Comment les couches épitaxiales aident-elles les dispositifs semi-conducteurs ?

L'origine du nom plaquette épitaxiale

Tout d'abord, vulgarisons un petit concept : la préparation des plaquettes comprend deux maillons majeurs : la préparation du substrat et le processus d'épitaxie. Le substrat est une tranche constituée d'un matériau monocristallin semi-conducteur. Le substrat peut entrer directement dans le processus de fabrication de tranches pour produire des dispositifs semi-conducteurs, ou il peut être traité par des procédés épitaxiaux pour produire des tranches épitaxiales. L'épitaxie fait référence au processus de croissance d'une nouvelle couche de monocristal sur un substrat monocristallin qui a été soigneusement traité par découpe, meulage, polissage, etc. Le nouveau monocristal peut être le même matériau que le substrat, ou il peut s'agir d'un (épitaxie ou hétéroépitaxie (homogène) de matériaux différents). Parce que la nouvelle couche monocristalline s'étend et croît en fonction de la phase cristalline du substrat, elle est appelée couche épitaxiale (l'épaisseur est généralement de quelques microns, en prenant le silicium comme exemple : la signification de la croissance épitaxiale du silicium est sur un seul silicium). substrat cristallin avec une certaine orientation cristalline. Une couche de cristal avec une bonne intégrité de la structure de réseau et une résistivité et une épaisseur différentes avec la même orientation cristalline que le substrat est développé), et le substrat avec la couche épitaxiale est appelé plaquette épitaxiale (épitaxiale). wafer = couche épitaxiale + substrat). Lorsque le dispositif est réalisé sur la couche épitaxiale, on parle d'épitaxie positive. Si le dispositif est réalisé sur le substrat, on parle d'épitaxie inverse. A ce moment, la couche épitaxiale ne joue qu'un rôle de support.

Plaquette polie

Méthodes de croissance épitaxiale

Épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) : Il s’agit d’une technologie de croissance épitaxiale de semi-conducteurs réalisée dans des conditions d’ultra-vide. Dans cette technique, le matériau source est évaporé sous la forme d’un faisceau d’atomes ou de molécules puis déposé sur un substrat cristallin. MBE est une technologie de croissance de couches minces de semi-conducteurs très précise et contrôlable qui permet de contrôler avec précision l’épaisseur du matériau déposé au niveau atomique.
CVD métallo-organique (MOCVD) : dans le processus MOCVD, le métal organique et le gaz hydrure N gazeux contenant les éléments requis sont fournis au substrat à une température appropriée, subissent une réaction chimique pour générer le matériau semi-conducteur requis et sont déposés sur le substrat. allumé, tandis que les composés restants et les produits de réaction sont évacués.
Épitaxie en phase vapeur (VPE) : L'épitaxie en phase vapeur est une technologie importante couramment utilisée dans la production de dispositifs semi-conducteurs. Le principe de base est de transporter la vapeur de substances ou de composés élémentaires dans un gaz porteur et de déposer des cristaux sur le substrat par des réactions chimiques.

Quels problèmes le procédé d’épitaxie résout-il ?

Seuls les matériaux monocristallins en vrac ne peuvent pas répondre aux besoins croissants de fabrication de divers dispositifs semi-conducteurs. Par conséquent, la croissance épitaxiale, une technologie de croissance de matériaux monocristallins en couche mince, a été développée à la fin de 1959. Alors, quelle contribution spécifique la technologie de l’épitaxie a-t-elle à l’avancement des matériaux ?

Pour le silicium, lorsque la technologie de croissance épitaxiale du silicium a commencé, c'était une période vraiment difficile pour la production de transistors en silicium haute fréquence et haute puissance. Du point de vue des principes des transistors, pour obtenir une haute fréquence et une puissance élevée, la tension de claquage de la zone du collecteur doit être élevée et la résistance série doit être faible, c'est-à-dire que la chute de tension de saturation doit être faible. Le premier exige que la résistivité du matériau dans la zone de collecte soit élevée, tandis que le second exige que la résistivité du matériau dans la zone de collecte soit faible. Les deux provinces sont contradictoires. Si l'épaisseur du matériau dans la zone du collecteur est réduite pour réduire la résistance série, la plaquette de silicium sera trop fine et fragile pour être traitée. Si la résistivité du matériau est réduite, cela contreviendra à la première exigence. Cependant, le développement de la technologie épitaxiale a été couronné de succès. résolu cette difficulté.

Solution : Développez une couche épitaxiale à haute résistivité sur un substrat à résistance extrêmement faible et réalisez le dispositif sur la couche épitaxiale. Cette couche épitaxiale à haute résistivité garantit que le tube a une tension de claquage élevée, tandis que le substrat à faible résistance réduit également la résistance du substrat, réduisant ainsi la chute de tension de saturation, résolvant ainsi la contradiction entre les deux.

En outre, les technologies d'épitaxie telles que l'épitaxie en phase vapeur et l'épitaxie en phase liquide de GaAs et d'autres matériaux semi-conducteurs III-V, II-VI et autres composés moléculaires ont également été considérablement développées et sont devenues la base de la plupart des dispositifs micro-ondes, des dispositifs optoélectroniques, des systèmes de puissance. Il s'agit d'une technologie de processus indispensable pour la production de dispositifs, en particulier l'application réussie de la technologie d'épitaxie par faisceau moléculaire et en phase vapeur organométallique dans les couches minces, les super-réseaux, les puits quantiques, les super-réseaux contraints et au niveau atomique. l'épitaxie en couche mince, qui constitue une nouvelle étape dans la recherche sur les semi-conducteurs. Le développement de « l’ingénierie de la ceinture énergétique » dans ce domaine a jeté des bases solides.

Dans les applications pratiques, les dispositifs semi-conducteurs à large bande interdite sont presque toujours réalisés sur la couche épitaxiale, et la tranche de carbure de silicium elle-même ne sert que de substrat. Par conséquent, le contrôle de la couche épitaxiale constitue un élément important de l’industrie des semi-conducteurs à large bande interdite.

7 compétences majeures en technologie d'épitaxie

1. Des couches épitaxiales à haute (faible) résistance peuvent être épitaxiées sur des substrats à faible (haute) résistance.
2. La couche épitaxiale de type N (P) peut être épitaxiée sur le substrat de type P (N) pour former directement une jonction PN. Il n'y a aucun problème de compensation lors de l'utilisation de la méthode de diffusion pour réaliser une jonction PN sur un substrat monocristallin.
3. Combinée à la technologie des masques, la croissance épitaxiale sélective est réalisée dans des zones désignées, créant ainsi les conditions nécessaires à la production de circuits intégrés et de dispositifs dotés de structures spéciales.
4. Le type et la concentration du dopage peuvent être modifiés en fonction des besoins au cours du processus de croissance épitaxiale. Le changement de concentration peut être un changement soudain ou un changement lent.
5. Il peut cultiver des composés hétérogènes, multicouches et multi-composants et des couches ultra-minces avec des composants variables.
6. La croissance épitaxiale peut être réalisée à une température inférieure au point de fusion du matériau, le taux de croissance est contrôlable et une croissance épitaxiale d'épaisseur au niveau atomique peut être obtenue.
7. Il peut faire pousser des matériaux monocristallins qui ne peuvent pas être extraits, tels que le GaN, des couches monocristallines de composés tertiaires et quaternaires, etc.