Der Ursprung des Namens Epitaxiewafer
Zunächst ein kurzes Konzept: Die Wafervorbereitung umfasst zwei wichtige Schritte: die Substratvorbereitung und den Epitaxieprozess. Das Substrat ist ein Wafer aus Halbleiter-Einkristallmaterial. Das Substrat kann direkt in den Waferherstellungsprozess zur Herstellung von Halbleiterbauelementen einfließen oder durch Epitaxieprozesse zu epitaktischen Wafern verarbeitet werden. Epitaxie bezeichnet das Züchten einer neuen Einkristallschicht auf einem sorgfältig durch Schneiden, Schleifen, Polieren usw. bearbeiteten Einkristallsubstrat. Der neue Einkristall kann aus demselben Material wie das Substrat bestehen oder aus einem anderen Material (homogene Epitaxie oder Heteroepitaxie). Da sich die neue Einkristallschicht entsprechend der Kristallphase des Substrats ausdehnt und wächst, wird sie als epitaktische Schicht bezeichnet (die Dicke beträgt üblicherweise einige Mikrometer. Am Beispiel von Silizium: Epitaktisches Siliziumwachstum bedeutet, dass auf einem Silizium-Einkristallsubstrat mit einer bestimmten Kristallorientierung eine Kristallschicht mit guter Gitterstrukturintegrität und unterschiedlichem spezifischen Widerstand sowie unterschiedlicher Dicke mit der gleichen Kristallorientierung wie das Substrat wächst). Das Substrat mit der epitaktischen Schicht wird als epitaktischer Wafer bezeichnet (epitaktischer Wafer = epitaktische Schicht + Substrat). Wenn das Gerät auf der epitaktischen Schicht hergestellt wird, spricht man von positiver Epitaxie. Wenn das Gerät auf dem Substrat hergestellt wird, spricht man von umgekehrter Epitaxie. Zu diesem Zeitpunkt spielt die epitaktische Schicht nur eine unterstützende Rolle.
Polierter Wafer
Epitaktische Wachstumsverfahren
Molekularstrahlepitaxie (MBE): Es handelt sich um eine epitaktische Halbleiter-Wachstumstechnologie unter Ultrahochvakuumbedingungen. Bei dieser Technik wird Ausgangsmaterial in Form eines Atom- oder Molekülstrahls verdampft und anschließend auf einem kristallinen Substrat abgeschieden. MBE ist eine hochpräzise und steuerbare Halbleiter-Dünnschicht-Wachstumstechnologie, die die Dicke des abgeschiedenen Materials auf atomarer Ebene präzise steuern kann.
Metallorganische CVD (MOCVD): Beim MOCVD-Prozess werden organische Metalle und Hydridgase (N-Gas), die die erforderlichen Elemente enthalten, bei einer geeigneten Temperatur dem Substrat zugeführt, durchlaufen eine chemische Reaktion zur Erzeugung des erforderlichen Halbleitermaterials und werden auf dem Substrat abgeschieden, während die verbleibenden Verbindungen und Reaktionsprodukte entladen werden.
Dampfphasenepitaxie (VPE): Die Dampfphasenepitaxie ist eine wichtige Technologie, die häufig bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt wird. Das Grundprinzip besteht darin, den Dampf elementarer Substanzen oder Verbindungen in einem Trägergas zu transportieren und durch chemische Reaktionen Kristalle auf dem Substrat abzuscheiden.
Welche Probleme löst das Epitaxieverfahren?
Der wachsende Bedarf an Halbleiterbauelementen lässt sich allein durch massive Einkristallmaterialien nicht decken. Daher wurde Ende 1959 das epitaktische Wachstum entwickelt, eine Technologie zur Züchtung dünner Einkristallschichten. Welchen konkreten Beitrag leistet die Epitaxietechnologie zur Materialentwicklung?
