Comment les couches épitaxiales aident-elles les dispositifs semi-conducteurs ?

L'origine du nom de plaquette épitaxiale

Commençons par vulgariser un concept : la préparation d'une plaquette comprend deux étapes principales : la préparation du substrat et le processus d'épitaxie. Le substrat est une plaquette constituée d'un matériau monocristallin semi-conducteur. Il peut être directement intégré au processus de fabrication pour produire des dispositifs semi-conducteurs, ou traité par épitaxie pour produire des plaquettes épitaxiées. L'épitaxie désigne le processus de croissance d'une nouvelle couche de monocristal sur un substrat monocristallin soigneusement traité par découpe, meulage, polissage, etc. Le nouveau monocristal peut être constitué du même matériau que le substrat ou d'un matériau différent (épitaxie homogène ou hétéroépitaxie). Étant donné que la nouvelle couche monocristalline s'étend et croît en fonction de la phase cristalline du substrat, on parle de couche épitaxiale (l'épaisseur est généralement de quelques microns, en prenant l'exemple du silicium : la croissance épitaxiale du silicium se fait sur un substrat monocristallin de silicium avec une certaine orientation cristalline. Une couche de cristal avec une bonne intégrité de la structure du réseau et une résistivité et une épaisseur différentes avec la même orientation cristalline que le substrat est cultivée), et le substrat avec la couche épitaxiale est appelé une plaquette épitaxiale (plaquette épitaxiale = couche épitaxiale + substrat). Lorsque le dispositif est fabriqué sur la couche épitaxiale, on parle d'épitaxie positive. Si le dispositif est fabriqué sur le substrat, on parle d'épitaxie inverse. À ce stade, la couche épitaxiale ne joue qu'un rôle de support.

Plaquette polie

Méthodes de croissance épitaxiale

Épitaxie par jets moléculaires (MBE) : Il s'agit d'une technologie de croissance épitaxiale de semi-conducteurs réalisée sous ultravide. Dans cette technique, le matériau source est évaporé sous forme d'un faisceau d'atomes ou de molécules, puis déposé sur un substrat cristallin. L'MBE est une technologie de croissance de couches minces de semi-conducteurs très précise et contrôlable, permettant de contrôler précisément l'épaisseur du matériau déposé à l'échelle atomique.
CVD organométallique (MOCVD) : Dans le processus MOCVD, le métal organique et le gaz hydrure N contenant les éléments requis sont fournis au substrat à une température appropriée, subissent une réaction chimique pour générer le matériau semi-conducteur requis et sont déposés sur le substrat, tandis que les composés restants et les produits de réaction sont déchargés.
Épitaxie en phase vapeur (EPV) : L'épitaxie en phase vapeur est une technologie importante, couramment utilisée dans la production de semi-conducteurs. Son principe de base consiste à transporter la vapeur de substances ou de composés élémentaires dans un gaz porteur et à déposer des cristaux sur le substrat par réactions chimiques.

Quels problèmes le procédé d’épitaxie résout-il ?

Les matériaux monocristallins massifs ne suffisent pas à eux seuls à répondre aux besoins croissants de fabrication de divers dispositifs semi-conducteurs. C'est pourquoi la croissance épitaxiale, une technologie de croissance de matériaux monocristallins en couches minces, a été développée fin 1959. Quelle est donc la contribution concrète de la technologie épitaxiale au progrès des matériaux ?

Pour le silicium, lorsque la technologie de croissance épitaxiale du silicium a débuté, la production de transistors haute fréquence et haute puissance était particulièrement difficile. Du point de vue des transistors, pour obtenir une fréquence et une puissance élevées, la tension de claquage de la zone collectrice doit être élevée et la résistance série faible, c'est-à-dire la chute de tension de saturation réduite. La première exigence requiert une résistivité élevée du matériau de la zone collectrice, tandis que la seconde exige une résistivité faible. Ces deux exigences sont contradictoires. Si l'épaisseur du matériau de la zone collectrice est réduite pour réduire la résistance série, la plaquette de silicium sera trop fine et fragile pour être usinée. Une réduction de la résistivité du matériau contredit la première exigence. Cependant, le développement de la technologie épitaxiale a permis de résoudre ce problème.

Solution : Développez une couche épitaxiale à haute résistivité sur un substrat à très faible résistance et fabriquez le dispositif sur cette couche. Cette couche épitaxiale à haute résistivité garantit une tension de claquage élevée au tube, tandis que le substrat à faible résistance réduit également la résistance du substrat, réduisant ainsi la chute de tension de saturation, résolvant ainsi la contradiction entre les deux.

Français De plus, les technologies d'épitaxie telles que l'épitaxie en phase vapeur et l'épitaxie en phase liquide de GaAs et d'autres matériaux semi-conducteurs III-V, II-VI et autres composés moléculaires ont également été considérablement développées et sont devenues la base de la plupart des dispositifs à micro-ondes, des dispositifs optoélectroniques, de l'énergie. Il s'agit d'une technologie de processus indispensable pour la production de dispositifs, en particulier l'application réussie de la technologie d'épitaxie en phase vapeur par jets moléculaires et organométalliques dans les couches minces, les super-réseaux, les puits quantiques, les super-réseaux contraints et l'épitaxie en couche mince au niveau atomique, qui constitue une nouvelle étape dans la recherche sur les semi-conducteurs. Le développement de « l'ingénierie de la ceinture énergétique » dans le domaine a jeté des bases solides.

Dans les applications pratiques, les semi-conducteurs à large bande interdite sont presque toujours fabriqués sur une couche épitaxiale, la plaquette de carbure de silicium servant uniquement de substrat. Par conséquent, le contrôle de la couche épitaxiale est un élément important de l'industrie des semi-conducteurs à large bande interdite.

7 compétences majeures en technologie d'épitaxie

1. Les couches épitaxiales à haute (faible) résistance peuvent être cultivées par épitaxie sur des substrats à faible (haute) résistance.
2. La couche épitaxiale de type N (P) peut être épitaxiée sur un substrat de type P (N) pour former directement une jonction PN. La méthode de diffusion pour réaliser une jonction PN sur un substrat monocristallin ne pose aucun problème de compensation.
3. Combinée à la technologie des masques, une croissance épitaxiale sélective est réalisée dans des zones désignées, créant des conditions pour la production de circuits intégrés et de dispositifs avec des structures spéciales.
4. Le type et la concentration du dopage peuvent être modifiés selon les besoins au cours du processus de croissance épitaxiale. La variation de concentration peut être brutale ou lente.
5. Il peut développer des composés hétérogènes, multicouches, multicomposants et des couches ultra-minces avec des composants variables.
6. La croissance épitaxiale peut être réalisée à une température inférieure au point de fusion du matériau, le taux de croissance est contrôlable et la croissance épitaxiale d'épaisseur au niveau atomique peut être obtenue.
7. Il peut faire croître des matériaux monocristallins qui ne peuvent pas être tirés, tels que le GaN, les couches monocristallines de composés tertiaires et quaternaires, etc.