FAB PROCESS — DEEP DIVE

Selective Epitaxy (SiGe/Si:C):
Selective Epitaxy (SiGe/Si:C)

FABRICATION

01 บทนำ: Epitaxy คืออะไร

ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ Epitaxy (Epi) ถือเป็นหัวใจสำคัญในขั้นตอน Thin Film Deposition ซึ่งเป็นการเติบโตของชั้นฟิล์มบางบนพื้นผิวผลึกเดี่ยว (Substrate) โดยที่ชั้นที่เติบโตขึ้นมานั้นจะมีโครงสร้างผลึกที่ต่อเนื่องและสอดคล้อง (Lattice orientation) กับพื้นผิวเดิมอย่างสมบูรณ์ ต่างจากกระบวนการ CVD ทั่วไปที่มักจะได้ฟิล์มแบบ Polycrystalline หรือ Amorphous

ความสำคัญของ Epitaxy ในยุคปัจจุบันไม่ได้จำกัดอยู่แค่การสร้าง Si-epitaxial layer บน Si-wafer เท่านั้น แต่ยังขยายไปถึงการสร้าง Heteroepitaxy เช่น การปลูกชั้น SiGe บน Si เพื่อสร้าง Strain Engineering ช่วยเพิ่ม Mobility ของพาหะประจุในช่องสัญญาณ (Channel) ของ Transistor ซึ่งเป็นกลไกหลักที่ช่วยให้ประสิทธิภาพของ Chip สูงขึ้นตามกฎของ Moore โดยไม่ต้องลดขนาดกระบวนการผลิตเพียงอย่างเดียว

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT

STAGE 03 — THIN FILM DEPOSITION: Oxidation, CVD, ALD & Epitaxy
Thermal oxidation (Deal-Grove), LPCVD, PECVD (SiO₂/SiN/poly-Si), ALD (Al₂O₃/HfO₂ สำหรับ high-k gate dielectric), PVD sputtering, selective epitaxy (SiGe/Si:C)
Equipment: Furnace, PECVD reactor, ALD chcyan, MBE system
Path: Process / Fab Engineer

02 หลักการพื้นฐาน

กลไกทางฟิสิกส์หลักของ Epitaxy อ้างอิงจากหลักการทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) และจลนพลศาสตร์ (Kinetics) ของการเคลื่อนที่บนพื้นผิว โดยเป้าหมายคือการให้สารตั้งต้น (Precursor) เคลื่อนที่บนพื้นผิว (Surface Diffusion) ไปยังตำแหน่ง Kink site หรือ Step edge เพื่อรักษาโครงสร้างผลึกเดิมเอาไว้ ซึ่งอธิบายได้ด้วยพลังงานกระตุ้น (Activation Energy) และอุณหภูมิที่เหมาะสม

อัตราการเติบโตของฟิล์ม ($R$) มักขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นและการแพร่ผ่านชั้น Boundary layer ดังสมการ: $R = k_s \cdot C_s$ โดยที่ $k_s$ คือ Surface reaction rate constant ซึ่งแปรผันตามอุณหภูมิด้วยสมการของ Arrhenius: $k_s = A \cdot \exp\left(-\frac{E_a}{kT}\right)$ การควบคุมอุณหภูมิและอัตราการไหลของก๊าซ (เช่น $SiH_4$ หรือ $SiH_2Cl_2$) จึงเป็นปัจจัยวิกฤตในการรักษาคุณภาพผลึกและลดการเกิด Defect เช่น Stacking faults หรือ Dislocation

03 กระบวนการและขั้นตอน

กระบวนการผลิตในระดับอุตสาหกรรมมักใช้เทคนิค Chemical Vapor Deposition (CVD) ที่ควบคุมสภาวะอุณหภูมิสูง เพื่อให้เกิดการจัดเรียงตัวของอะตอมได้อย่างแม่นยำ ลำดับขั้นตอนเริ่มจากการทำ In-situ Cleaning โดยใช้ก๊าซ $H_2$ ที่อุณหภูมิสูงเพื่อกำจัดชั้น Oxide ธรรมชาติ (Native Oxide) บนพื้นผิวเวเฟอร์ ก่อนจะเริ่มป้อนก๊าซ Precursor เข้าไป