Zu Beginn der epitaktischen Silizium-Wachstumstechnologie war die Produktion von Silizium-Hochfrequenz- und Hochleistungstransistoren wirklich schwierig. Aus Transistorprinzipsicht muss zur Erzielung hoher Frequenzen und hoher Leistungen die Durchbruchspannung des Kollektorbereichs hoch und der Serienwiderstand niedrig sein, d. h. der Sättigungsspannungsabfall darf nicht zu groß sein. Ersteres erfordert einen hohen spezifischen Widerstand des Materials im Kollektorbereich, während Letzteres einen niedrigen spezifischen Widerstand des Materials im Kollektorbereich erfordert. Diese beiden Bereiche stehen im Widerspruch zueinander. Würde man die Materialdicke im Kollektorbereich verringern, um den Serienwiderstand zu senken, würde der Siliziumwafer zu dünn und zu brüchig für die Verarbeitung. Würde man den spezifischen Widerstand des Materials verringern, widerspräche dies der ersten Anforderung. Die Entwicklung der Epitaxietechnologie hat dieses Problem jedoch erfolgreich gelöst.
Lösung: Wachsen Sie eine hochohmige Epitaxieschicht auf einem Substrat mit extrem niedrigem Widerstand und bauen Sie das Gerät auf dieser Epitaxieschicht auf. Diese hochohmige Epitaxieschicht sorgt für eine hohe Durchbruchspannung der Röhre, während das Substrat mit niedrigem Widerstand den Widerstand des Substrats verringert und so den Sättigungsspannungsabfall reduziert. Dadurch wird der Widerspruch zwischen beiden aufgelöst.
Darüber hinaus wurden Epitaxietechnologien wie die Dampfphasenepitaxie und die Flüssigphasenepitaxie von GaAs und anderen III-V-, II-VI- und anderen molekularen Verbindungshalbleitermaterialien stark weiterentwickelt und bilden die Grundlage für die meisten Mikrowellengeräte, optoelektronischen Geräte und Leistungsbauelemente. Sie sind eine unverzichtbare Prozesstechnologie für die Herstellung von Geräten, insbesondere die erfolgreiche Anwendung der Molekularstrahl- und metallorganischen Dampfphasenepitaxietechnologie in dünnen Schichten, Übergittern, Quantentöpfen, gespannten Übergittern und der Dünnschichtepitaxie auf atomarer Ebene, die einen neuen Schritt in der Halbleiterforschung darstellt. Die Entwicklung der „Energiegürteltechnik“ in diesem Bereich hat eine solide Grundlage gelegt.
In der Praxis werden Halbleiterbauelemente mit großem Bandabstand fast immer auf der Epitaxieschicht hergestellt, und der Siliziumkarbid-Wafer selbst dient lediglich als Substrat. Daher ist die Kontrolle der Epitaxieschicht ein wichtiger Bestandteil der Halbleiterindustrie mit großem Bandabstand.
7 wichtige Fähigkeiten in der Epitaxie-Technologie
1. Epitaktische Schichten mit hohem (niedrigem) Widerstand können epitaktisch auf Substraten mit niedrigem (hohem) Widerstand aufgewachsen werden.
2. Die epitaktische Schicht vom N(P)-Typ kann epitaktisch auf dem P(N)-Typ-Substrat aufgewachsen werden, um direkt einen PN-Übergang zu bilden. Bei der Herstellung eines PN-Übergangs auf einem Einkristallsubstrat durch Diffusion gibt es kein Kompensationsproblem.
3. In Kombination mit der Maskentechnologie wird in bestimmten Bereichen ein selektives epitaktisches Wachstum durchgeführt, wodurch die Voraussetzungen für die Herstellung integrierter Schaltkreise und Geräte mit speziellen Strukturen geschaffen werden.
4. Art und Konzentration der Dotierung können während des epitaktischen Wachstumsprozesses je nach Bedarf geändert werden. Die Konzentrationsänderung kann plötzlich oder langsam erfolgen.
5. Es können heterogene, mehrschichtige, mehrkomponentige Verbindungen und ultradünne Schichten mit variablen Komponenten gezüchtet werden.
6. Epitaktisches Wachstum kann bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Materials durchgeführt werden, die Wachstumsrate ist steuerbar und epitaktisches Wachstum mit einer Dicke auf atomarer Ebene kann erreicht werden.
7. Es können Einkristallmaterialien gezüchtet werden, die nicht gezogen werden können, wie z. B. GaN, Einkristallschichten aus tertiären und quaternären Verbindungen usw.
Veröffentlichungszeit: 13. Mai 2024