Hoe helpen epitaxiale lagen halfgeleiderapparaten?

De oorsprong van de naam epitaxiale wafer

Laten we eerst een kort concept populariseren: wafervoorbereiding omvat twee belangrijke schakels: substraatvoorbereiding en epitaxiaal proces. Het substraat is een wafer gemaakt van halfgeleider monokristalmateriaal. Het substraat kan direct het waferproductieproces ingaan om halfgeleiderapparaten te produceren, of het kan worden verwerkt door middel van epitaxiale processen om epitaxiale wafers te produceren. Epitaxie verwijst naar het proces waarbij een nieuwe laag monokristal groeit op een monokristalsubstraat dat zorgvuldig is bewerkt door middel van snijden, slijpen, polijsten, enz. Het nieuwe monokristal kan van hetzelfde materiaal zijn als het substraat, of van een ander materiaal (homogene epitaxie of hetero-epitaxie). Omdat de nieuwe monokristallaag zich uitbreidt en groeit volgens de kristalfase van het substraat, wordt deze een epitaxiale laag genoemd (de dikte is meestal enkele micrometers, met silicium als voorbeeld: epitaxiale groei van silicium betekent groei op een monokristallijn siliciumsubstraat met een bepaalde kristaloriëntatie. Een laag kristal met een goede roosterstructuurintegriteit en een verschillende soortelijke weerstand en dikte met dezelfde kristaloriëntatie als het substraat wordt gegroeid), en het substraat met de epitaxiale laag wordt een epitaxiale wafer genoemd (epitaxiale wafer = epitaxiale laag + substraat). Wanneer het apparaat op de epitaxiale laag wordt gemaakt, wordt dit positieve epitaxie genoemd. Als het apparaat op het substraat wordt gemaakt, wordt dit omgekeerde epitaxie genoemd. In dit geval speelt de epitaxiale laag slechts een ondersteunende rol.

Gepolijste wafer

Epitaxiale groeimethoden

Moleculaire bundelepitaxie (MBE): Dit is een epitaxiale groeitechnologie voor halfgeleiders die wordt uitgevoerd onder ultrahoog vacuüm. Bij deze techniek wordt bronmateriaal verdampt in de vorm van een bundel atomen of moleculen en vervolgens afgezet op een kristallijn substraat. MBE is een zeer nauwkeurige en controleerbare dunnefilmgroeitechnologie voor halfgeleiders die de dikte van het afgezette materiaal op atomair niveau nauwkeurig kan regelen.
Metaalorganisch CVD (MOCVD): Bij het MOCVD-proces worden organisch metaal en hydridegas N-gas, dat de vereiste elementen bevat, bij een geschikte temperatuur aan het substraat toegevoerd. Vervolgens ondergaan ze een chemische reactie om het vereiste halfgeleidermateriaal te genereren en worden ze op het substraat afgezet, terwijl de resterende verbindingen en reactieproducten worden afgevoerd.
Dampfase-epitaxie (VPE): Dampfase-epitaxie is een belangrijke technologie die veel wordt gebruikt bij de productie van halfgeleidercomponenten. Het basisprincipe is het transporteren van de damp van elementaire stoffen of verbindingen in een dragergas en het afzetten van kristallen op het substraat door middel van chemische reacties.

Welke problemen lost het epitaxieproces op?

Alleen bulk monokristalmaterialen kunnen niet voldoen aan de groeiende behoeften van de productie van diverse halfgeleiderapparaten. Daarom werd eind 1959 epitaxiale groei ontwikkeld, een technologie voor de groei van dunnelaag monokristalmaterialen. Welke specifieke bijdrage levert epitaxietechnologie aan de materiaalontwikkeling?

