כיצד שכבות אפיטקסיאליות מסייעות להתקני מוליכים למחצה?

מקור השם פרוסת אפיטקסיאלית

ראשית, בואו נהפוך מושג קטן לפופולרי: הכנת פרוסות דמה כוללת שני חוליות עיקריות: הכנת מצע ותהליך אפיטקסיאלי. המצע הוא פרוסות דמה העשויות מחומר גבישי יחיד מוליך למחצה. המצע יכול להיכנס ישירות לתהליך ייצור הפרוסות דמה לייצור התקני מוליכים למחצה, או שניתן לעבד אותו בתהליכים אפיטקסיאליים לייצור פרוסות דמה אפיטקסיאליות. אפיטקסיה מתייחסת לתהליך של גידול שכבה חדשה של גביש יחיד על מצע גבישי יחיד שעבר עיבוד קפדני על ידי חיתוך, השחזה, ליטוש וכו'. הגביש היחיד החדש יכול להיות מאותו חומר כמו המצע, או שהוא יכול להיות מחומר שונה (הומוגני (אפיטקסיה או הטרואפיטקסיה). מכיוון ששכבת הגביש החד-יחיד החדשה מתארכת וגדלה בהתאם לשלב הגבישי של המצע, היא נקראת שכבה אפיטקסיאלית (העובי הוא בדרך כלל כמה מיקרונים, לדוגמה סיליקון: משמעות גידול אפיטקסיאלי של סיליקון היא על מצע גביש חד-יחיד מסיליקון עם אוריינטציה גבישית מסוימת. גדלה שכבת גביש עם שלמות מבנה סריג טובה והתנגדות ועובי שונים עם אותה אוריינטציה גבישית כמו המצע), והמצע עם השכבה האפיטקסיאלית נקרא פרוסת אפיטקסיאלית (פרוסת אפיטקסיאלית = שכבה אפיטקסיאלית + מצע). כאשר ההתקן מיוצר על השכבה האפיטקסיאלית, זה נקרא אפיטקסיה חיובית. אם ההתקן מיוצר על המצע, זה נקרא אפיטקסיה הפוכה. בשלב זה, השכבה האפיטקסיאלית ממלאת רק תפקיד תומך.

פרוסת ופלים מלוטשת

שיטות גידול אפיטקסיאליות

אפיטקסיה של קרן מולקולרית (MBE): זוהי טכנולוגיית גידול אפיטקסיאלי של מוליכים למחצה המבוצעת בתנאי ואקום גבוהים במיוחד. בטכניקה זו, חומר המקור מתאדה בצורת קרן של אטומים או מולקולות ולאחר מכן מופקד על מצע גבישי. MBE היא טכנולוגיית גידול שכבה דקה של מוליכים למחצה מדויקת וניתנת לשליטה שיכולה לשלוט במדויק בעובי החומר המופקד ברמה האטומית.
CVD מתכתי אורגני (MOCVD): בתהליך MOCVD, מתכת אורגנית וגז הידריד N המכילים את היסודות הנדרשים מסופקים למצע בטמפרטורה מתאימה, עוברים תגובה כימית ליצירת חומר המוליך למחצה הנדרש, ומושרשים על המצע, בעוד שהתרכובות ותוצרי התגובה הנותרים משתחררים.
אפיטקסיה של פאזת אדים (VPE): אפיטקסיה של פאזת אדים היא טכנולוגיה חשובה הנפוצה בייצור התקני מוליכים למחצה. העיקרון הבסיסי הוא הובלת אדי חומרים או תרכובות יסודיים בגז נשא, והשקעת גבישים על המצע באמצעות תגובות כימיות.

אילו בעיות פותר תהליך האפיטקסיה?

רק חומרים גבישיים חד-גבישיים בתפזורת אינם יכולים לענות על הצרכים הגדלים של ייצור התקני מוליכים למחצה שונים. לכן, צמיחה אפיטקסיאלית, טכנולוגיית גידול חומר גבישי חד-גבישי בשכבה דקה, פותחה בסוף 1959. אז איזו תרומה ספציפית יש לטכנולוגיית האפיטקסיה לקידום החומרים?

