In che modo gli strati epitassiali aiutano i dispositivi a semiconduttore?

L'origine del nome wafer epitassiale

Innanzitutto, chiariamo un concetto fondamentale: la preparazione dei wafer comprende due fasi principali: la preparazione del substrato e il processo epitassiale. Il substrato è un wafer costituito da un materiale semiconduttore monocristallino. Il substrato può essere utilizzato direttamente nel processo di fabbricazione dei wafer per produrre dispositivi semiconduttori, oppure può essere sottoposto a processi epitassiali per produrre wafer epitassiali. L'epitassia si riferisce al processo di crescita di un nuovo strato di monocristallo su un substrato monocristallino precedentemente lavorato con cura mediante taglio, molatura, lucidatura, ecc. Il nuovo monocristallo può essere dello stesso materiale del substrato, oppure di un materiale diverso (epitassia omogenea o eteroepitassia). Poiché il nuovo strato monocristallino si estende e cresce secondo la fase cristallina del substrato, viene chiamato strato epitassiale (lo spessore è solitamente di pochi micron; prendendo il silicio come esempio: la crescita epitassiale del silicio consiste nella crescita su un substrato monocristallino di silicio con un determinato orientamento cristallino, di uno strato cristallino con buona integrità della struttura reticolare, diversa resistività e spessore, ma con lo stesso orientamento cristallino del substrato). Il substrato con lo strato epitassiale viene chiamato wafer epitassiale (wafer epitassiale = strato epitassiale + substrato). Quando il dispositivo viene realizzato sullo strato epitassiale, si parla di epitassia positiva. Se il dispositivo viene realizzato sul substrato, si parla di epitassia inversa. In questo caso, lo strato epitassiale svolge solo una funzione di supporto.

wafer lucidato

Metodi di crescita epitassiale

Epitassia a fascio molecolare (MBE): è una tecnologia di crescita epitassiale di semiconduttori eseguita in condizioni di ultra-alto vuoto. In questa tecnica, il materiale di partenza viene evaporato sotto forma di fascio di atomi o molecole e quindi depositato su un substrato cristallino. L'MBE è una tecnologia di crescita di film sottili di semiconduttori molto precisa e controllabile, in grado di controllare con precisione lo spessore del materiale depositato a livello atomico.
Deposizione chimica da fase vapore metallorganica (MOCVD): Nel processo MOCVD, un metallo organico e un gas idruro di azoto (N₂) contenente gli elementi richiesti vengono forniti al substrato a una temperatura appropriata, subiscono una reazione chimica per generare il materiale semiconduttore desiderato e vengono depositati sul substrato, mentre i composti rimanenti e i prodotti di reazione vengono scaricati.
Epitassia in fase vapore (VPE): L'epitassia in fase vapore è un'importante tecnologia comunemente utilizzata nella produzione di dispositivi a semiconduttore. Il principio di base consiste nel trasportare il vapore di sostanze o composti elementari in un gas vettore e depositare cristalli sul substrato attraverso reazioni chimiche.

Quali problemi risolve il processo di epitassia?

I soli materiali monocristallini in massa non sono sufficienti a soddisfare le crescenti esigenze di produzione di vari dispositivi a semiconduttore. Pertanto, alla fine del 1959 è stata sviluppata la crescita epitassiale, una tecnologia di crescita di materiali monocristallini a strato sottile. Qual è dunque il contributo specifico della tecnologia epitassiale al progresso dei materiali?

Per quanto riguarda il silicio, quando è iniziata la tecnologia di crescita epitassiale del silicio, la produzione di transistor ad alta frequenza e alta potenza ha rappresentato una vera sfida. Dal punto di vista dei principi di funzionamento dei transistor, per ottenere alta frequenza e alta potenza, la tensione di rottura dell'area del collettore deve essere elevata e la resistenza in serie deve essere bassa, ovvero la caduta di tensione di saturazione deve essere bassa. La prima condizione richiede che la resistività del materiale nell'area del collettore sia elevata, mentre la seconda richiede che la resistività del materiale nell'area del collettore sia bassa. Le due condizioni sono in contraddizione tra loro. Se si riduce lo spessore del materiale nell'area del collettore per diminuire la resistenza in serie, il wafer di silicio risulterà troppo sottile e fragile per essere lavorato. Se si riduce la resistività del materiale, si contraddice la prima condizione. Tuttavia, lo sviluppo della tecnologia epitassiale ha permesso di risolvere con successo questa difficoltà.

Soluzione: far crescere uno strato epitassiale ad alta resistività su un substrato a bassissima resistività e realizzare il dispositivo sullo strato epitassiale. Questo strato epitassiale ad alta resistività garantisce che il transistor abbia un'elevata tensione di rottura, mentre il substrato a bassa resistività riduce anche la resistenza del substrato, diminuendo così la caduta di tensione di saturazione e risolvendo in tal modo la contraddizione tra i due.

Inoltre, le tecnologie di epitassia come l'epitassia in fase vapore e l'epitassia in fase liquida di GaAs e altri materiali semiconduttori composti molecolari III-V, II-VI e altri sono state notevolmente sviluppate e sono diventate la base per la maggior parte dei dispositivi a microonde, dispositivi optoelettronici e dispositivi di potenza. È una tecnologia di processo indispensabile per la produzione di dispositivi, in particolare l'applicazione di successo della tecnologia di epitassia in fase vapore metallorganica a fascio molecolare in strati sottili, superreticoli, pozzi quantici, superreticoli deformati ed epitassia a strato sottile a livello atomico, che rappresenta un nuovo passo nella ricerca sui semiconduttori. Lo sviluppo dell'"ingegneria delle cinture energetiche" in questo campo ha gettato solide basi.

Nelle applicazioni pratiche, i dispositivi a semiconduttore a banda proibita ampia sono quasi sempre realizzati su uno strato epitassiale, e il wafer di carburo di silicio funge unicamente da substrato. Pertanto, il controllo dello strato epitassiale è una parte importante dell'industria dei semiconduttori a banda proibita ampia.

7 competenze fondamentali nella tecnologia dell'epitassia

1. Strati epitassiali ad alta (bassa) resistenza possono essere cresciuti epitaxialmente su substrati a bassa (alta) resistenza.
2. Lo strato epitassiale di tipo N (P) può essere cresciuto epitaxialmente sul substrato di tipo P (N) per formare direttamente una giunzione PN. Non vi è alcun problema di compensazione quando si utilizza il metodo di diffusione per realizzare una giunzione PN su un substrato monocristallino.
3. Grazie alla combinazione con la tecnologia delle maschere, si esegue una crescita epitassiale selettiva in aree designate, creando le condizioni per la produzione di circuiti integrati e dispositivi con strutture speciali.
4. Il tipo e la concentrazione del drogante possono essere modificati in base alle esigenze durante il processo di crescita epitassiale. La variazione di concentrazione può essere improvvisa o graduale.
5. È in grado di far crescere composti eterogenei, multistrato e multicomponenti, nonché strati ultrasottili con componenti variabili.
6. La crescita epitassiale può essere effettuata a una temperatura inferiore al punto di fusione del materiale, la velocità di crescita è controllabile e si può ottenere una crescita epitassiale con spessore a livello atomico.
7. Può far crescere materiali monocristallini che non possono essere estratti, come GaN, strati monocristallini di composti ternari e quaternari, ecc.