Nguồn gốc tên gọi tấm bán dẫn epitaxy
Trước tiên, chúng ta hãy làm rõ một khái niệm nhỏ: quá trình chuẩn bị wafer bao gồm hai khâu chính: chuẩn bị chất nền và quá trình epitaxy. Chất nền là một tấm wafer được làm từ vật liệu bán dẫn đơn tinh thể. Chất nền có thể trực tiếp tham gia vào quy trình sản xuất wafer để tạo ra các thiết bị bán dẫn, hoặc có thể được xử lý bằng các quá trình epitaxy để tạo ra các wafer epitaxy. Epitaxy đề cập đến quá trình nuôi cấy một lớp đơn tinh thể mới trên một chất nền đơn tinh thể đã được xử lý cẩn thận bằng cách cắt, mài, đánh bóng, v.v. Lớp đơn tinh thể mới có thể cùng vật liệu với chất nền, hoặc có thể là vật liệu khác (epitaxy đồng nhất) hoặc dị epitaxy. Vì lớp tinh thể đơn mới mở rộng và phát triển theo pha tinh thể của chất nền, nên nó được gọi là lớp màng mỏng kết tinh (độ dày thường là vài micromet, lấy silicon làm ví dụ: ý nghĩa của sự phát triển màng mỏng kết tinh trên silicon là trên chất nền tinh thể đơn silicon có định hướng tinh thể nhất định, một lớp tinh thể có cấu trúc mạng tinh thể hoàn chỉnh, điện trở suất và độ dày khác nhau nhưng có cùng định hướng tinh thể với chất nền được phát triển), và chất nền có lớp màng mỏng kết tinh được gọi là tấm wafer kết tinh (tấm wafer kết tinh = lớp màng mỏng kết tinh + chất nền). Khi thiết bị được chế tạo trên lớp màng mỏng kết tinh, nó được gọi là kết tinh dương. Nếu thiết bị được chế tạo trên chất nền, nó được gọi là kết tinh ngược. Lúc này, lớp màng mỏng kết tinh chỉ đóng vai trò hỗ trợ.
Bánh wafer được đánh bóng
Phương pháp tăng trưởng epitaxy
Phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE): Đây là công nghệ tăng trưởng epitaxy bán dẫn được thực hiện trong điều kiện chân không cực cao. Trong kỹ thuật này, vật liệu nguồn được bay hơi dưới dạng chùm nguyên tử hoặc phân tử và sau đó được lắng đọng trên chất nền tinh thể. MBE là một công nghệ tăng trưởng màng mỏng bán dẫn rất chính xác và có thể kiểm soát được, cho phép kiểm soát chính xác độ dày của vật liệu lắng đọng ở cấp độ nguyên tử.
CVD kim loại hữu cơ (MOCVD): Trong quy trình MOCVD, kim loại hữu cơ và khí hydrua N2 chứa các nguyên tố cần thiết được cung cấp cho chất nền ở nhiệt độ thích hợp, trải qua phản ứng hóa học để tạo ra vật liệu bán dẫn cần thiết, và được lắng đọng trên chất nền, trong khi các hợp chất còn lại và sản phẩm phản ứng được thải ra.
Phương pháp lắng đọng epitaxy pha hơi (VPE): Phương pháp lắng đọng epitaxy pha hơi là một công nghệ quan trọng thường được sử dụng trong sản xuất các thiết bị bán dẫn. Nguyên tắc cơ bản là vận chuyển hơi của các chất nguyên tố hoặc hợp chất trong khí mang, và lắng đọng các tinh thể lên chất nền thông qua các phản ứng hóa học.
Quá trình epitaxy giải quyết những vấn đề gì?
Chỉ sử dụng vật liệu đơn tinh thể khối lượng lớn không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng trong sản xuất các thiết bị bán dẫn khác nhau. Do đó, công nghệ nuôi cấy màng mỏng đơn tinh thể (epitaxial growth) đã được phát triển vào cuối năm 1959. Vậy công nghệ nuôi cấy màng mỏng (epitaxial growth) đóng góp cụ thể gì vào sự tiến bộ của vật liệu?
