Bagaimana lapisan epitaksial membantu perangkat semikonduktor?

Asal usul nama wafer epitaksial

Pertama, mari kita jelaskan sebuah konsep sederhana: persiapan wafer mencakup dua tahapan utama: persiapan substrat dan proses epitaksi. Substrat adalah wafer yang terbuat dari material kristal tunggal semikonduktor. Substrat dapat langsung masuk ke proses pembuatan wafer untuk menghasilkan perangkat semikonduktor, atau dapat diproses melalui proses epitaksi untuk menghasilkan wafer epitaksi. Epitaksi mengacu pada proses menumbuhkan lapisan kristal tunggal baru pada substrat kristal tunggal yang telah diproses dengan cermat melalui pemotongan, penggerindaan, pemolesan, dan lain-lain. Kristal tunggal baru tersebut dapat berupa material yang sama dengan substrat, atau dapat berupa material yang berbeda (epitaksi homogen atau heteroepitaksi). Karena lapisan kristal tunggal baru meluas dan tumbuh sesuai dengan fase kristal substrat, maka disebut lapisan epitaksial (ketebalannya biasanya beberapa mikron, dengan mengambil silikon sebagai contoh: arti pertumbuhan epitaksial silikon adalah pada substrat kristal tunggal silikon dengan orientasi kristal tertentu. Lapisan kristal dengan integritas struktur kisi yang baik dan resistivitas serta ketebalan yang berbeda dengan orientasi kristal yang sama dengan substrat ditumbuhkan), dan substrat dengan lapisan epitaksial disebut wafer epitaksial (wafer epitaksial = lapisan epitaksial + substrat). Ketika perangkat dibuat di atas lapisan epitaksial, itu disebut epitaksi positif. Jika perangkat dibuat di atas substrat, itu disebut epitaksi terbalik. Pada saat ini, lapisan epitaksial hanya berperan sebagai pendukung.

Wafer yang dipoles

Metode pertumbuhan epitaksial

Epitaksi berkas molekuler (MBE): Ini adalah teknologi pertumbuhan epitaksi semikonduktor yang dilakukan dalam kondisi vakum ultra-tinggi. Dalam teknik ini, bahan sumber diuapkan dalam bentuk berkas atom atau molekul dan kemudian diendapkan pada substrat kristal. MBE adalah teknologi pertumbuhan film tipis semikonduktor yang sangat presisi dan terkontrol yang dapat mengontrol ketebalan material yang diendapkan secara tepat pada tingkat atom.
Metal organic CVD (MOCVD): Dalam proses MOCVD, logam organik dan gas hidrida N2 yang mengandung unsur-unsur yang dibutuhkan dialirkan ke substrat pada suhu yang sesuai, mengalami reaksi kimia untuk menghasilkan material semikonduktor yang dibutuhkan, dan diendapkan pada substrat, sementara senyawa dan produk reaksi yang tersisa dibuang.
Epitaksi fase uap (VPE): Epitaksi fase uap adalah teknologi penting yang umum digunakan dalam produksi perangkat semikonduktor. Prinsip dasarnya adalah mengangkut uap zat unsur atau senyawa dalam gas pembawa, dan mengendapkan kristal pada substrat melalui reaksi kimia.

Masalah apa yang dipecahkan oleh proses epitaksi?

Material kristal tunggal massal saja tidak dapat memenuhi kebutuhan manufaktur berbagai perangkat semikonduktor yang terus berkembang. Oleh karena itu, pertumbuhan epitaksial, teknologi pertumbuhan material kristal tunggal lapisan tipis, dikembangkan pada akhir tahun 1959. Jadi, apa kontribusi spesifik teknologi epitaksi terhadap kemajuan material?

