Kuidas epitaksiaalsed kihid pooljuhtseadiseid aitavad?

Epitaksiaalse vahvli nime päritolu

Esiteks populariseerime ühte väikest kontseptsiooni: kiibi ettevalmistamine hõlmab kahte peamist lüli: substraadi ettevalmistamist ja epitaksiaalset protsessi. Substraat on pooljuhtmonokristallmaterjalist valmistatud kiip. Substraat võib otse kiibi tootmisprotsessi siseneda pooljuhtseadmete tootmiseks või seda saab epitaksiaalsete protsesside abil töödelda epitaksiaalsete kiipide tootmiseks. Epitaksia viitab protsessile, mille käigus kasvatatakse uus monokristalli kiht monokristalli substraadile, mida on hoolikalt töödeldud lõikamise, lihvimise, poleerimise jms abil. Uus monokristall võib olla samast materjalist kui substraat või see võib olla erinevast materjalist (homogeenne) (epitaksia või heteroepitaksia). Kuna uus monokristallkiht laieneb ja kasvab vastavalt aluspinna kristallifaasile, nimetatakse seda epitaksiaalseks kihiks (paksus on tavaliselt paar mikronit, näiteks räni puhul: räni epitaksiaalse kasvu tähendus on räni monokristalli aluspinnal, millel on teatud kristalli orientatsioon. Kasvatatakse kristallikihti, millel on hea võrestruktuuri terviklikkus ning erinev takistus ja paksus sama kristalli orientatsiooniga kui aluspinnal) ning epitaksiaalse kihiga aluspinda nimetatakse epitaksiaalseks vahvliks (epitaksiaalne vahvel = epitaksiaalne kiht + aluspind). Kui seade on valmistatud epitaksiaalsel kihil, nimetatakse seda positiivseks epitaksiaks. Kui seade on valmistatud aluspinnal, nimetatakse seda pöördepitaksiaks. Sel ajal mängib epitaksiaalne kiht ainult toetavat rolli.

Poleeritud vahvel

Epitaksiaalsed kasvumeetodid

Molekulaarkiirepitaksia (MBE): see on pooljuhtide epitaksiaalne kasvutehnoloogia, mida teostatakse ülikõrge vaakumi tingimustes. Selle tehnika puhul aurustatakse lähtematerjal aatomite või molekulide kimbu kujul ja seejärel sadestatakse kristallilisele aluspinnale. MBE on väga täpne ja kontrollitav pooljuhtide õhukese kile kasvutehnoloogia, mis võimaldab täpselt kontrollida sadestatud materjali paksust aatomi tasandil.
Metallorgaaniline CVD (MOCVD): MOCVD protsessis juhitakse substraadile sobival temperatuuril orgaaniline metall ja vajalikke elemente sisaldav hüdriidgaas N2, mis läbib keemilise reaktsiooni vajaliku pooljuhtmaterjali saamiseks ja sadestub substraadile, samal ajal kui ülejäänud ühendid ja reaktsioonisaadused eralduvad.
Aurfaasiepitaksia (VPE): Aurfaasiepitaksia on oluline tehnoloogia, mida tavaliselt kasutatakse pooljuhtseadmete tootmisel. Põhiprintsiip on elementaarainete või ühendite auru transportimine kandegaasis ja kristallide sadestamine aluspinnale keemiliste reaktsioonide abil.

Milliseid probleeme epitaksiaalne protsess lahendab?

Ainult hulgi monokristallmaterjalid ei suuda rahuldada mitmesuguste pooljuhtseadmete tootmise kasvavaid vajadusi. Seetõttu töötati 1959. aasta lõpus välja epitaksiaalne kasv, õhukese kihi monokristallmaterjalide kasvutehnoloogia. Milline on siis epitaksiaalse tehnoloogia konkreetne panus materjalide arengusse?

