1. Achtergrond: Waarom is siliciumwafels niet genoeg?
De eerste stap in de productie van halfgeleiders is het verkrijgen van een gepolijste single - Crystal Silicon Wafer (meestal een Czochralski -wafer gekweekt met behulp van de CZ -methode).
Hoewel deze wafels afzonderlijke kristallen zijn, voldoen hun oppervlakken mogelijk niet aan de strenge apparaatvereisten voor zuiverheid, defectdichtheid, dopingnauwkeurigheid en structuur.
Met name in geavanceerde procesknooppunten en hoge - prestatieapparaten, waardoor actieve regio's rechtstreeks op de originele wafer worden gecreëerd, presenteert hij beperkingen:
- Het hoge zuurstofgehalte in de wafer -bulk (CZ Silicon heeft vaak zuurstofprecipitaten), wat de levensduur en lekkage van minderheden van apparaten beïnvloedt.
- Het wafer -dopingprofiel kan niet precies worden aangepast (vooral wanneer ultra - ondiepe knooppunten of gradiëntstructuren vereist zijn).
- Micro - Defecten zoals dislocaties en krassen kunnen op het oppervlak bestaan, waardoor de opbrengst direct wordt beïnvloed.
- Sommige apparaten vereisen heterogene materialen (zoals Sige, GaAS - op - si en sic - op - si) - materialen die niet kunnen worden bereikt met de wafer zelf.
Dit vereist een controleerbare "resurfacing" -technologie - Het epitaxiale groei (EPI) -proces.
2. Kerndefinitie van het EPI -proces
Epitaxy verwijst naar de groei van een enkele - kristal dunne film op een enkele - kristallen substraat met dezelfde kristaloriëntatie als het substraat.
Dit kan homoepitaxiaal (SI op Si) of heteroepitaxiaal zijn (sige op Si, Gan op sic, enz.).
Belangrijkste kenmerken:
De epitaxiale laag "erft" de roosterstructuur van het substraat (kristaloriëntatie en uitlijning) en heeft een lage defectdichtheid.
De dikte is beheersbaar (van enkele nanometer tot tientallen micron).
Doping -type, concentratie en gradiënt kunnen precies worden aangepast volgens het ontwerp.
3. Waarom het EPI -proces gebruiken?
Dit kan worden verklaard vanuit drie perspectieven: prestaties, proces en de introductie van nieuwe materialen:
3.1 Prestatieverbetering
Het verminderen van defectdichtheid
EPI kan een "defect - vrije laag" laten groeien die substraatdefecten uit het actieve gebied isoleert, waardoor de levensduur van de minderheidsdrager wordt verhoogd (vooral belangrijk voor machtsapparaten). Het optimaliseren van dopingstructuren
Ultra - ondiepe knooppunten of graded dopingprofielen kunnen worden bereikt, waardoor de afbraakspanning en geleidingskenmerken worden verbeterd.
Verbetering van de elektrische prestaties
Hoge - Weerstand Epitaxiale laag (EPI) -lagen kunnen parasitaire capaciteit verminderen (geschikt voor hoge - frequentie -apparaten), terwijl dikke epitaxiale lagen de standaard spanning van stroomapparaten kunnen verbeteren.
3.2 Procesbeheersbaarheid
Isolatie van het apparaat
Het gebruik van een hoge - Weerstand EPI -laag kan de isolatie tussen apparaten verbeteren en parasitaire overspraak verminderen.
Latch - verhogen
In CMO's kan de epitaxiale laag het activeren van parasitaire thyristorstructuren onderdrukken.
Flexibele dikte
Verschillende producten kunnen op maat gemaakte EPI -diktes op hetzelfde substraat hebben (vooral gebruikelijk in vermogens-, analoge en RF -toepassingen).
3.3 Inleiding van nieuwe materialen
Spanning engineering
Sige Epitaxy, SIC Epitaxy en Gan Epitaxy worden allemaal bereikt via EPI.
Heterogene integratie
In siliciumfotonica, MEMS en Power Devices kan EPI worden gebruikt om III - v -materialen op silicium te laten groeien. Supervertrekkingsstructuren zoals HBT's en kwantumputlasers vereisen afwisselende afzetting van lagen materialen met verschillende bandafdikingen, waardoor EPI nodig is.
4. Gemeenschappelijke EPI -procestypen
| Proces | Functies | Toepassingen |
|---|---|---|
|
SI EPI (homogene dekking) |
High - zuiverheid si lagen gekweekt op Si -substraten |
CMOS, Power Devices |
|
Sige Epi |
Controleerbare GE -inhoud, stam - gecoat |
PMOS -versnelling, Sige HBT |
|
SIC EPI |
Hoge hardheid, hoge thermische geleidbaarheid, high breakdown veld | Power Electronics (Silicon Carbide Mosfet) |
|
Gan Epi |
Brede bandgap, hoge elektronenmobiliteit | High - frequentie, hoog - Power RF |
|
GE EPI op SI |
Opto -elektronische integratie, gespannen CMO's | Siliconenfotonica, infrarooddetectie |
5. Technische uitdagingen van het EPI -proces
Interface -defecten: de roosteraanpassing tussen de epitaxiale laag en het substraat vereist extreem hoge precisie, anders worden dislocaties gegenereerd.
Stressbeheer: overmatige stress tijdens heteriepitaxiale groei kan kronkelen of kraken veroorzaken.
Nauwkeurige dopingcontrole: het concentratiebereik kan 10¹³–10²⁰ cm⁻³ bereiken, met een nauwkeurigheidsvereiste van ± 1%.
Dikte uniformiteit: grote - diameter (300 mm) wafels vereisen een dikte -uniformiteit van<1%.
6. Samenvatting
Het EPI -proces is ontstaan omdat het de wafer kan "hervormen" om een hoge - kwaliteit, ontwerptbaar, laag - defect en controleerbare doping -oppervlaktelaag te creëren. Dit verlengt niet alleen de levensduur van Silicon CMO's, maar biedt ook een pad voor de implementatie van nieuwe materialen en nieuwe apparaatstructuren.
Zonder EPI zou het moeilijk zijn om de hedendaagse hoge - prestaties PMO's, Power MOSFET, Sige HBT en SIC/GAN Power Devices te bereiken.
