Wie tragen Epitaxieschichten zur Verbesserung von Halbleiterbauelementen bei?

Der Ursprung des Namens Epitaxialwafer

Zunächst ein einfaches Konzept: Die Waferherstellung umfasst zwei Hauptschritte: die Substratvorbereitung und den Epitaxieprozess. Das Substrat ist ein Wafer aus Halbleiter-Einkristallmaterial. Es kann direkt in den Waferherstellungsprozess zur Produktion von Halbleiterbauelementen eingebracht oder epitaktisch bearbeitet werden, um epitaktische Wafer herzustellen. Epitaxie bezeichnet das Aufwachsen einer neuen Einkristallschicht auf einem sorgfältig vorbearbeiteten Einkristallsubstrat (Schneiden, Schleifen, Polieren usw.). Der neue Einkristall kann aus dem gleichen Material wie das Substrat bestehen oder aus einem anderen 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 üblicherweise einige Mikrometer; am Beispiel von Silizium: Epitaxie bedeutet, dass auf einem Silizium-Einkristallsubstrat mit einer bestimmten Kristallorientierung eine Schicht mit guter Gitterstrukturintegrität, unterschiedlichem spezifischem Widerstand und gleicher Dicke, aber gleicher Kristallorientierung wie das Substrat, abgeschieden wird). Das Substrat mit der Epitaxieschicht wird als Epitaxie-Wafer bezeichnet (Epitaxie-Wafer = Epitaxieschicht + Substrat). Wird das Bauelement auf der Epitaxieschicht hergestellt, spricht man von positiver Epitaxie. Wird das Bauelement auf dem Substrat hergestellt, spricht man von inverser Epitaxie. In diesem Fall dient die Epitaxieschicht lediglich als Trägerschicht.

Polierte Waffel

Epitaxiale Wachstumsmethoden

Molekularstrahlepitaxie (MBE): Es handelt sich um eine Technologie zur epitaktischen Herstellung von Halbleitern unter Ultrahochvakuumbedingungen. Dabei wird das Ausgangsmaterial in Form eines Atom- oder Molekülstrahls verdampft und anschließend auf einem kristallinen Substrat abgeschieden. MBE ist eine sehr präzise und gut kontrollierbare Technologie zur Herstellung dünner Halbleiterschichten, mit der die Dicke des abgeschiedenen Materials auf atomarer Ebene exakt gesteuert werden kann.
Metallorganische CVD (MOCVD): Beim MOCVD-Verfahren werden organische Metalle und Hydridgase (N₂-Gas), die die erforderlichen Elemente enthalten, bei einer geeigneten Temperatur auf das Substrat geleitet, durchlaufen eine chemische Reaktion, um das gewünschte Halbleitermaterial zu erzeugen, und werden auf dem Substrat abgeschieden, während die restlichen Verbindungen und Reaktionsprodukte abgeleitet werden.
Dampfphasenepitaxie (VPE): Die Dampfphasenepitaxie ist eine wichtige Technologie, die häufig bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt wird. Das Grundprinzip besteht darin, den Dampf von Elementen oder Verbindungen in einem Trägergas zu transportieren und durch chemische Reaktionen Kristalle auf dem Substrat abzuscheiden.

Welche Probleme löst das Epitaxieverfahren?

Einkristalline Massenmaterialien allein können den wachsenden Bedarf an Halbleiterfertigung nicht decken. Daher wurde Ende 1959 die Epitaxie, eine Technologie zur Herstellung dünner Schichten einkristalliner Materialien, entwickelt. Welchen spezifischen Beitrag leistet die Epitaxietechnologie zur Weiterentwicklung von Materialien?

