1. Latar belakang: Mengapa wafer silikon tidak cukup?
Langkah pertama dalam manufaktur semikonduktor adalah memperoleh single - kristal silicon wafer (biasanya wafer Czochralski yang ditanam menggunakan metode CZ).
Namun, meskipun wafer ini adalah kristal tunggal, permukaannya mungkin tidak memenuhi persyaratan perangkat yang ketat untuk kemurnian, kepadatan cacat, akurasi doping, dan struktur.
Khususnya pada node proses canggih dan perangkat kinerja- tinggi, membuat daerah aktif secara langsung pada wafer asli menyajikan batasan:
- Kandungan oksigen tinggi dalam bulk wafer (silikon CZ sering memiliki endapan oksigen), yang mempengaruhi masa hidup dan kebocoran pembawa minoritas.
- Profil doping wafer tidak dapat disesuaikan secara tepat (terutama ketika ultra - persimpangan dangkal atau struktur gradien diperlukan).
- micro - cacat seperti dislokasi dan goresan mungkin ada di permukaan, secara langsung mempengaruhi hasil.
- Beberapa perangkat memerlukan bahan heterogen (seperti sige, gaas - di - si, dan sic - pada - si) - materi yang tidak dapat dicapai dengan waf.
Ini mengharuskan teknologi "resurfacing" yang dapat dikendalikan - proses pertumbuhan epitaxial (EPI).
2. Definisi inti dari proses EPI
Epitaxy mengacu pada pertumbuhan film tipis kristal - tunggal pada satu substrat kristal - dengan orientasi kristal yang sama dengan substrat.
Ini bisa berupa homoepitaxial (Si pada si) atau heteroepitaxial (sige pada si, gan pada sic, dll.).
Fitur Utama:
Lapisan epitaxial "mewarisi" struktur kisi substrat (orientasi kristal dan penyelarasan) dan memiliki kepadatan cacat yang rendah.
Ketebalan dapat dikendalikan (dari beberapa nanometer hingga puluhan mikron).
Jenis doping, konsentrasi, dan gradien dapat disesuaikan secara tepat sesuai dengan desain.
3. Mengapa menggunakan proses EPI?
Ini dapat dijelaskan dari tiga perspektif: kinerja, proses, dan pengenalan bahan baru:
3.1 Peningkatan Kinerja
Mengurangi kepadatan cacat
EPI dapat menumbuhkan "Cacat - Lapisan Gratis" yang mengisolasi cacat substrat dari wilayah aktif, sehingga meningkatkan masa hidup pengangkut minoritas (terutama penting untuk perangkat daya). Mengoptimalkan struktur doping
Ultra - persimpangan dangkal atau profil doping bertingkat dapat dicapai, meningkatkan karakteristik tegangan dan konduksi kerusakan.
Meningkatkan kinerja listrik
High - Lapisan Lapisan Epitaxial (EPI) resistensi dapat mengurangi kapasitansi parasit (cocok untuk perangkat frekuensi- tinggi), sedangkan lapisan epitaxial yang tebal dapat meningkatkan tegangan power yang ditingkatkan.
3.2 Proses Kontrolabilitas
Isolasi perangkat
Menggunakan - resistance EPI yang tinggi dapat meningkatkan isolasi antar perangkat dan mengurangi crosstalk parasit.
Mengurangi kait - up
Dalam CMOS, lapisan epitaxial dapat menekan pemicu struktur thyristor parasit.
Ketebalan fleksibel
Produk yang berbeda dapat memiliki ketebalan EPI yang disesuaikan pada substrat yang sama (terutama aplikasi daya, analog, dan RF yang umum).
3.3 Pengenalan Bahan Baru
Rekayasa regangan
Sige Epitaxy, SIC Epitaxy, dan Gan Epitaxy semuanya dicapai melalui EPI.
Integrasi heterogen
Dalam silikon fotonik, MEMS, dan perangkat daya, EPI dapat digunakan untuk menumbuhkan III - V material pada silikon. Struktur superlattice seperti HBT dan laser sumur kuantum memerlukan deposisi bolak -balik lapisan material dengan celah pita yang berbeda, yang memerlukan EPI.
4. Jenis Proses Epi Umum
| Proses | Fitur | Aplikasi |
|---|---|---|
|
Si epi (liputan homogen) |
High - purity SI Layers yang ditanam pada SUSTRAT SI |
CMOS, perangkat daya |
|
Sige Epi |
Konten GE yang dapat dikendalikan, strain - dilapisi |
Akselerasi PMOS, Sige HBT |
|
Sic epi |
Kekerasan tinggi, konduktivitas termal tinggi, bidang kerusakan tinggi | Power Electronics (Silicon Carbide MOSFET) |
|
Gan Epi |
Pita lebar, mobilitas elektron tinggi | High - frekuensi, tinggi - power rf |
|
Ge epi di si |
Integrasi Optoelektronik, CMOS yang tegang | Fotonik silikon, deteksi inframerah |
5. Tantangan teknis dari proses EPI
Cacat Antarmuka: Pencocokan kisi antara lapisan epitaxial dan substrat membutuhkan presisi yang sangat tinggi, jika tidak dislokasi akan dihasilkan.
Manajemen Stres: Stres berlebihan selama pertumbuhan heteroepitaxial dapat menyebabkan warping atau retak.
Kontrol doping yang tepat: Kisaran konsentrasi dapat mencapai 10¹³ -10²⁰ cm⁻³, dengan persyaratan akurasi ± 1%.
Keseragaman ketebalan: wafer besar - (300mm) membutuhkan keseragaman ketebalan<1%.
6. Ringkasan
Proses EPI muncul karena dapat "membentuk kembali" wafer untuk membuat kualitas - yang tinggi, dapat dirancang, rendah - cacat, dan lapisan permukaan doping yang dapat dikendalikan. Ini tidak hanya memperpanjang umur silikon CMOS, tetapi juga menyediakan jalur untuk implementasi bahan baru dan struktur perangkat baru.
Tanpa EPI, akan sulit untuk mencapai PMOS kinerja {0} {0} {{0 {power MOSFET, SIGE HBT, dan perangkat daya SIC/GAN.