ในเทคนิค Selective Epitaxial Growth (SEG) วิศวกรจะใช้การควบคุมสมดุลระหว่างการ Deposition และ Etching โดยการเติมก๊าซ HCl ลงไปในกระบวนการ เพื่อกำจัดอะตอมที่จับตัวบนฉนวน (เช่น $SiO_2$ หรือ $Si_3N_4$) แต่ยังปล่อยให้อะตอมเติบโตบนพื้นผิวซิลิกอนที่เป็นผลึกได้ สิ่งนี้ช่วยในการสร้างโครงสร้าง Raised Source/Drain ในอุปกรณ์แบบ FinFET เพื่อลดความต้านทานสัมผัส (Contact resistance) และเพิ่มประสิทธิภาพในการส่งผ่านกระแสไฟฟ้า

04 เทคนิคขั้นสูง

เมื่อก้าวเข้าสู่ยุค sub-5nm ความท้าทายหลักอยู่ที่การควบคุมการแพร่กระจายของสารเจือปน (Dopant Autodoping) และการรักษาความคมชัดของรอยต่อ (Junction abruptness) การลดอุณหภูมิในกระบวนการ (Low-Temperature Epitaxy) กลายเป็นสิ่งที่จำเป็นเพื่อป้องกันไม่ให้สารเจือปนเคลื่อนที่ (Thermal diffusion) ซึ่งจะทำลายคุณสมบัติทางไฟฟ้าของ Channel

นอกจากนี้ การใช้ MBE (Molecular Beam Epitaxy) ยังถูกนำมาใช้ในงานวิจัยและงานเฉพาะทางที่ต้องการความแม่นยำในระดับชั้นอะตอม (Atomic Layer Precision) สำหรับอุปกรณ์ประเภท Compound Semiconductors หรือการทำ Quantum Well Structures ซึ่งการปรับจูนความเครียดในผลึก (Strain Engineering) ด้วยวัสดุอย่าง SiGe หรือ Si:C ต้องใช้ความแม่นยำสูงมากเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด Relaxed layer ที่จะนำไปสู่ปัญหา Performance degradation

05 เครื่องมือและอุปกรณ์

อุตสาหกรรมในปัจจุบันพึ่งพาเครื่องมือระดับ High-end จากผู้ผลิตหลักเพื่อรักษาความแม่นยำในการผลิต:

Applied Materials (AMAT): ผู้นำด้าน Epi Reactor ระบบ Single-wafer (เช่น รุ่น Centura) ที่เน้นความสม่ำเสมอของชั้นฟิล์ม
ASM International: โดดเด่นในเทคโนโลยี Epitaxial Deposition สำหรับกระบวนการขั้นสูง
Tokyo Electron (TEL): ผู้ผลิตเครื่องมือ LPCVD และ Epi ที่มีประสิทธิภาพสูงในตลาดเอเชีย

สำหรับการตรวจสอบ (Metrology) จะมีการใช้ Spectroscopic Ellipsometry เพื่อวัดความหนาของชั้นฟิล์มแบบไม่ทำลาย (Non-destructive) และ High-Resolution TEM (HRTEM) เพื่อตรวจสอบคุณภาพผลึกในระดับ Atomic scale เพื่อให้มั่นใจว่ากระบวนการผลิตเป็นไปตามข้อกำหนดทางไฟฟ้า (Design Rule Check - DRC)

06 การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

ในโรงงานระดับ Leading-edge Foundry เช่น TSMC, Intel และ Samsung กระบวนการ Epitaxy คือขั้นตอนที่ถูกควบคุมเข้มงวดที่สุด เนื่องจากส่งผลโดยตรงต่อค่า Threshold Voltage ($V_t$) และ Drive Current ($I_{on}$) ของ Transistor ทุกตัวบนชิป การประยุกต์ใช้ Strain Engineering ผ่าน Epitaxy ช่วยให้บริษัทเหล่านี้สามารถผลิตชิปประมวลผลประสิทธิภาพสูง (High-Performance Computing - HPC) และชิปสำหรับ AI ที่ใช้พลังงานต่ำลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ความร่วมมือในห่วงโซ่อุปทานระดับโลกครอบคลุมตั้งแต่การจัดหา Precursor ก๊าซความบริสุทธิ์สูง (Ultra-high purity gases) ไปจนถึงการพัฒนาระบบควบคุมซอฟต์แวร์ที่แม่นยำ ซึ่งเทคโนโลยีนี้ถือเป็นเกราะป้องกันความได้เปรียบทางการแข่งขันของยักษ์ใหญ่ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ การพัฒนา Epitaxy ในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่การลดการใช้พลังงานในกระบวนการผลิตและการเพิ่มขีดความสามารถในการปลูกผลึกบนวัสดุใหม่ๆ เช่น Gallium Nitride (GaN) เพื่อก้าวเข้าสู่ยุคพลังงานสีเขียวและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง