The EPI (Epitaxy) process is a key material growth technology in semiconductor manufacturing. It epitaxies a layer of high-quality single-crystal silicon or silicon alloy material on a single-crystal silicon substrate to provide a better material platform for subsequent device manufacturing. It is widely used in power devices, CMOS, high-speed devices, Bicmos, RF Chips, etc. .
1. Definiția procesului EPI
Epitaxia (creșterea epitaxială) se referă la creșterea acelorași materiale sau diferite de-a lungul direcției de zăbrele pe un substrat de cristal (de obicei silicon cu un singur cristal) cu o structură de zăbrele existentă pentru a forma un nou strat de material unic-cristal cu aceeași orientare a cristalului ca substratul .}
2. Scopul principal al procesului EPI
| Scop | Ilustra |
| Calitatea îmbunătățită a cristalului | Oferirea de straturi de creștere de densitate de densitate de înaltă calitate, de înaltă calitate |
| Controlul concentrației și tipului de dopaj | O regiune care este mai mică (dopată scăzută) sau mai dopată decât substratul, formând o regiune de derivă . |
| Introducerea ingineriei tulpinilor | Introducerea Sige sau a stresorii în stratul EPI pentru a îmbunătăți mobilitatea purtătorului (cum ar fi siliciul încorporat) |
| Oferă strat de izolare a dispozitivului | Susține formarea straturilor de izolare verticală în SOI, BICMOS și alte structuri |
| Acceptă structuri de dispozitive de înaltă tensiune |
De exemplu, LDMOS și IGBT necesită un strat EPI gros, cu dopat scăzut, ca regiune de derivă pentru a crește tensiunea de defecțiune .
|
3. Clasificarea procesului EPI
1. Clasificare după tipul materialului
| Tip | Descrie |
| Si Epi | Cel mai frecvent strat epitaxial de siliciu cu un singur cristal |
| Sige Epi | Straturi epitaxiale de siliciu dopat cu germanium pentru inginerie de tulpini sau dispozitive RF |
| SI: C EPI | Strat epitaxial de siliciu dopat cu carbon pentru a limita difuzarea borului (PMOS) |
| III-V EPI | GaAs, INP, etc. ., utilizat în principal în dispozitive optoelectronice, dispozitive de mare viteză (de obicei nu în linia principală CMOS) |
2. clasificare prin tipul de dopare
| Tip | Descrie |
| N-TYPE EPI | Fosfor/arsenic dopat, potrivit pentru stratul de derivă a dispozitivelor de alimentare, cum ar fi N-LDMOS |
| P-TYPE EPI | Bor dopat, potrivit pentru structura dispozitivului CMOS de tip P de tip P |
| EPI intrinsecă | Dopaj foarte scăzut, aproape de siliciu intrinsec, pentru aplicații de înaltă tensiune |
3. clasificare după formă structurală
| Tip | Ilustra |
| Epi cu un singur strat | Structura de grosime/dopaj unic |
| Epi multistrat | Dopaj gradat, cum ar fi alternarea straturilor de P/N necesare pentru structurile SJ MOSFET de superjuncție |
| EPI selectiv | Creșteți numai în zonele locale ale waferului (cum ar fi sursa/scurgerea), utilizată pentru structuri Finfet sau încordate |
4. Prezentare generală a fluxului de proces EPI
Pregătirea substratului:
- Curățarea plafonului de siliciu lustruit (curățare RCA);
- îndepărtați stratul original de oxid (tratamentul cu gaz HF sau HCl);
- Reducerea suprafeței la curățarea SI (100) Suprafață goală
Creșterea cristalului (reacție epitaxială):
-Utilizați procesul de CVD (Depunerea vaporilor chimici);
-Gaze de reacție comune:
-Sih₄ (silane), sicl₄, hcl
-Doping Gaz: Ph₃ (fosfor), b₂h₆ (bor), ash₃ (arsenic)
Parametri de control al procesului:
-Temperatură: 900 grade ~ 1200 grade (reactor de perete cald sau de perete rece)
-Prepresură: presiune joasă sau presiune atmosferică;
-Tuitate de creștere:<1μm/min (strict requirements on thickness/uniformity)
Post-procesare:
-Estirea uniformității grosimii, distribuției dopajului;
-Măsurarea înălțimii în pas;
-Surface Defect Analysis (e . g . folosind optics/sem/afm/etc pentru a detecta dislocarea cristalului)
5. Scenarii de aplicație EPI comună
1. dispozitive de alimentare (LDMOS, IGBT, Diode)
Dopaj scăzut, strat epi gros formează o regiune de derivă;
Creșteți tensiunea de descompunere și reduceți pierderea de conducere .
2. FINFET/CMOS Dispozitive de înaltă performanță
SIGE SIGE selectiv în sursă/scurgere;
Introducerea tulpinii, îmbunătățirea mobilității și reducerea rezistenței .
3. dispozitive rf (rf CMOS, HBT)
Stratul SIGE EPI controlat precis formează structuri eterogene (cum ar fi Sige HBT);
Oferă un răspuns mai bun la frecvență și caracteristici de zgomot scăzut .
6. provocări ale procesului EPI
| Provocare | Ilustra |
| Controlul defectelor de zăpadă | Stratul EPI trebuie să mențină o densitate scăzută de dislocare (e . g . tdd <1e4) |
| Controlul de precizie al dopajului | Pentru a obține o variație <5%, în special în structurile cu mai multe straturi |
| Curățenia interfeței | Impurități de interfață/oxidare poate provoca nepotrivire a cristalului și degradarea electrică |
| Înălțimea pasului/controlul scărilor | Cerințe ridicate pentru fotolitografia și planeitatea ulterioară |
| Cost | Echipamentul EPI este scump, lent și costisitor |
7. Relația dintre EPI și alte tehnologii
| Tehnologie | Raport |
| Soi | EPI poate fi cultivat pe straturi de siliciu pentru fabricarea dispozitivelor |
| Finfet | Sursa/scurgerea folosește adesea EPI selectiv pentru a introduce tulpina |
| Super joncțiune | Mai multe straturi de straturi alternative de tip P/N EPI formează o structură MOS de înaltă tensiune |
| CMOS de înaltă tensiune | Stratul EPI constituie o regiune de derivă de înaltă tensiune și optimizează în comun Ron și BV cu stratul îngropat |
Rezuma
| Proiect | Conţinut |
| Scop | Oferind structuri de cristal de înaltă calitate, controlate de dopaj |
| Mod | Depunerea de vapori chimici (CVD) Epitaxie cu un singur cristal pe napolitane |
| Aplicație | Dispozitive de înaltă tensiune, RF, FinFET, SOI, dispozitive de alimentare, etc. . |
| Provocare | Defecte de cristal, precizie de dopaj, planeitate de suprafață, costuri |