Voor silicium was het, toen de technologie voor siliciumepitaxiale groei begon, een moeilijke tijd voor de productie van hoogfrequente en hoogvermogen transistoren. Vanuit het perspectief van transistorprincipes moet, om een ​​hoge frequentie en een hoog vermogen te verkrijgen, de doorslagspanning van het collectoroppervlak hoog zijn en de serieweerstand klein, dat wil zeggen, de verzadigingsspanningsval moet klein zijn. De eerste vereist een hoge soortelijke weerstand van het materiaal in het verzamelgebied, terwijl de tweede vereist dat de soortelijke weerstand van het materiaal in het verzamelgebied laag is. Deze twee aspecten zijn tegenstrijdig. Als de dikte van het materiaal in het collectoroppervlak wordt verminderd om de serieweerstand te verlagen, zal de siliciumwafer te dun en te kwetsbaar zijn om te verwerken. Als de soortelijke weerstand van het materiaal wordt verlaagd, zal dit in strijd zijn met de eerste vereiste. De ontwikkeling van epitaxiale technologie is echter succesvol gebleken en heeft dit probleem opgelost.

Oplossing: Bouw een epitaxiale laag met hoge weerstand op een substraat met extreem lage weerstand en maak het apparaat op de epitaxiale laag. Deze epitaxiale laag met hoge weerstand zorgt ervoor dat de buis een hoge doorslagspanning heeft, terwijl het substraat met lage weerstand ook de weerstand van het substraat verlaagt, waardoor de verzadigingsspanningsval afneemt en het conflict tussen beide wordt opgelost.

Daarnaast zijn epitaxietechnologieën, zoals dampfase-epitaxie en vloeistoffase-epitaxie van GaAs en andere III-V, II-VI en andere moleculair samengestelde halfgeleidermaterialen, sterk ontwikkeld en vormen ze de basis voor de meeste microgolfapparaten, opto-elektronische apparaten en vermogenscomponenten. Het is een onmisbare procestechnologie voor de productie van apparaten, met name de succesvolle toepassing van moleculaire bundel- en metaalorganische dampfase-epitaxietechnologie in dunne lagen, superroosters, kwantumputten, gespannen superroosters en dunnelaag-epitaxie op atomair niveau, wat een nieuwe stap is in halfgeleideronderzoek. De ontwikkeling van "energy belt engineering" op dit gebied heeft een solide basis gelegd.

In praktische toepassingen worden halfgeleiders met een brede bandgap vrijwel altijd op de epitaxiale laag gemaakt, waarbij de siliciumcarbidewafer zelf slechts als substraat dient. Daarom is de beheersing van de epitaxiale laag een belangrijk onderdeel van de halfgeleiderindustrie met een brede bandgap.

7 belangrijke vaardigheden in epitaxietechnologie

1. Epitaxiale lagen met hoge (lage) weerstand kunnen epitaxiaal worden gegroeid op substraten met lage (hoge) weerstand.
2. De N(P)-type epitaxiale laag kan epitaxiaal op het P(N)-type substraat worden gegroeid om direct een PN-overgang te vormen. Er is geen compensatieprobleem bij gebruik van de diffusiemethode om een ​​PN-overgang op een monokristallijn substraat te maken.
3. In combinatie met maskertechnologie wordt selectieve epitaxiale groei uitgevoerd in aangewezen gebieden, waardoor omstandigheden worden gecreëerd voor de productie van geïntegreerde schakelingen en apparaten met speciale structuren.
4. Het type en de concentratie van de doping kunnen naar behoefte worden aangepast tijdens het epitaxiale groeiproces. De concentratieverandering kan plotseling of langzaam zijn.
5. Het kan heterogene, meerlaagse, meercomponentenverbindingen en ultradunne lagen met variabele componenten laten groeien.
6. Epitaxiale groei kan worden uitgevoerd bij een temperatuur lager dan het smeltpunt van het materiaal. De groeisnelheid is controleerbaar en epitaxiale groei van atomaire dikte kan worden bereikt.
7. Het kan monokristallijne materialen laten groeien die niet kunnen worden getrokken, zoals GaN, monokristallagen van tertiaire en quaternaire verbindingen, etc.