Räni puhul oli räni epitaksiaalse kasvutehnoloogia algusaegadel räni kõrgsageduslike ja suure võimsusega transistoride tootmiseks tõeliselt keeruline aeg. Transistori põhimõtete seisukohast peab kõrge sageduse ja suure võimsuse saavutamiseks kollektori ala läbilöögipinge olema kõrge ja seeriatakistus väike, st küllastuspinge langus peab olema väike. Esimene nõuab, et materjali eritakistus kogumispiirkonnas oleks kõrge, samas kui teine ​​nõuab, et materjali eritakistus kogumispiirkonnas oleks madal. Need kaks nõuet on teineteisele vastuolulised. Kui materjali paksust kollektori piirkonnas vähendatakse seeriatakistuse vähendamiseks, on räniplaat töötlemiseks liiga õhuke ja habras. Kui materjali eritakistust vähendatakse, on see vastuolus esimese nõudega. Epitaksiaalse tehnoloogia arendamine on aga selle raskuse edukalt lahendanud.

Lahendus: Kasvatage ülimadala takistusega aluspinnale suure takistusega epitaksiaalkiht ja valmistage seade epitaksiaalkihile. See suure takistusega epitaksiaalkiht tagab toru kõrge läbilöögipinge, samas kui madala takistusega aluspind vähendab ka aluspinna takistust, vähendades seeläbi küllastuspinge langust ja lahendades seeläbi vastuolu nende kahe vahel.

Lisaks on oluliselt arenenud epitaksiatehnoloogiad, näiteks GaAs-i ja teiste III-V, II-VI ning muude molekulaarsete ühendite pooljuhtmaterjalide aurfaasiepitaksia ja vedelfaasiepitaksia, mis on saanud enamiku mikrolaineahjude, optoelektroonikaseadmete ja võimsusseadmete aluseks. See on seadmete tootmisel asendamatu protsessitehnoloogia, eriti molekulaarkiire ja metallorgaanilise aurfaasiepitaksia tehnoloogia edukas rakendamine õhukeste kihtide, ülivõrede, kvantkaevude, pingestatud ülivõrede ja aatomitaseme õhukese kihi epitaksia puhul, mis on uus samm pooljuhtide uurimises. "Energiavöö inseneriteaduse" arendamine selles valdkonnas on loonud kindla aluse.

Praktikas valmistatakse laia keelutsooniga pooljuhtseadiseid peaaegu alati epitaksiaalkihil ja ränikarbiidist vahvel ise toimib ainult alusmaterjalina. Seetõttu on epitaksiaalkihi juhtimine laia keelutsooniga pooljuhtide tööstuse oluline osa.

7 peamist oskust epitaksiatehnoloogias

1. Kõrge (madala) takistusega epitaksiaalseid kihte saab epitaksiaalselt kasvatada madala (kõrge) takistusega aluspindadele.
2. N(P)-tüüpi epitaksiaalkihti saab epitaksiaalselt kasvatada P(N)-tüüpi aluspinnale, moodustades otse PN-siirde. Difusioonmeetodil monokristalli aluspinnale PN-siirde loomisel ei teki kompensatsiooniprobleeme.
3. Koos maskitehnoloogiaga teostatakse selektiivset epitaksiaalset kasvatamist määratud piirkondades, luues tingimused integraallülituste ja spetsiaalse struktuuriga seadmete tootmiseks.
4. Epitaksiaalse kasvuprotsessi käigus saab legeeriva aine tüüpi ja kontsentratsiooni vastavalt vajadusele muuta. Kontsentratsiooni muutus võib olla järsk või aeglane.
5. See võib kasvatada heterogeenseid, mitmekihilisi, mitmekomponendilisi ühendeid ja üliõhukesi kihte muutuvate komponentidega.
6. Epitaksiaalset kasvu saab läbi viia materjali sulamistemperatuurist madalamal temperatuuril, kasvukiirus on kontrollitav ja saavutada aatomitaseme paksuse epitaksiaalne kasv.
7. See suudab kasvatada monokristallilisi materjale, mida ei saa tõmmata, näiteks GaN, tertsiaarsete ja kvaternaarsete ühendite monokristallkihid jne.