El procés EPI (epitaxi) és una tecnologia clau de creixement de materials en la fabricació de semiconductors. Epitaxia una capa de silici de silici o d’aliatge de silici de gran qualitat en un substrat de silici d'un sol cristall per proporcionar una plataforma de material millor per a la posterior fabricació de dispositius. S'utilitza àmpliament en dispositius de potència, CMOs, dispositius d'alta velocitat, bicmos, xips RF, etc.
1. Definició del procés EPI
L’epitaxia (creixement epitaxial) fa referència al creixement dels mateixos o diferents materials al llarg de la direcció de gelosia en un substrat de cristall (normalment silici d’un sol cristall) amb una estructura de gelosia existent per formar una nova capa de material d’un sol cristall amb la mateixa orientació de cristall que el substrat.
2. El propòsit principal del procés EPI
| Propòsit | Il·lustrar |
| Qualitat de cristall millorada | Proporcionar capes de creixement de densitat de baixa qualitat i de gran definició |
| Controlar la concentració i el tipus de dopatge | Una regió inferior (baixa dopada) o més dopada que el substrat, formant una regió de deriva. |
| Presentació de l’enginyeria de tensió | Introducció de Sige o estressors a la capa EPI per millorar la mobilitat del transportista (com el silici tensat) |
| Proporciona una capa d’aïllament del dispositiu | Admet la formació de capes d’aïllament vertical en soi, bicmos i altres estructures |
| Admet estructures de dispositius d'alta tensió |
Per exemple, els LDMOS i IGBT requereixen una capa EPI gruixuda i baixa dopada com a regió de deriva per augmentar el voltatge de desglossament.
|
3. Classificació del procés EPI
1. Classificació per tipus de material
| Tipus | Descriure |
| Si Epi | Capa epitaxial de silici de cristall més freqüent |
| Sige Epi | Capes epitaxials de silici dopades per germani per a dispositius d'enginyeria o RF |
| SI: C Epi | Capa epitaxial de silici dopat amb carboni per limitar la difusió del bor (PMOS) |
| Iii-V epi | GAAS, INP, etc., s'utilitza principalment en dispositius optoelectrònics, dispositius d'alta velocitat (normalment no a la línia principal CMOS) |
2. Classificació per tipus de dopatge
| Tipus | Descriure |
| N-tipus epi | Fòsfor/arsènic dopat, adequat per a la capa de deriva de dispositius de potència com N-LDMOS |
| P-tipus epi | Dopat per bor, adequat per a l'estructura del dispositiu CMOS de tipus P |
| EPI intrínsec | Doping molt baix, a prop del silici intrínsec, per a aplicacions d’alta tensió |
3. Classificació per forma estructural
| Tipus | Il·lustrar |
| EPI d'una sola capa | Estructura d'un sol gruix/dopatge |
| Epi multicapa | Doping classificat, com ara les capes P/N alternes necessàries per a les estructures de superjunció SJ MOSFET |
| Epi selectiu | Creix només a les zones locals de l’hòstia (com la font/desguàs), s’utilitza per a les estructures FINFET o STRANED |
4. Visió general del flux de processos EPI
Preparació del substrat:
- Neteja d’hòsties de silici polit (neteja RCA);
- Retireu la capa original d'òxid (tractament amb gas HF o HCl);
- Reducció de superfície a la superfície neta de SI (100)
Creixement del cristall (reacció epitaxial):
-Ús CVD (procés de deposició de vapor químic);
-Les de reacció comunes:
-Sih₄ (Silà), Sicl₄, HCl
-Doping Gas: ph₃ (fòsfor), b₂h₆ (bor), Ash₃ (arsènic)
Paràmetres de control de processos:
-Tempertura: 900 graus ~ 1200 graus (paret calenta o reactor de paret freda)
-Presstura: baixa pressió o pressió atmosfèrica;
-Vaplicacions de creixement:<1μm/min (strict requirements on thickness/uniformity)
Post-processament:
-Uniformitat de gruix, distribució de dopatge;
-Aspet de mesura de l'alçada;
-Ves anàlisi de defectes de la superfície (per exemple, mitjançant òptica/SEM/AFM/etc per detectar la luxació de cristalls)
5. Escenaris comuns de sol·licitud EPI
1. Dispositius de potència (LDMOS, IGBT, díode)
La capa EPI de dopatge baix i gruixut forma una regió de deriva;
Augmenteu la tensió de desglossament i reduïu la pèrdua de conducció.
2 Dispositius de gran rendiment FINFET/CMOS
SIGE selectiu epi en font/desguàs;
Introducció de la tensió, millorant la mobilitat i reduint la resistència.
3. Dispositius RF (RF CMOS, HBT)
Controlada amb precisió Sige Epi Layer forma estructures heterogènies (com Sige HBT);
Proporciona una millor resposta de freqüència i característiques de baix soroll.
6. Reptes del procés EPI
| Repte | Il·lustrar |
| Control de defectes de gelosia | La capa EPI ha de mantenir una baixa densitat de luxació (per exemple, TDD <1E4) |
| Control de precisió de dopatge | Per aconseguir una variació del <5%, sobretot en estructures de diverses capes |
| Neteja de la interfície | Les impureses/oxidació de la interfície poden causar desajustos de cristall i degradació elèctrica |
| Control de l'alçada de pas/escales | Requisits elevats per a la fotolitografia i la planitud posteriors |
| Costar | L’equip EPI és car, lent i costós |
7. Relació entre EPI i altres tecnologies
| Tecnologia | Familiar |
| Soi | EPI es pot conrear en capes de silici per a la fabricació de dispositius |
| Finfet | Source/Drain sovint utilitza EPI selectiu per introduir la tensió |
| Súper junt | Múltiples capes de tipus EPI alternat de tipus P/N formen una estructura MOS d'alta tensió |
| CMO d’alta tensió | La capa EPI constitueix una regió de deriva d’alta tensió i optimitza conjuntament RON i BV amb la capa enterrada |
Sumar
| Projecte | Contingut |
| Propòsit | Proporcionar estructures de cristall únic controlades per dopatge |
| Camí | Dipòsit de vapor químic (CVD) Epitaxi de cristall únic en hòsties |
| Aplicació | Dispositius d’alta tensió, RF, FINFET, SOI, dispositius d’alimentació, etc. |
| Repte | Defectes de cristall, precisió de dopatge, plana de superfície, cost |