เหตุใดกระบวนการ Epitaxial Growth (EPI) จึงพัฒนาขึ้น?

1. ความเป็นมา: ทำไมเวเฟอร์ซิลิคอนจึงไม่เพียงพอ?

ขั้นตอนแรกในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์คือการได้รับเวเฟอร์ซิลิกอนซิงเกิ้ลเดียว (โดยปกติจะเป็นเวเฟอร์ Czochralski ที่เติบโตขึ้นโดยใช้วิธี CZ)
อย่างไรก็ตามแม้ว่าเวเฟอร์เหล่านี้จะเป็นผลึกเดี่ยวพื้นผิวของพวกเขาอาจไม่ตรงตามข้อกำหนดของอุปกรณ์ที่เข้มงวดสำหรับความบริสุทธิ์ความหนาแน่นของข้อบกพร่องความแม่นยำในการเติมและโครงสร้าง
โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโหนดกระบวนการขั้นสูงและอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง - การสร้างภูมิภาคที่ใช้งานอยู่โดยตรงบนข้อ จำกัด ของเวเฟอร์เดิม:
- ปริมาณออกซิเจนสูงในกลุ่มเวเฟอร์จำนวนมาก (CZ ซิลิคอนมักจะมีออกซิเจนตกตะกอน) ซึ่งมีผลต่ออายุการใช้งานของผู้ให้บริการชนกลุ่มน้อยและการรั่วไหล
- โปรไฟล์การเติมผ้าเวเฟอร์ไม่สามารถปรับได้อย่างแม่นยำ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อจำเป็นต้องมีการแยกตื้นหรือโครงสร้างการไล่ระดับสี)
- micro - ข้อบกพร่องเช่นการเคลื่อนที่และรอยขีดข่วนอาจมีอยู่บนพื้นผิวซึ่งมีผลโดยตรงต่อผลผลิต
- อุปกรณ์บางอย่างต้องการวัสดุที่แตกต่างกัน (เช่น sige, gaas - บน - si และ sic - บน - si) - วัสดุที่ไม่สามารถทำได้

สิ่งนี้จำเป็นต้องมีเทคโนโลยี "resurfacing" ที่ควบคุมได้ - กระบวนการ Epitaxial Growth (EPI)

2. คำจำกัดความหลักของกระบวนการ EPI

Epitaxy หมายถึงการเติบโตของฟิล์มบาง ๆ - คริสตัลบาง ๆ บนพื้นผิวคริสตัล - เดี่ยวที่มีการวางแนวคริสตัลเดียวกับสารตั้งต้น
นี่อาจเป็น homoepitaxial (si on si) หรือ heteroepitaxial (sige on si, gan บน sic ฯลฯ )
คุณสมบัติที่สำคัญ:
เลเยอร์ epitaxial "สืบทอด" โครงสร้างตาข่ายของพื้นผิว (การวางแนวคริสตัลและการจัดตำแหน่ง) และมีความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำ
ความหนาสามารถควบคุมได้ (จากไม่กี่นาโนเมตรถึงสิบไมครอน)
ประเภทยาสลบความเข้มข้นและการไล่ระดับสีสามารถปรับได้อย่างแม่นยำตามการออกแบบ

3. ทำไมต้องใช้กระบวนการ EPI?

สามารถอธิบายได้จากสามมุมมอง: ประสิทธิภาพกระบวนการและการแนะนำวัสดุใหม่:

