Vad är halvledarepitaxiprocess?

Det är idealiskt att bygga integrerade kretsar eller halvledarenheter på ett perfekt kristallint basskikt. Deepitaxi(epi)-processen vid halvledartillverkning syftar till att avsätta ett fint enkelkristallint skikt, vanligtvis omkring 0,5 till 20 mikron, på ett enkelkristallint substrat. Epitaxiprocessen är ett viktigt steg i tillverkningen av halvledarenheter, speciellt vid tillverkning av kiselwafer.

Epitaxi (epi) process vid halvledartillverkning

Översikt över epitaxi i halvledartillverkning

Vad är det? Epitaxiprocessen (epi) i halvledartillverkning tillåter tillväxt av ett tunt kristallint skikt i en given orientering ovanpå ett kristallint substrat.

Mål Inom halvledartillverkning är målet med epitaxiprocessen att få elektronerna att transporteras mer effektivt genom enheten. I konstruktionen av halvledarenheter ingår epitaxiskikt för att förfina och göra strukturen enhetlig.

Bearbetaepitaxiprocessen tillåter tillväxt av epitaxiella skikt med högre renhet på ett substrat av samma material. I vissa halvledarmaterial, såsom heterojunction bipolära transistorer (HBT) eller metalloxidhalvledarfälteffekttransistorer (MOSFETs), används epitaxiprocessen för att odla ett skikt av material som skiljer sig från substratet. Det är epitaxiprocessen som gör det möjligt att odla ett lågdensitetsdopat lager på ett lager av högdopat material.

Översikt över epitaxiprocess i halvledartillverkning

Vad det är Epitaxiprocessen (epi) i halvledartillverkning tillåter tillväxt av ett tunt kristallint skikt i en given orientering ovanpå ett kristallint substrat.

Målet med halvledartillverkning, målet med epitaxiprocessen är att göra elektronerna som transporteras genom enheten mer effektivt. I konstruktionen av halvledarenheter ingår epitaxiskikt för att förfina och göra strukturen enhetlig.

Epitaxiprocessen tillåter tillväxt av epitaxiella lager med högre renhet på ett substrat av samma material. I vissa halvledarmaterial, såsom heterojunction bipolära transistorer (HBT) eller metalloxidhalvledarfälteffekttransistorer (MOSFETs), används epitaxiprocessen för att odla ett skikt av material som skiljer sig från substratet. Det är epitaxiprocessen som gör det möjligt att odla ett lågdensitetsdopat lager på ett lager av högdopat material.

Typer av epitaxiella processer inom halvledartillverkning

I den epitaxiella processen bestäms tillväxtriktningen av den underliggande substratkristallen. Beroende på upprepningen av avsättningen kan det finnas ett eller flera epitaxiella lager. Epitaxiella processer kan användas för att bilda tunna lager av material som är lika eller olika i kemisk sammansättning och struktur från det underliggande substratet.

Två typer av Epi-processer

EgenskaperHomoepitaxi Heteroepitaxi

Tillväxtskikt Det epitaxiella växtskiktet är samma material som substratskiktet Det epitaxiella växtskiktet är ett annat material än substratskiktet

Kristallstruktur och gitter Kristallstrukturen och gitterkonstanten för substratet och epitaxialskiktet är desamma. Kristallstrukturen och gitterkonstanten för substratet och epitaxialskiktet är olika

Exempel Epitaxiell tillväxt av högrent kisel på kiselsubstrat Epitaxiell tillväxt av galliumarsenid på kiselsubstrat

Tillämpningar Halvledarenhetsstrukturer som kräver lager med olika dopningsnivåer eller rena filmer på mindre rena substrat Halvledarenhetsstrukturer som kräver lager av olika material eller bygger kristallina filmer av material som inte kan erhållas som enkristaller

Två typer av epiprocesser

Egenskaper Homoepitaxi Heteroepitaxi

Tillväxtskiktet Det epitaxiella växtskiktet är samma material som substratskiktet Det epitaxiella växtskiktet är ett annat material än substratskiktet

Kristallstruktur och gitter Kristallstrukturen och gitterkonstanten för substratet och epitaxialskiktet är desamma. Kristallstrukturen och gitterkonstanten för substratet och epitaxialskiktet är olika

Exempel Epitaxiell tillväxt av högrent kisel på kiselsubstrat Epitaxiell tillväxt av galliumarsenid på kiselsubstrat

Tillämpningar Halvledarenhetsstrukturer som kräver lager av olika dopningsnivåer eller rena filmer på mindre rena substrat Halvledarenhetsstrukturer som kräver lager av olika material eller bygger kristallina filmer av material som inte kan erhållas som enkristaller

Faktorer som påverkar epitaxiella processer i halvledartillverkning

Faktorer Beskrivning

Temperatur Påverkar epitaxihastigheten och epitaxilagerdensiteten. Temperaturen som krävs för epitaxiprocessen är högre än rumstemperatur och värdet beror på typen av epitaxi.

