Hvordan hjelper epitaksiale lag halvlederenheter?

Opprinnelsen til navnet epitaxial wafer

Først, la oss popularisere et lite konsept: waferforberedelse inkluderer to hovedkoblinger: substratpreparering og epitaksial prosess. Substratet er en wafer laget av halvleder-enkrystallmateriale. Substratet kan gå direkte inn i wafer-fremstillingsprosessen for å produsere halvlederenheter, eller det kan behandles ved epitaksiale prosesser for å produsere epitaksiale wafere. Epitaksi refererer til prosessen med å dyrke et nytt lag med enkeltkrystall på et enkeltkrystallsubstrat som har blitt nøye behandlet ved kutting, sliping, polering osv. Den nye enkeltkrystallen kan være det samme materialet som underlaget, eller det kan være en forskjellig material (homogen) epitaksi eller heteroepitaxi). Fordi det nye enkeltkrystalllaget strekker seg og vokser i henhold til krystallfasen til underlaget, kalles det et epitaksielt lag (tykkelsen er vanligvis noen få mikron, tar silisium som et eksempel: betydningen av silisiumepitaksial vekst er på en silisiumsingel krystallsubstrat med en viss krystallorientering Et lag av krystall med god gitterstrukturintegritet og forskjellig resistivitet og tykkelse med det samme krystallorientering når substratet vokser), og substratet med det epitaksiale laget kalles en epitaksial wafer (epitaksial wafer = epitaksial lag + substrat). Når enheten er laget på det epitaksiale laget, kalles det positiv epitaksi. Hvis enheten er laget på underlaget, kalles det omvendt epitaksi. På dette tidspunktet spiller det epitaksiale laget bare en støttende rolle.

Polert oblat

Epitaksiale vekstmetoder

Molecular beam epitaxy (MBE): Det er en halvlederepitaksial vekstteknologi utført under ultrahøyvakuumforhold. I denne teknikken blir kildematerialet fordampet i form av en stråle av atomer eller molekyler og deretter avsatt på et krystallinsk substrat. MBE er en svært presis og kontrollerbar halvleder-tynnfilmvekstteknologi som nøyaktig kan kontrollere tykkelsen på avsatt materiale på atomnivå.
Metallorganisk CVD (MOCVD): I MOCVD-prosessen tilføres organisk metall og hydridgass N-gass som inneholder de nødvendige elementene til substratet ved en passende temperatur, gjennomgår en kjemisk reaksjon for å generere det nødvendige halvledermaterialet og avsettes på substratet på, mens de resterende forbindelsene og reaksjonsproduktene slippes ut.
Dampfaseepitaksi (VPE): Dampfaseepitaksi er en viktig teknologi som vanligvis brukes i produksjon av halvlederenheter. Grunnprinsippet er å transportere dampen av elementære stoffer eller forbindelser i en bæregass, og avsette krystaller på underlaget gjennom kjemiske reaksjoner.

Hvilke problemer løser epitaksiprosessen?

Bare bulk enkrystallmaterialer kan ikke dekke de økende behovene til produksjon av ulike halvlederenheter. Derfor ble epitaksial vekst, en tynt-lags enkeltkrystallmaterialevekstteknologi, utviklet på slutten av 1959. Så hvilket spesifikt bidrag har epitaksiteknologi til fremskritt av materialer?

For silisium, da silisium epitaksial vekstteknologi begynte, var det virkelig en vanskelig tid for produksjon av silisium høyfrekvente og høyeffekttransistorer. Fra perspektivet til transistorprinsipper, for å oppnå høy frekvens og høy effekt, må sammenbruddsspenningen til kollektorområdet være høy og seriemotstanden må være liten, det vil si at metningsspenningsfallet må være lite. Førstnevnte krever at resistiviteten til materialet i oppsamlingsområdet skal være høy, mens sistnevnte krever at resistiviteten til materialet i oppsamlingsområdet skal være lav. De to provinsene er motstridende. Hvis tykkelsen på materialet i oppsamlerområdet reduseres for å redusere seriemotstanden, vil silisiumplaten være for tynn og skjør til å kunne behandles. Hvis resistiviteten til materialet reduseres, vil det være i strid med det første kravet. Utviklingen av epitaksial teknologi har imidlertid vært vellykket. løste denne vanskeligheten.

Løsning: Dyrk et epitaksielt lag med høy resistivitet på et underlag med ekstremt lav motstand, og lag enheten på det epitaksiale laget. Dette epitaksiale laget med høy resistivitet sikrer at røret har en høy nedbrytningsspenning, mens substratet med lav motstand Det også reduserer motstanden til substratet, og reduserer dermed metningsspenningsfallet, og løser dermed motsetningen mellom de to.

I tillegg har epitaksiteknologier som dampfaseepitaksi og væskefaseepitaksi av GaAs og andre III-V, II-VI og andre molekylære sammensatte halvledermaterialer også blitt sterkt utviklet og har blitt grunnlaget for de fleste mikrobølgeenheter, optoelektroniske enheter, strøm Det er en uunnværlig prosessteknologi for produksjon av enheter, spesielt vellykket anvendelse av molekylstråle- og metallorganisk dampfase-epitaksiteknologi i tynne lag, supergitter, kvantebrønner, anstrengte supergitter og tynnsjiktsepitaksi på atomnivå, som er et nytt trinn i halvlederforskning. Utviklingen av "energibelteteknikk" i feltet har lagt et solid grunnlag.

I praktiske applikasjoner lages halvlederenheter med brede båndgap nesten alltid på det epitaksiale laget, og selve silisiumkarbidplaten tjener bare som underlag. Derfor er kontrollen av det epitaksiale laget en viktig del av halvlederindustrien med brede båndgap.

7 hovedferdigheter innen epitaksiteknologi

1. Epitaksiale lag med høy (lav) motstand kan dyrkes epitaksialt på underlag med lav (høy) motstand.
2. Epitaksiallaget av N (P)-typen kan dyrkes epitaksialt på substratet av P (N)-typen for å danne et PN-kryss direkte. Det er ingen kompensasjonsproblem når du bruker diffusjonsmetoden for å lage et PN-kryss på et enkelt krystallsubstrat.
3. Kombinert med masketeknologi utføres selektiv epitaksial vekst i utpekte områder, og skaper forhold for produksjon av integrerte kretser og enheter med spesielle strukturer.
4. Type og konsentrasjon av doping kan endres etter behov under den epitaksiale vekstprosessen. Endringen i konsentrasjon kan være en plutselig endring eller en langsom endring.
5. Den kan vokse heterogene, flerlags, flerkomponentforbindelser og ultratynne lag med variable komponenter.
6. Epitaksial vekst kan utføres ved en temperatur lavere enn smeltepunktet til materialet, veksthastigheten er kontrollerbar, og epitaksial vekst av atomnivåtykkelse kan oppnås.
7. Den kan vokse enkeltkrystallmaterialer som ikke kan trekkes, som GaN, enkeltkrystalllag av tertiære og kvaternære forbindelser, etc.