Wie helfen Epitaxieschichten Halbleiterbauelementen?

Der Ursprung des Namens Epitaxiewafer

Lassen Sie uns zunächst ein kleines Konzept bekannt machen: Die Wafervorbereitung umfasst zwei wichtige Zusammenhänge: Substratvorbereitung und Epitaxieprozess. Das Substrat ist ein Wafer aus Halbleiter-Einkristallmaterial. Das Substrat kann direkt in den Wafer-Herstellungsprozess zur Herstellung von Halbleiterbauelementen einfließen oder durch Epitaxieprozesse zur Herstellung von Epitaxie-Wafern verarbeitet werden. Unter Epitaxie versteht man den Prozess des Züchtens einer neuen Einkristallschicht auf einem Einkristallsubstrat, das sorgfältig durch Schneiden, Schleifen, Polieren usw. bearbeitet wurde. Der neue Einkristall kann aus dem gleichen Material wie das Substrat bestehen oder ein anderes sein unterschiedliches Material (homogene Epitaxie oder Heteroepitaxie). Da sich die neue Einkristallschicht entsprechend der Kristallphase des Substrats ausdehnt und wächst, wird sie als Epitaxieschicht bezeichnet (die Dicke beträgt normalerweise einige Mikrometer, am Beispiel von Silizium: Die Bedeutung des epitaktischen Siliziumwachstums liegt auf einer einzelnen Siliziumschicht Kristallsubstrat mit einer bestimmten Kristallorientierung. Eine Kristallschicht mit guter Gitterstrukturintegrität und unterschiedlichem spezifischem Widerstand und unterschiedlicher Dicke mit der gleichen Kristallorientierung wie das Substrat. Das Substrat mit der Epitaxieschicht wird Epitaxiewafer (Epitaxiewafer) genannt Epitaxieschicht + Substrat). Wenn das Gerät auf der Epitaxieschicht hergestellt wird, spricht man von positiver Epitaxie. Wenn das Gerät auf dem Substrat hergestellt wird, spricht man von umgekehrter Epitaxie. Zu diesem Zeitpunkt spielt die Epitaxieschicht nur eine unterstützende Rolle.

Polierte Waffel

Epitaktische Wachstumsmethoden

Molekularstrahlepitaxie (MBE): Dabei handelt es sich um eine Halbleiter-Epitaxie-Wachstumstechnologie, die unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt wird. Bei dieser Technik wird Ausgangsmaterial in Form eines Strahls aus Atomen oder Molekülen verdampft und dann auf einem kristallinen Substrat abgeschieden. MBE ist eine sehr präzise und kontrollierbare Halbleiter-Dünnschicht-Wachstumstechnologie, die die Dicke des abgeschiedenen Materials auf atomarer Ebene präzise steuern kann.
Metallorganisches CVD (MOCVD): Beim MOCVD-Verfahren werden organisches Metall und Hydridgas N-Gas, das die erforderlichen Elemente enthält, bei einer geeigneten Temperatur dem Substrat zugeführt, durchlaufen eine chemische Reaktion, um das erforderliche Halbleitermaterial zu erzeugen, und werden auf dem Substrat abgeschieden weiter, während die restlichen Verbindungen und Reaktionsprodukte ausgetragen werden.
Dampfphasenepitaxie (VPE): Dampfphasenepitaxie ist eine wichtige Technologie, die häufig bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt wird. Das Grundprinzip besteht darin, den Dampf elementarer Substanzen oder Verbindungen in einem Trägergas zu transportieren und durch chemische Reaktionen Kristalle auf dem Substrat abzuscheiden.

Welche Probleme löst das Epitaxieverfahren?

Nur massive Einkristallmaterialien können den wachsenden Anforderungen bei der Herstellung verschiedener Halbleiterbauelemente nicht gerecht werden. Aus diesem Grund wurde Ende 1959 das Epitaxiewachstum entwickelt, eine Technologie zum Wachstum dünnschichtiger Einkristallmaterialien. Welchen spezifischen Beitrag leistet die Epitaxietechnologie also zur Weiterentwicklung von Materialien?

