajavad heterogeenseid materjale (näiteks sige, gaas - on - si ja sic - saidil {- si) - materjalid, mida ei saa vähklehaaval saavutada.
See nõuab kontrollitavat "taaskasutatavat" tehnoloogiat - epitaksiaalse kasvu (EPI) protsessi.
2. EPI protsessi põhimääratlus
EPITAXY viitab ühe - kristallõhukese kile kasvule ühele - kristallisubstraadile sama kristalli orientatsiooniga kui substraadis.
See võib olla kas homoepitaksiaalne (Si on Si) või heteroepitaksiaalne (Si on si, gan on sic jne).
Peamised funktsioonid:
Epitaksiaalne kiht "pärib" substraadi võre struktuuri (kristallide orientatsioon ja joondamine) ja sellel on madal defekti tihedus.
Paksus on kontrollitav (alates mõnest nanomeetrist kuni kümnete mikroniteni).
Dopingutüüpi, kontsentratsiooni ja gradienti saab vastavalt kujundusele täpselt reguleerida.
3. Miks kasutada EPI protsessi?
Seda saab seletada kolmest vaatenurgast: jõudlus, protsess ja uute materjalide kasutuselevõtt:
3.1 jõudluse parandamine
Defekti tiheduse vähendamine
EPI võib kasvatada "defekti - vaba kihi", mis isoleerib substraadi defekte aktiivsest piirkonnast, suurendades sellega vähemuse kandja eluiga (eriti oluline energiaseadmete jaoks). Dopingustruktuuride optimeerimine
Ultra - on saavutada madalad ristmikud või sorteeritud dopinguprofiilid, parandades jaotuspinge ja juhtivuse karakteristikuid.
Elektri jõudluse parandamine
Kõrge - takistus epitaksiaalkiht (EPI) kihid võivad vähendada parasiitmahtuvust (sobib kõrgetele - sagedusseadmetele), samas kui paksud epitaksiaalsed kihid võivad parandada toiteseadmete vastupidavust.
3.2 Protsessi juhitavus
Seadme eraldamine
Kõrge - takistuskihi kasutamine võib parandada seadmete eraldamist ja vähendada parasiitide risti.
Vähendamine riivi - üles
CMO -de korral võib epitaksiaalne kiht pärssida parasiitide türistori struktuuride käivitamist.
Painduv paksus
Erinevatel toodetel võib olla sama substraadil kohandatud EPI paksus (eriti levinud energia-, analoog- ja raadiosagedusrakendustel).
3.3 Uute materjalide tutvustamine
Tüvedehnika
SIGE Epitaxy, SIC Epitaxy ja Gan Epitaxy saavutatakse kõik EPI kaudu.
Heterogeenne integratsioon
Räni footonikas, MEMS- ja toiteseadmetes saab EPI -d kasutada iii - v. Materjalid ränil. Superlatticu struktuurid nagu HBT -d ja kvantkaevude laserid vajavad erineva ribavahega materjalide kihtide vaheldumist, mis nõuab EPI -d.
4. Ühised EPI protsessi tüübid
| Protsess | Omadused | Rakendused |
|---|---|---|
|
Si Epi (homogeenne leviala) |
Kõrge - puhtus SI kihid, mida kasvatatakse SI substraatidel |
CMO -d, toiteseadmed |
|
Sige epi |
Kontrollitav GE sisu, tüvi - kaetud |
PMOS -i kiirendus, Sige HBT |
|
Sic epi |
Kõrge kõvadus, kõrge soojusjuhtivus, kõrge lagunemisväli | Toiteelektroonika (räni karbiidi mosfet) |
|
Gan epi |
Lai ribalapp, kõrge elektronide liikuvus | Kõrge - sagedus, kõrge - Power RF |
|
Ge epi siit |
Optoelektrooniline integratsioon, pingelised CMO -d | Ränifootonika, infrapunade tuvastamine |
5. EPI protsessi tehnilised väljakutsed
Liidese defektid: epitaksiaalse kihi ja substraadi vaheline võre sobitamine nõuab äärmiselt suurt täpsust, vastasel juhul genereeritakse nihestused.
Stressi juhtimine: liigne stress heteroepitaksiaalse kasvu ajal võib põhjustada väändumist või pragunemist.
Täpne dopingukontroll: kontsentratsioonivahemik võib ulatuda 10¹³–10²⁰ cm⁻³, täpsuse nõue on ± 1%.
Paksuse ühtlus: suur - läbimõõt (300mm) vajavad paksuse ühtlust<1%.
6. Kokkuvõte
EPI protsess tekkis seetõttu, et see võib vahvli "ümber kujundada", et luua kõrge - kvaliteet, määratav, madal - defekt ja juhitav dopingu pinnakiht. See mitte ainult ei laienda räni CMO -de eluiga, vaid annab ka tee uute materjalide ja uudsete seadme struktuuride rakendamiseks.
Ilma EPIta oleks keeruline saavutada tänapäeva kõrge - jõudlus PMOS, Power MOSFET, SIGE HBT ja SIC/GAN Power Devices.