Als die Silizium-Epitaxie-Technologie aufkam, war die Herstellung von Silizium-Hochfrequenz- und Hochleistungstransistoren eine große Herausforderung. Prinzipiell erfordert die Erzielung hoher Frequenzen und Leistungen eine hohe Kollektor-Durchbruchspannung und einen geringen Serienwiderstand, also einen geringen Sättigungsspannungsabfall. Ersteres setzt einen hohen spezifischen Widerstand des Kollektormaterials voraus, Letzteres hingegen einen niedrigen. Diese beiden Anforderungen stehen im Widerspruch zueinander. Eine Reduzierung der Kollektordicke zur Senkung des Serienwiderstands führt zu einem zu dünnen und brüchigen Siliziumwafer. Eine Reduzierung des spezifischen Widerstands hingegen widerspricht der ersten Anforderung. Die Entwicklung der Epitaxie-Technologie hat diese Schwierigkeit jedoch erfolgreich gelöst.

Lösung: Auf einem Substrat mit extrem niedrigem Widerstand wird eine hochohmige Epitaxieschicht aufgebracht, auf der das Bauelement gefertigt wird. Die hochohmige Epitaxieschicht gewährleistet eine hohe Durchbruchspannung der Röhre, während das Substrat mit niedrigem Widerstand dessen Widerstand und damit den Sättigungsspannungsabfall reduziert. So wird der Widerspruch zwischen den beiden Anforderungen aufgelöst.

Darüber hinaus wurden Epitaxieverfahren wie die Dampfphasenepitaxie und die Flüssigphasenepitaxie von GaAs und anderen III-V-, II-VI- und molekularen Verbindungshalbleitermaterialien stark weiterentwickelt und bilden die Grundlage für die meisten Mikrowellen-, optoelektronischen und Leistungselektronikbauelemente. Sie sind unverzichtbare Prozesstechnologien für die Geräteherstellung, insbesondere die erfolgreiche Anwendung der Molekularstrahl- und metallorganischen Dampfphasenepitaxie zur Herstellung von Dünnschichten, Übergittern, Quantentöpfen, verspannten Übergittern und atomarer Dünnschichtepitaxie. Dies stellt einen neuen Schritt in der Halbleiterforschung dar und hat die Entwicklung des „Energieband-Engineerings“ auf diesem Gebiet grundlegend vorangebracht.

In der Praxis werden Halbleiterbauelemente mit großer Bandlücke fast immer auf der Epitaxieschicht hergestellt, wobei der Siliziumkarbid-Wafer selbst lediglich als Substrat dient. Daher ist die Kontrolle der Epitaxieschicht ein wichtiger Bestandteil der Halbleiterindustrie mit großer Bandlücke.

7 wichtige Fähigkeiten in der Epitaxie-Technologie

1. Hochohmige (niedrigohmige) Epitaxieschichten können epitaktisch auf niedrigohmigen (hochohmigen) Substraten aufgebracht werden.
2. Die N- (P-) Epitaxieschicht kann epitaktisch auf dem P- (N-) Substrat abgeschieden werden, um direkt einen PN-Übergang zu bilden. Bei der Herstellung eines PN-Übergangs auf einem Einkristallsubstrat mittels Diffusion treten keine Kompensationsprobleme auf.
3. In Kombination mit der Maskentechnologie wird selektives Epitaxiewachstum in bestimmten Bereichen durchgeführt, wodurch die Voraussetzungen für die Herstellung von integrierten Schaltungen und Bauelementen mit speziellen Strukturen geschaffen werden.
4. Art und Konzentration der Dotierung können während des Epitaxieprozesses je nach Bedarf angepasst werden. Die Konzentrationsänderung kann abrupt oder langsam erfolgen.
5. Es kann heterogene, mehrschichtige, mehrkomponentige Verbindungen und ultradünne Schichten mit variablen Komponenten erzeugen.
6. Epitaktisches Wachstum kann bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Materials durchgeführt werden, die Wachstumsrate ist kontrollierbar und es kann epitaktisches Wachstum mit atomarer Dicke erreicht werden.
7. Es kann einkristalline Materialien züchten, die nicht gezogen werden können, wie z. B. GaN, einkristalline Schichten von tertiären und quaternären Verbindungen usw.