עבור סיליקון, כאשר החלה טכנולוגיית הצמיחה האפיטקסיאלית של סיליקון, זו הייתה תקופה קשה מאוד לייצור טרנזיסטורים מסיליקון בתדר גבוה ובעוצמה גבוהה. מנקודת מבט של עקרונות הטרנזיסטור, כדי להשיג תדר גבוה והספק גבוה, מתח הפריצה של אזור הקולט חייב להיות גבוה וההתנגדות הטורית חייבת להיות קטנה, כלומר, ירידת מתח הרוויה חייבת להיות קטנה. הראשון דורש שההתנגדות של החומר באזור הקולט תהיה גבוהה, בעוד שהשני דורש שההתנגדות של החומר באזור הקולט תהיה נמוכה. שני התחומים סותרים זה את זה. אם עובי החומר באזור הקולט מצטמצם כדי להפחית את ההתנגדות הטורית, פרוסת הסיליקון תהיה דקה ושברירית מדי לעיבוד. אם ההתנגדות של החומר מצטמצמת, זה יסתור את הדרישה הראשונה. עם זאת, פיתוח טכנולוגיית האפיטקסיה פתר בהצלחה קושי זה.

פתרון: גידול שכבה אפיטקסיאלית בעלת התנגדות גבוהה על מצע בעל התנגדות נמוכה במיוחד, והרכבת ההתקן על השכבה האפיטקסיאלית. שכבה אפיטקסיאלית בעלת התנגדות גבוהה זו מבטיחה שלצינור יהיה מתח פריצה גבוה, בעוד שהמצע בעל ההתנגדות הנמוכה גם מפחית את התנגדות המצע, ובכך מפחית את ירידת מתח הרוויה, ובכך פותרת את הסתירה בין השניים.

בנוסף, טכנולוגיות אפיטקסיה כגון אפיטקסיה של פאזה אדים ואפיטקסיה של פאזה נוזלית של GaAs וחומרים מוליכים למחצה אחרים מדגם III-V, II-VI וחומרים מולקולריים אחרים פותחו רבות והפכו לבסיס לרוב התקני המיקרוגל, התקנים אופטואלקטרוניים והספק. זוהי טכנולוגיית תהליך הכרחית לייצור התקנים, במיוחד יישום מוצלח של טכנולוגיית אפיטקסיה של פאזה אדים של קרן מולקולרית ומתכת אורגנית בשכבות דקות, סופר-סריגות, בארות קוונטיות, סופר-סריגות מתוחות ואפיטקסיה של שכבה דקה ברמה אטומית, המהווה צעד חדש במחקר מוליכים למחצה. פיתוח "הנדסת חגורות אנרגיה" בתחום הניח בסיס איתן.

ביישומים מעשיים, התקני מוליכים למחצה בעלי פער אנרגיה רחב כמעט תמיד מיוצרים על השכבה האפיטקסיאלית, ופלי סיליקון קרביד עצמם משמשים רק כמצע. לכן, בקרת השכבה האפיטקסיאלית היא חלק חשוב בתעשיית המוליכים למחצה בעלי פער אנרגיה רחב.

7 מיומנויות עיקריות בטכנולוגיית אפיטקסיה

1. ניתן לגדל באופן אפיטקסיאלי שכבות אפיטקסיאליות בעלות התנגדות גבוהה (נמוכה) על גבי מצעים בעלי התנגדות נמוכה (גבוהה).
2. ניתן לגדל באופן אפיטקסיאלי את השכבה האפיטקסיאלית מסוג N (P) על גבי מצע מסוג P (N) כדי ליצור צומת PN ישירות. אין בעיית פיצוי בעת שימוש בשיטת הדיפוזיה ליצירת צומת PN על גביש יחיד.
3. בשילוב עם טכנולוגיית מסכה, מתבצעת גידול אפיטקסיאלי סלקטיבי באזורים ייעודיים, ויוצר תנאים לייצור מעגלים משולבים ומכשירים בעלי מבנים מיוחדים.
4. ניתן לשנות את סוג וריכוז הסימום בהתאם לצרכים במהלך תהליך הגדילה האפיטקסיאלית. השינוי בריכוז יכול להיות שינוי פתאומי או שינוי איטי.
5. הוא יכול לגדל תרכובות הטרוגניות, רב-שכבתיות ורב-רכיביות ושכבות דקות במיוחד עם רכיבים משתנים.
6. ניתן לבצע גידול אפיטקסיאלי בטמפרטורה נמוכה מנקודת ההיתוך של החומר, קצב הגידול נשלט, וניתן להשיג גידול אפיטקסיאלי בעובי ברמה אטומית.
7. הוא יכול לגדל חומרים גבישיים יחידים שלא ניתן למשוך, כגון GaN, שכבות גבישיות יחידות של תרכובות שלישוניות ורביעיות וכו'.