1. Arka plan: Silikon gofretleri neden yeterince yeterli değil?
Yarıiletken üretimindeki ilk adım, cilalı bir tek - kristal silikon gofret (genellikle CZ yöntemi kullanılarak büyütülen bir czochralski gofret) elde etmektir.
Bununla birlikte, bu gofretler tek kristaller olmasına rağmen, yüzeyleri saflık, kusur yoğunluğu, doping doğruluğu ve yapı için katı cihaz gereksinimlerini karşılayamayabilir.
Özellikle gelişmiş işlem düğümlerinde ve yüksek - performans cihazlarında, doğrudan orijinal gofret üzerinde aktif bölgeler oluşturmak sınırlamalar sunar:
- Gofret dökülmesindeki yüksek oksijen içeriği (CZ silikon genellikle oksijen çökeltileri vardır), bu da cihaz azınlık taşıyıcı ömrünü ve sızıntısını etkiler.
- Gofret doping profili tam olarak ayarlanamaz (özellikle ultra - sığ kavşaklar veya gradyan yapıları gerektiğinde).
- Mikro - Dislocations ve çizikler gibi kusurlar yüzeyde doğrudan verimi etkileyebilir.
- Bazı cihazlar, - si üzerinde - si) üzerinde heterojen malzemeler (Sige, GaAs -}} - üzerinde -} -} üzerinde, daha da havada elde edilemeyen malzemeler.
Bu, epitaksiyal büyüme (EPI) sürecini kontrol edilebilir bir "yenileme" teknolojisi - gerektirir.
2. EPI sürecinin temel tanımı
Epitaksi, substratla aynı kristal yönelime sahip tek bir - kristal substrat üzerinde tek bir - kristal ince filmin büyümesini ifade eder.
Bu homoepitaksiyal (Si üzerinde Si) veya heteroepitaksiyal (Si üzerinde SIGE, sic üzerinde gan vb.) Olabilir.
Temel Özellikler:
Epitaksiyal tabaka, substratın kafes yapısını (kristal oryantasyon ve hizalama) "miras alır" ve düşük bir kusur yoğunluğuna sahiptir.
Kalınlık kontrol edilebilir (birkaç nanometreden onlarca mikrona).
Doping tipi, konsantrasyonu ve gradyan tasarıma göre tam olarak ayarlanabilir.
3. Neden EPI işlemini kullanıyor?
Bu üç perspektiften açıklanabilir: performans, süreç ve yeni malzemelerin tanıtımı:
3.1 Performans Geliştirme
Kusur yoğunluğunu azaltmak
EPI, aktif bölgeden substrat kusurlarını izole eden, böylece azınlık taşıyıcı ömrünü (özellikle güç cihazları için önemli) izole eden bir "kusur - serbest katman" yetiştirebilir. Doping yapılarını optimize etmek
Ultra - Sığ bağlantıları veya kademeli doping profilleri elde edilebilir, bu da arıza voltajı ve iletim özelliklerini geliştirebilir.
Elektrik Performansının Geliştirilmesi
Yüksek - direnç epitaksiyal tabakası (EPI) katmanları parazitik kapasitansı azaltabilir (yüksek - frekans cihazları için uygun), kalın epitaksiyal katmanlar güç cihazlarının dayanıklı voltajını artırabilir.
3.2 İşlem kontrol edilebilirliği
Cihaz izolasyonu
Yüksek bir - direnç epi katmanı kullanmak, cihazlar arasında izolasyonu iyileştirebilir ve parazitik karışma azaltabilir.
Mandalın Azaltılması - yukarı
CMO'larda epitaksiyal tabaka parazitik tiristör yapılarının tetiklenmesini baskılayabilir.
Esnek kalınlık
Farklı ürünler aynı substrat üzerinde özelleştirilmiş EPI kalınlıklarına sahip olabilir (özellikle güç, analog ve RF uygulamalarında yaygındır).
3.3 Yeni malzemelerin tanıtımı
Gerinim mühendisliği
Sige epitaksi, SIC epitaksi ve Gan epitaksisi EPI yoluyla elde edilir.
Heterojen entegrasyon
Silikon fotoniklerinde, MEM'lerde ve güç cihazlarında EPI, silikon üzerinde III - V malzemeleri büyütmek için kullanılabilir. HBT'ler ve kuantum kuyu lazerleri gibi süper tabak yapıları, farklı bant boşluklarına sahip malzeme katmanlarının alternatif birikmesini gerektirir ve EPI gerektirir.
4. Ortak EPI işlem türleri
| İşlem | Özellikler | Başvuru |
|---|---|---|
|
SI EPI (homojen kapsama) |
Yüksek - SI substratlarında yetiştirilen saflık SI katmanları |
CMO'lar, güç cihazları |
|
Sige Epi |
Kontrol edilebilir GE içeriği, gerinim - kaplanmış |
PMOS Hızlanması, Sige HBT |
|
Sic epi |
Yüksek sertlik, yüksek termal iletkenlik, yüksek arıza alanı | Güç Elektroniği (Silikon Karbür Mosfet) |
|
Gan epi |
Geniş bant boşluğu, yüksek elektron hareketliliği | Yüksek - frekans, yüksek - güç rf |
|
Si'de GE Epi |
Optoelektronik entegrasyon, gergin CMO'lar | Silikon fotonik, kızılötesi tespit |
5. EPI sürecinin teknik zorlukları
Arayüz kusurları: epitaksiyal tabaka ve substrat arasındaki kafes eşleşmesi son derece yüksek hassasiyet gerektirir, aksi takdirde çıkıklar üretilecektir.
Stres Yönetimi: Heteroepitaksiyal büyüme sırasında aşırı stres, çarpıklığa veya çatlamaya neden olabilir.
Kesin doping kontrolü: Konsantrasyon aralığı, ±%1 doğruluk gereksinimi ile 10¹³ - 10²⁰ CM⁻³'ye ulaşabilir.
Kalınlık Tekdüzeliği: Büyük - Çap (300mm) Gofretler Kalınlık Tekdüzeliği gerektirir<1%.
6. Özet
EPI işlemi, yüksek - kalitesi, tasarlanabilir, düşük - kusur ve kontrol edilebilir doping yüzey katmanı oluşturmak için gofretin "yeniden şekillenebileceği" için ortaya çıktı. Bu sadece silikon CMO'ların ömrünü uzatmakla kalmaz, aynı zamanda yeni malzemelerin ve yeni cihaz yapılarının uygulanması için bir yol sağlar.
EPI olmadan, bugünün yüksek - Performans PMO'ları, Power MOSFET, SIGE HBT ve SIC/GAN güç cihazlarını elde etmek zor olacaktır.