Hvordan hjelper epitaksiale lag halvlederenheter?

Opprinnelsen til navnet epitaksial wafer

La oss først popularisere et lite konsept: waferforberedelse inkluderer to hovedkoblinger: substratforberedelse og epitaksial prosess. Substratet er en wafer laget av halvleder-enkeltkrystallmateriale. Substratet kan gå direkte inn i waferproduksjonsprosessen for å produsere halvlederkomponenter, eller det kan bearbeides ved epitaksiale prosesser for å produsere epitaksiale wafere. Epitaksi refererer til prosessen med å dyrke et nytt lag med enkeltkrystall på et enkeltkrystallsubstrat som har blitt nøye bearbeidet ved kutting, sliping, polering osv. Den nye enkeltkrystallen kan være av samme materiale som substratet, eller det kan være et annet materiale (homogent) epitaksi eller heteroepitaksi. Fordi det nye enkeltkrystalllaget utvides og vokser i henhold til krystallfasen i substratet, kalles det et epitaksiallag (tykkelsen er vanligvis noen få mikron, for eksempel silisium: betydningen av silisiumepitaksialvekst er på et silisium-enkeltkrystallsubstrat med en viss krystallorientering. Et krystalllag med god gitterstrukturintegritet og forskjellig resistivitet og tykkelse med samme krystallorientering som substratet dyrkes), og substratet med det epitaksiale laget kalles en epitaksial wafer (epitaksial wafer = epitaksiallag + substrat). Når enheten er laget på det epitaksiale laget, kalles det positiv epitaksi. Hvis enheten er laget på substratet, kalles det omvendt epitaksi. På dette tidspunktet spiller det epitaksiale laget bare en støttende rolle.

Polert wafer

Epitaksiale vekstmetoder

Molekylærstråleepitaksi (MBE): Det er en halvlederepitaksial vekstteknologi som utføres under ultrahøye vakuumforhold. I denne teknikken fordampes kildematerialet i form av en stråle av atomer eller molekyler og avsettes deretter på et krystallinsk substrat. MBE er en svært presis og kontrollerbar halvledertynnfilmvekstteknologi som presist kan kontrollere tykkelsen på avsatt materiale på atomnivå.
Metallorganisk CVD (MOCVD): I MOCVD-prosessen tilføres organisk metall og hydridgass N-gass som inneholder de nødvendige elementene til substratet ved en passende temperatur, gjennomgår en kjemisk reaksjon for å generere det nødvendige halvledermaterialet og avsettes på substratet, mens de gjenværende forbindelsene og reaksjonsproduktene slippes ut.
Dampfaseepitaksi (VPE): Dampfaseepitaksi er en viktig teknologi som ofte brukes i produksjonen av halvlederkomponenter. Grunnprinsippet er å transportere dampen av elementære stoffer eller forbindelser i en bærergass, og avsette krystaller på substratet gjennom kjemiske reaksjoner.

Hvilke problemer løser epitaksiprosessen?

Bare bulkmaterialer av enkeltkrystall kan ikke dekke de økende behovene til produksjon av ulike halvlederkomponenter. Derfor ble epitaksial vekst, en tynnsjiktsteknologi for vekst av enkeltkrystallmaterialer, utviklet på slutten av 1959. Så hvilket spesifikt bidrag har epitaksiteknologi til materialutviklingen?

For silisium, da silisium-epitaksialvekstteknologi begynte, var det virkelig en vanskelig tid for produksjon av silisium-høyfrekvente og høyeffektstransistorer. Fra et transistorprinsippperspektiv, for å oppnå høy frekvens og høy effekt, må gjennomslagsspenningen i kollektorområdet være høy og seriemotstanden må være liten, det vil si at metningsspenningsfallet må være lite. Førstnevnte krever at materialets resistivitet i kollektorområdet skal være høy, mens sistnevnte krever at materialets resistivitet i kollektorområdet skal være lav. Disse to provinsene er motstridende. Hvis tykkelsen på materialet i kollektorområdet reduseres for å redusere seriemotstanden, vil silisiumskiven være for tynn og skjør til å bli bearbeidet. Hvis materialets resistivitet reduseres, vil det motsi det første kravet. Utviklingen av epitaksialteknologi har imidlertid løst denne vanskeligheten.

Løsning: Dyrk et epitaksiallag med høy resistivitet på et substrat med ekstremt lav resistivitet, og lag enheten på det epitaksiale laget. Dette epitaksiale laget med høy resistivitet sikrer at røret har en høy gjennomslagsspenning, mens det lavresistive substratet også reduserer substratets motstand, og dermed reduserer metningsspenningsfallet og dermed løser motsetningen mellom de to.

I tillegg har epitaksiteknologier som dampfaseepitaksi og væskefaseepitaksi av GaAs og andre III-V, II-VI og andre molekylære sammensatte halvledermaterialer også blitt kraftig utviklet og har blitt grunnlaget for de fleste mikrobølgeenheter, optoelektroniske enheter og kraftenheter. Det er en uunnværlig prosessteknologi for produksjon av enheter, spesielt den vellykkede anvendelsen av molekylærstråle- og metallorganisk dampfaseepitaksiteknologi i tynne lag, supergitter, kvantebrønner, anstrengte supergitter og tynnsjiktsepitaksi på atomnivå, noe som er et nytt skritt innen halvlederforskning. Utviklingen av "energibelteteknikk" på feltet har lagt et solid grunnlag.

I praktiske anvendelser lages nesten alltid halvlederkomponenter med bredt båndgap på det epitaksiale laget, og selve silisiumkarbidskiven fungerer kun som substrat. Derfor er kontrollen av det epitaksiale laget en viktig del av halvlederindustrien med bredt båndgap.

7 hovedferdigheter innen epitaksiteknologi

1. Epitaksiale lag med høy (lav) motstand kan epitaksialt dyrkes på substrater med lav (høy) motstand.
2. Det epitaksiale laget av N(P)-typen kan epitaksialt dyrkes på P(N)-typesubstratet for å danne en PN-overgang direkte. Det er ikke noe kompensasjonsproblem når man bruker diffusjonsmetoden for å lage en PN-overgang på et enkeltkrystallsubstrat.
3. Kombinert med masketeknologi utføres selektiv epitaksial vekst i angitte områder, noe som skaper forhold for produksjon av integrerte kretser og enheter med spesielle strukturer.
4. Dopingtypen og -konsentrasjonen kan endres etter behov under den epitaksiale vekstprosessen. Endringen i konsentrasjon kan være en plutselig endring eller en langsom endring.
5. Den kan dyrke heterogene, flerlags, flerkomponentforbindelser og ultratynne lag med variable komponenter.
6. Epitaksial vekst kan utføres ved en temperatur lavere enn materialets smeltepunkt, veksthastigheten er kontrollerbar, og epitaksial vekst med tykkelse på atomnivå kan oppnås.
7. Den kan dyrke enkeltkrystallmaterialer som ikke kan trekkes ut, for eksempel GaN, enkeltkrystalllag av tertiære og kvaternære forbindelser, etc.