Tryck Påverkar epitaxihastigheten och epitaxilagerdensiteten.

Defekter Defekter i epitaxi leder till defekta wafers. De fysikaliska förhållanden som krävs för epitaxiprocessen bör upprätthållas för defektfri epitaxilagertillväxt.

Önskad position Epitaxiprocessen bör växa på rätt position av kristallen. De områden där tillväxt inte önskas under processen bör vara ordentligt belagda för att förhindra tillväxt.

Självdoping Eftersom epitaxiprocessen utförs vid höga temperaturer kan dopningsatomer kunna åstadkomma förändringar i materialet.

Faktorbeskrivning

Temperatur Påverkar epitaxihastigheten och densiteten för det epitaxiella lagret. Den temperatur som krävs för epitaxiprocessen är högre än rumstemperatur och värdet beror på typen av epitaxi.

Trycket påverkar epitaxihastigheten och epitaxiallagerdensiteten.

Defekter Defekter i epitaxi leder till defekta wafers. Fysiska förhållanden som krävs för epitaxiprocessen bör upprätthållas för defektfri epitaxilagertillväxt.

Önskad plats Epitaxiprocessen bör växa på rätt plats för kristallen. Områden där tillväxt inte önskas under denna process bör beläggas ordentligt för att förhindra tillväxt.

Självdoping Eftersom epitaxiprocessen utförs vid höga temperaturer kan dopningsatomer kunna åstadkomma förändringar i materialet.

Epitaxiell densitet och hastighet

Densiteten för epitaxiell tillväxt är antalet atomer per volymenhet material i det epitaxiella tillväxtskiktet. Faktorer som temperatur, tryck och typen av halvledarsubstrat påverkar epitaxiell tillväxt. I allmänhet varierar tätheten hos det epitaxiella lagret med ovanstående faktorer. Hastigheten med vilken det epitaxiella lagret växer kallas epitaxihastigheten.

Om epitaxi odlas på rätt plats och orientering kommer tillväxthastigheten att vara hög och vice versa. I likhet med den epitaxiella skiktdensiteten beror epitaxihastigheten också på fysikaliska faktorer såsom temperatur, tryck och substratmaterialtyp.

Epitaxialhastigheten ökar vid höga temperaturer och låga tryck. Epitaxihastigheten beror också på substratstrukturens orientering, koncentrationen av reaktanterna och den använda tillväxttekniken.

Epitaxiprocessmetoder

Det finns flera epitaximetoder:flytande fas epitaxi (LPE), hybrid ångfas epitaxi, fast fas epitaxi,atomskiktsavsättning, kemisk ångavsättning, molekylär strålepitaxi, etc. Låt oss jämföra två epitaxiprocesser: CVD och MBE.

Kemisk ångdeposition (CVD) Molecular beam epitaxi (MBE)

Kemisk process Fysisk process

Innebär en kemisk reaktion som uppstår när en gasprekursor möter ett uppvärmt substrat i en tillväxtkammare eller reaktor Materialet som ska avsättas värms upp under vakuumförhållanden

Exakt kontroll av filmtillväxtprocessen Exakt kontroll av tjockleken och sammansättningen av det odlade lagret

För applikationer som kräver högkvalitativa epitaxiella skikt För applikationer som kräver extremt fina epitaxiella skikt

Mest använda metoden Dyrare metod

Kemisk process Fysisk process

Innebär en kemisk reaktion som uppstår när en gasprekursor möter ett uppvärmt substrat i en tillväxtkammare eller reaktor Materialet som ska avsättas värms upp under vakuumförhållanden

Exakt kontroll av tunnfilmstillväxtprocessen Exakt kontroll av tjockleken och sammansättningen av det odlade lagret

Används i applikationer som kräver högkvalitativa epitaxiella skikt Används i applikationer som kräver extremt fina epitaxiella skikt

Mest använda metoden Dyrare metod

Epitaxiprocessen är kritisk vid halvledartillverkning; det optimerar prestandan för

halvledarenheter och integrerade kretsar. Det är en av huvudprocesserna inom tillverkning av halvledarenheter som påverkar enhetens kvalitet, egenskaper och elektriska prestanda.