3.1 การปรับปรุงประสิทธิภาพ
ลดความหนาแน่นของข้อบกพร่อง
EPI สามารถเติบโต "ข้อบกพร่อง - เลเยอร์อิสระ" ที่แยกข้อบกพร่องของสารตั้งต้นออกจากภูมิภาคที่ใช้งานอยู่ซึ่งจะเป็นการเพิ่มอายุการใช้งานของผู้ให้บริการชนกลุ่มน้อย (สำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์พลังงาน) การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างยาสลบ
ultra - ทางแยกตื้นหรือโปรไฟล์ยาสลบที่ให้คะแนนสามารถทำได้ช่วยปรับปรุงแรงดันไฟฟ้าแยกและลักษณะการนำ
ปรับปรุงประสิทธิภาพไฟฟ้า
ชั้นสูง - ชั้นความต้านทาน Epitaxial Layer (EPI) สามารถลดความแปรปรวนของกาฝาก (เหมาะสำหรับอุปกรณ์ความถี่สูง - สูง) ในขณะที่ชั้น epitaxial หนาสามารถปรับปรุงแรงดันไฟฟ้าที่ทนทานต่ออุปกรณ์ไฟฟ้า

3.2 การควบคุมกระบวนการ
การแยกอุปกรณ์
การใช้ชั้นความต้านทานสูง - ชั้นความต้านทานสามารถปรับปรุงการแยกระหว่างอุปกรณ์และลด crosstalk กาฝาก
ลดสลัก - ขึ้น
ใน CMOS ชั้น epitaxial สามารถยับยั้งการกระตุ้นของโครงสร้าง thyristor ปรสิต
ความหนาที่ยืดหยุ่น
ผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันสามารถมีความหนาของ EPI ที่ปรับแต่งได้บนพื้นผิวเดียวกัน (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานพลังงานอะนาล็อกและ RF)

3.3 การแนะนำวัสดุใหม่
วิศวกรรมความเครียด
sige epitaxy, sic epitaxy และ gan epitaxy ล้วนประสบความสำเร็จผ่าน EPI
การบูรณาการที่แตกต่างกัน
ใน silicon photonics, MEMS และอุปกรณ์พลังงานสามารถใช้ EPI เพื่อเติบโต III - V วัสดุบนซิลิคอน โครงสร้าง Superlattice เช่น HBTS และควอนตัมบ่อน้ำเลเซอร์ต้องการการสลับการสะสมของชั้นของวัสดุที่มีช่องว่างวงดนตรีที่แตกต่างกันซึ่งจำเป็นต้องใช้ EPI

4. ประเภทกระบวนการ EPI ทั่วไป

5. ความท้าทายทางเทคนิคของกระบวนการ EPI

ข้อบกพร่องของอินเทอร์เฟซ: การจับคู่ขัดแตะระหว่างเลเยอร์ epitaxial และสารตั้งต้นต้องมีความแม่นยำสูงมากมิฉะนั้นจะมีการสร้างความคลาดเคลื่อน
การจัดการความเครียด: ความเครียดที่มากเกินไปในระหว่างการเจริญเติบโตของ heteroepitaxial อาจทำให้เกิดการแปรปรวนหรือแตก
การควบคุมยาสลบที่แม่นยำ: ช่วงความเข้มข้นสามารถถึง 10¹³–10²⁰ CM⁻³โดยมีข้อกำหนดความแม่นยำ± 1%
ความสม่ำเสมอความหนา: ขนาดใหญ่ - เส้นผ่านศูนย์กลาง (300 มม.) เวเฟอร์ต้องการความหนาเท่ากัน<1%.

6. สรุป

กระบวนการ EPI เกิดขึ้นเนื่องจากสามารถ "ปรับเปลี่ยน" เวเฟอร์เพื่อสร้างคุณภาพ - สูงออกแบบได้ต่ำ - ข้อบกพร่องและชั้นพื้นผิวยาสลบที่ควบคุมได้ สิ่งนี้ไม่เพียง แต่ขยายอายุการใช้งานของซิลิคอน CMOs เท่านั้น แต่ยังเป็นเส้นทางสำหรับการใช้งานวัสดุใหม่และโครงสร้างอุปกรณ์ใหม่
หากไม่มี EPI มันจะเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุความสูง - pmos ประสิทธิภาพ, Power Mosfet, Sige HBT และอุปกรณ์พลังงาน SIC/GAN