Für Silizium war es zu Beginn der Silizium-Epitaxie-Wachstumstechnologie eine wirklich schwierige Zeit für die Herstellung von Silizium-Hochfrequenz- und Hochleistungstransistoren. Aus Sicht des Transistorprinzips muss zur Erzielung hoher Frequenz und hoher Leistung die Durchbruchspannung der Kollektorfläche hoch und der Serienwiderstand klein sein, d. h. der Sättigungsspannungsabfall muss gering sein. Ersteres erfordert, dass der spezifische Widerstand des Materials im Sammelbereich hoch sein sollte, während letzteres erfordert, dass der spezifische Widerstand des Materials im Sammelbereich niedrig sein sollte. Die beiden Provinzen stehen im Widerspruch zueinander. Wenn die Dicke des Materials im Kollektorbereich reduziert wird, um den Serienwiderstand zu verringern, wird der Siliziumwafer zu dünn und zerbrechlich, um verarbeitet zu werden. Wenn der spezifische Widerstand des Materials verringert wird, widerspricht dies der ersten Anforderung. Die Entwicklung der Epitaxietechnologie war jedoch erfolgreich. hat diese Schwierigkeit gelöst.

Lösung: Wachsen Sie eine Epitaxieschicht mit hohem Widerstand auf einem Substrat mit extrem niedrigem Widerstand und stellen Sie das Gerät auf der Epitaxieschicht her. Diese Epitaxieschicht mit hohem spezifischem Widerstand stellt sicher, dass die Röhre eine hohe Durchbruchspannung aufweist, während das Substrat mit niedrigem Widerstand auch den Widerstand des Substrats verringert, wodurch der Sättigungsspannungsabfall verringert wird, wodurch der Widerspruch zwischen beiden aufgelöst wird.

Darüber hinaus wurden auch Epitaxietechnologien wie die Dampfphasenepitaxie und Flüssigphasenepitaxie von GaAs und anderen III-V-, II-VI- und anderen Halbleitermaterialien mit molekularen Verbindungen stark entwickelt und sind zur Grundlage für die meisten Mikrowellengeräte, optoelektronischen Geräte und Leistungsgeräte geworden Es handelt sich um eine unverzichtbare Prozesstechnologie für die Herstellung von Geräten, insbesondere für die erfolgreiche Anwendung der Molekularstrahl- und metallorganischen Dampfphasenepitaxietechnologie in dünnen Schichten, Übergittern, Quantentöpfen, gespannten Übergittern und auf atomarer Ebene Dünnschichtepitaxie, ein neuer Schritt in der Halbleiterforschung. Die Entwicklung der „Energiegürteltechnik“ in diesem Bereich hat eine solide Grundlage gelegt.

In praktischen Anwendungen werden Halbleiterbauelemente mit großer Bandlücke fast immer auf der Epitaxieschicht hergestellt, und der Siliziumkarbidwafer selbst dient nur als Substrat. Daher ist die Kontrolle der Epitaxieschicht ein wichtiger Bestandteil der Halbleiterindustrie mit großer Bandlücke.

7 Hauptkompetenzen in der Epitaxietechnologie

1. Epitaxieschichten mit hohem (niedrigem) Widerstand können epitaktisch auf Substraten mit niedrigem (hohem) Widerstand aufgewachsen werden.
2. Die Epitaxieschicht vom Typ N (P) kann epitaktisch auf dem Substrat vom Typ P (N) aufgewachsen werden, um direkt einen PN-Übergang zu bilden. Es gibt kein Kompensationsproblem, wenn die Diffusionsmethode zur Herstellung eines PN-Übergangs auf einem Einkristallsubstrat verwendet wird.
3. In Kombination mit der Maskentechnologie wird in bestimmten Bereichen ein selektives epitaktisches Wachstum durchgeführt, wodurch Bedingungen für die Herstellung integrierter Schaltkreise und Geräte mit speziellen Strukturen geschaffen werden.
4. Art und Konzentration der Dotierung können je nach Bedarf während des epitaktischen Wachstumsprozesses geändert werden. Die Konzentrationsänderung kann eine plötzliche Änderung oder eine langsame Änderung sein.
5. Es können heterogene, mehrschichtige Mehrkomponentenverbindungen und ultradünne Schichten mit variablen Komponenten wachsen.
6. Das epitaktische Wachstum kann bei einer Temperatur durchgeführt werden, die unter dem Schmelzpunkt des Materials liegt, die Wachstumsrate ist kontrollierbar und es kann ein epitaktisches Wachstum mit einer Dicke auf atomarer Ebene erreicht werden.
7. Es können Einkristallmaterialien gezüchtet werden, die nicht gezogen werden können, wie z. B. GaN, Einkristallschichten aus tertiären und quartären Verbindungen usw.