Untuk silikon, ketika teknologi pertumbuhan epitaksial silikon dimulai, itu benar-benar masa yang sulit untuk produksi transistor silikon frekuensi tinggi dan daya tinggi. Dari perspektif prinsip transistor, untuk mendapatkan frekuensi tinggi dan daya tinggi, tegangan tembus area kolektor harus tinggi dan resistansi seri harus kecil, yaitu, penurunan tegangan saturasi harus kecil. Yang pertama membutuhkan resistivitas material di area kolektor yang tinggi, sedangkan yang kedua membutuhkan resistivitas material di area kolektor yang rendah. Kedua persyaratan tersebut saling bertentangan. Jika ketebalan material di area kolektor dikurangi untuk mengurangi resistansi seri, wafer silikon akan terlalu tipis dan rapuh untuk diproses. Jika resistivitas material dikurangi, itu akan bertentangan dengan persyaratan pertama. Namun, pengembangan teknologi epitaksial telah berhasil memecahkan kesulitan ini.

Solusi: Tumbuhkan lapisan epitaksial dengan resistivitas tinggi pada substrat dengan resistansi sangat rendah, dan buat perangkat di atas lapisan epitaksial tersebut. Lapisan epitaksial dengan resistivitas tinggi ini memastikan bahwa tabung memiliki tegangan tembus yang tinggi, sementara substrat dengan resistansi rendah juga mengurangi resistansi substrat, sehingga mengurangi penurunan tegangan saturasi, dan dengan demikian menyelesaikan kontradiksi antara keduanya.

Selain itu, teknologi epitaksi seperti epitaksi fase uap dan epitaksi fase cair GaAs dan material semikonduktor senyawa molekuler III-V, II-VI, dan lainnya juga telah berkembang pesat dan menjadi dasar bagi sebagian besar perangkat gelombang mikro, perangkat optoelektronik, dan perangkat daya. Teknologi ini merupakan teknologi proses yang sangat diperlukan untuk produksi perangkat, terutama keberhasilan penerapan teknologi epitaksi fase uap berkas molekuler dan organometalik pada lapisan tipis, superlatis, sumur kuantum, superlatis tegang, dan epitaksi lapisan tipis tingkat atom, yang merupakan langkah baru dalam penelitian semikonduktor. Pengembangan "rekayasa sabuk energi" di bidang ini telah meletakkan fondasi yang kokoh.

Dalam aplikasi praktis, perangkat semikonduktor celah pita lebar hampir selalu dibuat pada lapisan epitaksial, dan wafer silikon karbida itu sendiri hanya berfungsi sebagai substrat. Oleh karena itu, pengendalian lapisan epitaksial merupakan bagian penting dari industri semikonduktor celah pita lebar.

7 keterampilan utama dalam teknologi epitaksi

1. Lapisan epitaksial dengan resistansi tinggi (rendah) dapat ditumbuhkan secara epitaksial pada substrat dengan resistansi rendah (tinggi).
2. Lapisan epitaksial tipe N (P) dapat ditumbuhkan secara epitaksial pada substrat tipe P (N) untuk membentuk sambungan PN secara langsung. Tidak ada masalah kompensasi ketika menggunakan metode difusi untuk membuat sambungan PN pada substrat kristal tunggal.
3. Dikombinasikan dengan teknologi masker, pertumbuhan epitaksial selektif dilakukan di area yang ditentukan, menciptakan kondisi untuk produksi sirkuit terpadu dan perangkat dengan struktur khusus.
4. Jenis dan konsentrasi doping dapat diubah sesuai kebutuhan selama proses pertumbuhan epitaksial. Perubahan konsentrasi dapat berupa perubahan mendadak atau perubahan bertahap.
5. Ia dapat menumbuhkan senyawa heterogen, berlapis-lapis, multi-komponen, dan lapisan ultra-tipis dengan komponen yang bervariasi.
6. Pertumbuhan epitaksial dapat dilakukan pada suhu yang lebih rendah dari titik leleh material, laju pertumbuhannya dapat dikendalikan, dan pertumbuhan epitaksial dengan ketebalan tingkat atom dapat dicapai.
7. Alat ini dapat menumbuhkan material kristal tunggal yang tidak dapat ditarik, seperti GaN, lapisan kristal tunggal senyawa tersier dan kuaterner, dan lain sebagainya.