Comment les couches épitaxiales contribuent-elles au bon fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs ?

L'origine du nom plaquette épitaxiale

Commençons par vulgariser un concept simple : la préparation des plaquettes comprend deux étapes principales : la préparation du substrat et le procédé épitaxial. Le substrat est une plaquette constituée d’un monocristal semi-conducteur. Il peut être directement intégré au processus de fabrication des plaquettes pour produire des dispositifs semi-conducteurs, ou bien être traité par des procédés épitaxiaux pour produire des plaquettes épitaxiales. L’épitaxie désigne le procédé de croissance d’une nouvelle couche de monocristal sur un substrat monocristallin soigneusement préparé (découpe, meulage, polissage, etc.). Ce nouveau monocristal peut être constitué du même matériau que le substrat, ou d’un matériau différent (épitaxie homogène ou hétéroépitaxie). La nouvelle couche monocristalline s'étend et croît en fonction de la phase cristalline du substrat ; on l'appelle couche épitaxiale (son épaisseur est généralement de quelques microns ; prenons l'exemple du silicium : la croissance épitaxiale du silicium consiste à former, sur un substrat monocristallin de silicium présentant une orientation cristalline spécifique, une couche de cristalline de structure cristalline intègre, de résistivité et d'épaisseur différentes, mais de même orientation cristalline que le substrat). Le substrat recouvert de la couche épitaxiale est appelé plaquette épitaxiale (plaquette épitaxiale = couche épitaxiale + substrat). Lorsque le dispositif est réalisé sur la couche épitaxiale, on parle d'épitaxie positive. S'il est réalisé sur le substrat, on parle d'épitaxie inverse. Dans ce cas, la couche épitaxiale joue uniquement un rôle de support.

Plaquette polie

méthodes de croissance épitaxiale

L'épitaxie par jets moléculaires (EJM) est une technique de croissance épitaxiale de semi-conducteurs réalisée sous ultravide. Elle consiste à évaporer le matériau source sous forme de faisceau d'atomes ou de molécules, puis à le déposer sur un substrat cristallin. L'EJM est une technique de croissance de couches minces de semi-conducteurs très précise et contrôlable, permettant de contrôler l'épaisseur du matériau déposé à l'échelle atomique.
Dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) : Dans le procédé MOCVD, un métal organique et un hydrure de gaz N 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, tandis que les composés restants et les produits de réaction sont évacués.
Épitaxie en phase vapeur (EPV) : L’épitaxie en phase vapeur est une technologie importante couramment utilisée dans la production de dispositifs semi-conducteurs. Son principe de base consiste à transporter la vapeur de substances ou de composés élémentaires dans un gaz vecteur et à déposer des cristaux sur le substrat par réactions chimiques.

Quels problèmes le procédé d'épitaxie résout-il ?

Les matériaux monocristallins massifs ne suffisent plus à répondre aux besoins croissants de la fabrication de divers dispositifs semi-conducteurs. C'est pourquoi la croissance épitaxiale, une technique de croissance de couches minces de matériaux monocristallins, a été développée à la fin de 1959. Quelle est donc la contribution spécifique de l'épitaxie au progrès des matériaux ?

Pour le silicium, les débuts de la technologie de croissance épitaxiale ont constitué une période particulièrement difficile pour la production de transistors haute fréquence et haute puissance. Du point de vue des principes de fonctionnement des transistors, l'obtention de hautes fréquences et d'une forte puissance exige une tension de claquage élevée au niveau du collecteur et une faible résistance série, c'est-à-dire une faible chute de tension de saturation. La première condition implique une résistivité élevée du matériau collecteur, tandis que la seconde requiert une faible résistivité. Ces deux exigences sont contradictoires. Réduire l'épaisseur du matériau collecteur pour diminuer la résistance série rendrait la plaquette de silicium trop fine et fragile pour être usinée. Réduire la résistivité du matériau contredirait la première condition. Cependant, le développement de la technologie épitaxiale a permis de résoudre cette difficulté.

Solution : Faire croître une couche épitaxiale à haute résistivité sur un substrat à très faible résistance, puis réaliser le dispositif sur cette couche. La haute résistivité de la couche épitaxiale garantit une tension de claquage élevée au tube, tandis que la faible résistance du substrat réduit la tension de saturation, résolvant ainsi la contradiction entre les deux.

De plus, les technologies d'épitaxie, telles que l'épitaxie en phase vapeur et l'épitaxie en phase liquide du GaAs et d'autres matériaux semi-conducteurs composés moléculaires III-V, II-VI et autres, ont connu un développement considérable et sont devenues la base de la plupart des dispositifs micro-ondes, optoélectroniques et de puissance. Il s'agit d'un procédé de fabrication indispensable, notamment grâce à l'application réussie des technologies d'épitaxie par jets moléculaires et d'épitaxie en phase vapeur organométallique aux couches minces, super-réseaux, puits quantiques, super-réseaux contraints et à l'épitaxie de couches minces à l'échelle atomique. Cette avancée constitue une nouvelle étape dans la recherche sur les semi-conducteurs et a permis de jeter des bases solides pour le développement de l'ingénierie des semi-conducteurs à haute énergie.

En pratique, les dispositifs semi-conducteurs à large bande interdite sont presque toujours fabriqués sur une couche épitaxiale, la plaquette de carbure de silicium servant uniquement de substrat. Par conséquent, la maîtrise de la couche épitaxiale est un aspect crucial de l'industrie des semi-conducteurs à large bande interdite.

7 compétences majeures en technologie d'épitaxie

1. Des couches épitaxiales à haute (basse) résistance peuvent être cultivées épitaxialement sur des substrats à faible (haute) résistance.
2. La couche épitaxiale de type N (P) peut être déposée par épitaxie sur le substrat de type P (N) pour former directement une jonction PN. L'utilisation de la méthode de diffusion pour la formation d'une jonction PN sur un substrat monocristallin ne pose aucun problème de compensation.
3. Associée 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 aux structures spéciales.
4. Le type et la concentration du dopant peuvent être modifiés selon les besoins au cours du processus de croissance épitaxiale. La modification de la concentration peut être brutale ou progressive.
5. Il peut faire croître des composés hétérogènes, multicouches et multicomposants ainsi que 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 atomique peut être obtenue.
7. Il peut faire croître des matériaux monocristallins qui ne peuvent pas être étirés, tels que le GaN, des couches monocristallines de composés tertiaires et quaternaires, etc.