1. Antecedentes: Por que o silício não é suficiente?
A primeira etapa na fabricação de semicondutores está obtendo um single polido - Crystal Silicon Wafer (geralmente uma wafer de Czochralski cultivada usando o método CZ).
No entanto, embora essas bolachas sejam cristais únicos, suas superfícies podem não atender aos requisitos rigorosos do dispositivo para pureza, densidade de defeitos, precisão do doping e estrutura.
Particularmente em nós avançados de processo e nos dispositivos de desempenho -, criando regiões ativas diretamente na wafer original apresenta limitações:
- O alto teor de oxigênio no volume de wafer (o silício da CZ geralmente possui precipita o oxigênio), o que afeta a vida e o vazamento da portadora minoritária do dispositivo.
- O perfil de doping de wafer não pode ser ajustado com precisão (especialmente quando são necessários junções superficiais ou estruturas de gradiente).
- micro - defeitos como deslocamentos e arranhões podem existir na superfície, afetando diretamente o rendimento.
- Alguns dispositivos requerem materiais heterogêneos (como Sige, GaAs - em - si e sic -} em - si)-} que não podem ser obtidos com o próprio wafer.
Isso requer uma tecnologia controlável de "ressurgir" - o processo de crescimento epitaxial (EPI).
2. Definição central do processo EPI
Epitaxia refere -se ao crescimento de um único filme de cristal -} em um único substrato de cristal - com a mesma orientação de cristal que o substrato.
Isso pode ser homoepitaxial (Si no Si) ou heteroepitaxial (SIGE no Si, Gan no sic, etc.).
Principais recursos:
A camada epitaxial "herda" a estrutura da rede do substrato (orientação e alinhamento de cristal) e tem uma baixa densidade de defeitos.
A espessura é controlável (de alguns nanômetros a dezenas de microns).
O tipo de doping, a concentração e o gradiente podem ser ajustados com precisão de acordo com o projeto.
3. Por que usar o processo EPI?
Isso pode ser explicado a partir de três perspectivas: desempenho, processo e introdução de novos materiais:
3.1 Melhoria de desempenho
Redução da densidade de defeitos
O EPI pode cultivar um "defeito - camada livre" que isola os defeitos do substrato da região ativa, aumentando assim a vida útil da portadora minoritária (particularmente importante para dispositivos de energia). Otimizando estruturas de doping
Ultra - junções superficiais ou perfis de doping graduados podem ser alcançados, melhorando as características de tensão de ruptura e condução.
Melhorando o desempenho elétrico
Alta - camada epitaxial de resistência (EPI) pode reduzir a capacitância parasitária (adequada para dispositivos de frequência--), enquanto camadas epitaxiais espessas podem melhorar a tensão de resistência dos dispositivos de energia.
3.2 Controlabilidade do processo
Isolamento do dispositivo
O uso de uma camada EPI de resistência - alta pode melhorar o isolamento entre os dispositivos e reduzir a diafonia parasita.
Redução de trava - up
Nas CMOs, a camada epitaxial pode suprimir o desencadeamento de estruturas de tiristores parasitas.
Espessura flexível
Diferentes produtos podem ter espessuras de EPI personalizadas no mesmo substrato (especialmente comuns em aplicações de potência, analógico e RF).
3.3 Introdução de novos materiais
Engenharia de tensão
O epitaxia de Sige, o epitaxia do SIC e o epitaxia de GaN são todos alcançados através do EPI.
Integração heterogênea
Em Silicon Photonics, MEMS e Dispositivos de potência, o EPI pode ser usado para crescer III - v materiais no silício. Estruturas de superlattice, como HBTs e lasers de poço quântico, requerem deposição alternada de camadas de materiais com diferentes lacunas de banda, necessitando de EPI.
4. Tipos de processo EPI comuns
| Processo | Características | Aplicações |
|---|---|---|
|
Si Epi (cobertura homogênea) |
High - Purity Si Camadas cultivadas em substratos SI |
CMOS, dispositivos de energia |
|
Sige epi |
Conteúdo da GE controlável, cepa - revestida |
Aceleração dos PMOs, Sige Hbt |
|
Sic epi |
Alta dureza, alta condutividade térmica, campo de ruptura alto | Eletrônica de potência (MOSFET de carboneto de silício) |
|
Gan Epi |
Mobilidade de banda larga e alta mobilidade eletrônica | Alta - frequência, alta - Power rf |
|
GE Epi no SI |
Integração Optoeletrônica, CMOS tenso | Silicon Photonics, detecção de infravermelho |
5. Desafios técnicos do processo EPI
Defeitos de interface: a correspondência de treliça entre a camada epitaxial e o substrato requer precisão extremamente alta, caso contrário, as luxações serão geradas.
Gerenciamento do estresse: o estresse excessivo durante o crescimento heteroepitaxial pode causar deformação ou rachaduras.
Controle preciso doping: A faixa de concentração pode atingir 10 ³ -10²⁰ cm⁻³, com um requisito de precisão de ± 1%.
UNIFORMIDADE DE ESPERAÇÃO: Grande - Diâmetro (300 mm) As bolachas requerem a uniformidade da espessura de<1%.
6. Resumo
O processo EPI surgiu porque pode "remodelar" a bolacha para criar um defeito --, designável, baixo - defeito e camada de superfície doping controlável. Isso não apenas estende a vida útil dos CMOs de silício, mas também fornece um caminho para a implementação de novos materiais e novas estruturas de dispositivos.
Sem o EPI, seria difícil alcançar os PMOs de desempenho altos de hoje -, Power MOSFET, SIGE HBT e SIC/GAN Power.