Đối với silicon, khi công nghệ tăng trưởng màng mỏng silicon (epitaxial growth technology) bắt đầu, đó thực sự là một thời kỳ khó khăn để sản xuất các transistor silicon tần số cao và công suất cao. Từ góc độ nguyên lý transistor, để đạt được tần số cao và công suất cao, điện áp đánh thủng của vùng cực thu phải cao và điện trở nối tiếp phải nhỏ, tức là điện áp rơi bão hòa phải nhỏ. Điều kiện thứ nhất đòi hỏi điện trở suất của vật liệu trong vùng cực thu phải cao, trong khi điều kiện thứ hai đòi hỏi điện trở suất của vật liệu trong vùng cực thu phải thấp. Hai điều kiện này mâu thuẫn nhau. Nếu giảm độ dày của vật liệu trong vùng cực thu để giảm điện trở nối tiếp, tấm silicon sẽ quá mỏng và dễ vỡ để gia công. Nếu giảm điện trở suất của vật liệu, nó sẽ mâu thuẫn với yêu cầu thứ nhất. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ epitaxy đã giải quyết thành công khó khăn này.
Giải pháp: Nuôi cấy một lớp màng mỏng có điện trở suất cao trên một chất nền có điện trở suất cực thấp, và chế tạo thiết bị trên lớp màng mỏng này. Lớp màng mỏng có điện trở suất cao này đảm bảo ống có điện áp đánh thủng cao, trong khi chất nền có điện trở suất thấp cũng làm giảm điện trở của chất nền, do đó làm giảm sự sụt giảm điện áp bão hòa, từ đó giải quyết được mâu thuẫn giữa hai yếu tố này.
Ngoài ra, các công nghệ epitaxy như epitaxy pha hơi và epitaxy pha lỏng của GaAs và các vật liệu bán dẫn hợp chất phân tử III-V, II-VI khác cũng đã được phát triển mạnh mẽ và trở thành nền tảng cho hầu hết các thiết bị vi sóng, thiết bị quang điện tử, thiết bị năng lượng. Đây là công nghệ xử lý không thể thiếu trong sản xuất thiết bị, đặc biệt là việc ứng dụng thành công công nghệ epitaxy pha hơi kim loại hữu cơ và chùm phân tử trong các lớp mỏng, siêu mạng, giếng lượng tử, siêu mạng biến dạng và epitaxy lớp mỏng ở cấp độ nguyên tử, đã tạo nên một bước tiến mới trong nghiên cứu bán dẫn. Sự phát triển của “kỹ thuật vành đai năng lượng” trong lĩnh vực này đã đặt nền móng vững chắc.
Trong các ứng dụng thực tế, các thiết bị bán dẫn có dải năng lượng rộng hầu như luôn được chế tạo trên lớp màng mỏng kết tinh, và bản thân tấm silicon carbide chỉ đóng vai trò là chất nền. Do đó, việc kiểm soát lớp màng mỏng kết tinh là một phần quan trọng của ngành công nghiệp bán dẫn có dải năng lượng rộng.
7 kỹ năng chính trong công nghệ epitaxy
1. Các lớp màng mỏng có điện trở cao (thấp) có thể được nuôi cấy trên chất nền có điện trở thấp (cao).
2. Lớp màng mỏng loại N (P) có thể được nuôi cấy trên chất nền loại P (N) để tạo thành mối nối PN trực tiếp. Không có vấn đề bù trừ khi sử dụng phương pháp khuếch tán để tạo mối nối PN trên chất nền đơn tinh thể.
3. Kết hợp với công nghệ mặt nạ, quá trình tăng trưởng epitaxy chọn lọc được thực hiện ở các khu vực được chỉ định, tạo điều kiện cho việc sản xuất các mạch tích hợp và thiết bị có cấu trúc đặc biệt.
4. Loại và nồng độ chất pha tạp có thể được thay đổi tùy theo nhu cầu trong quá trình tăng trưởng epitaxy. Sự thay đổi nồng độ có thể là thay đổi đột ngột hoặc thay đổi từ từ.
5. Nó có thể tạo ra các hợp chất không đồng nhất, nhiều lớp, nhiều thành phần và các lớp siêu mỏng với các thành phần khác nhau.
6. Quá trình tăng trưởng epitaxy có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn điểm nóng chảy của vật liệu, tốc độ tăng trưởng có thể kiểm soát được, và có thể đạt được sự tăng trưởng epitaxy với độ dày ở cấp độ nguyên tử.
7. Nó có thể nuôi cấy các vật liệu đơn tinh thể không thể kéo sợi, chẳng hạn như GaN, các lớp đơn tinh thể của các hợp chất bậc ba và bậc bốn, v.v.
Thời gian đăng bài: 13 tháng 5 năm 2024