Technologie de préparation à l'épitaxie du silicium (Si)

Epitaxie de silicium (Si)technologie de préparation

Qu’est-ce que la croissance épitaxiale ?

·Les matériaux monocristallins ne peuvent à eux seuls répondre aux besoins de la production croissante de divers dispositifs semi-conducteurs. Fin 1959, une fine couche demonocristaltechnologie de croissance matérielle - la croissance épitaxiale a été développée.

La croissance épitaxiale consiste à faire croître une couche de matériau qui répond aux exigences sur un substrat monocristallin qui a été soigneusement traité par découpe, meulage et polissage dans certaines conditions. Étant donné que la couche de produit unique développée est une extension du réseau de substrat, la couche de matériau développée est appelée couche épitaxiale.

Classification selon les propriétés de la couche épitaxiale

·Epitaxie homogène: Lecouche épitaxialeest le même que le matériau du substrat, qui maintient la cohérence du matériau et contribue à obtenir une structure de produit et des propriétés électriques de haute qualité.

·Epitaxie hétérogène: Lecouche épitaxialeest différent du matériau du substrat. En sélectionnant un substrat approprié, les conditions de croissance peuvent être optimisées et la gamme d'applications du matériau peut être élargie, mais les défis posés par l'inadéquation des réseaux et les différences de dilatation thermique doivent être surmontés.

Classification par position de l'appareil

Épitaxie positive : fait référence à la formation d'une couche épitaxiale sur le matériau du substrat lors de la croissance cristalline, et le dispositif est réalisé sur la couche épitaxiale.

Épitaxie inverse : Contrairement à l'épitaxie positive, le dispositif est fabriqué directement sur le substrat, tandis que la couche épitaxiale est formée sur la structure du dispositif.

Différences d'application : l'application des deux dans la fabrication de semi-conducteurs dépend des propriétés des matériaux requis et des exigences de conception des dispositifs, et chacun est adapté à différents flux de processus et exigences techniques.

Classification par méthode de croissance épitaxiale

· L'épitaxie directe est une méthode utilisant le chauffage, le bombardement électronique ou un champ électrique externe pour permettre aux atomes du matériau en croissance d'obtenir suffisamment d'énergie, et de migrer et de se déposer directement sur la surface du substrat pour compléter la croissance épitaxiale, comme le dépôt sous vide, la pulvérisation cathodique, la sublimation, etc. Cependant, cette méthode impose des exigences strictes en matière d'équipement. La résistivité et l'épaisseur du film ont une mauvaise répétabilité, c'est pourquoi il n'a pas été utilisé dans la production épitaxiale de silicium.

· L'épitaxie indirecte est l'utilisation de réactions chimiques pour déposer et faire croître des couches épitaxiales sur la surface du substrat, ce qui est largement appelé dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Cependant, le film mince développé par CVD n’est pas nécessairement un produit unique. Par conséquent, à proprement parler, seul le CVD qui fait croître un seul film est une croissance épitaxiale. Ce procédé dispose d'un équipement simple, et les différents paramètres de la couche épitaxiale sont plus faciles à contrôler et ont une bonne répétabilité. Actuellement, la croissance épitaxiale du silicium utilise principalement cette méthode.

Autres catégories

·Selon la méthode de transport des atomes de matériaux épitaxiaux vers le substrat, il peut être divisé en épitaxie sous vide, épitaxie en phase gazeuse, épitaxie en phase liquide (LPE), etc.

·Selon le processus de changement de phase, l'épitaxie peut être divisée enépitaxie en phase gazeuse, épitaxie en phase liquide, etépitaxie en phase solide.

Problèmes résolus par le procédé épitaxial

·Lorsque la technologie de croissance épitaxiale du silicium a débuté, c'était une époque où la fabrication de transistors en silicium haute fréquence et haute puissance rencontrait des difficultés. Du point de vue du principe du transistor, pour obtenir une haute fréquence et une puissance élevée, la tension de claquage 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 nécessite que la résistivité du matériau de la zone collectrice soit élevée, tandis que le second nécessite que la résistivité du matériau de la zone collectrice soit faible, et les deux sont contradictoires. Si la résistance série est réduite en amincissant l’épaisseur du matériau de la zone collectrice, 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. La technologie épitaxiale a résolu avec succès cette difficulté.

Solution:

·Développez une couche épitaxiale à haute résistivité sur un substrat à résistivité extrêmement faible et fabriquez le dispositif sur la couche épitaxiale. La couche épitaxiale à haute résistivité garantit au tube une tension de claquage élevée, tandis que le substrat à faible résistivité réduit la résistance du substrat et la chute de tension de saturation, résolvant ainsi la contradiction entre les deux.

En outre, les technologies épitaxiales telles que l'épitaxie en phase vapeur, l'épitaxie en phase liquide, l'épitaxie par jet moléculaire et l'épitaxie en phase vapeur de composés organométalliques de la famille 1-V, de la famille 1-V et d'autres matériaux semi-conducteurs composés tels que GaAs ont également été considérablement développées. et sont devenues des technologies de processus indispensables pour la fabrication de la plupart des micro-ondes etappareils optoélectroniques.

En particulier, l'application réussie du jet moléculaire etvapeur organique métalliquel'épitaxie de phase dans des couches ultra-minces, des super-réseaux, des puits quantiques, des super-réseaux contraints et l'épitaxie en couche mince au niveau atomique a jeté les bases du développement d'un nouveau domaine de recherche sur les semi-conducteurs, « l'ingénierie des bandes ».

Caractéristiques de la croissance épitaxiale

(1) Des couches épitaxiales à haute (faible) résistance peuvent être cultivées par épitaxie sur des substrats à faible (haute) résistance.

(2) Des couches épitaxiales N(P) peuvent être cultivées sur des substrats P(N) pour former directement des jonctions PN. Il n'y a aucun problème de compensation lors de la réalisation de jonctions PN sur des substrats uniques par diffusion.

(3) Combinée à la technologie des masques, la croissance épitaxiale sélective peut être 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 de dopage peuvent être modifiés selon les besoins pendant la croissance épitaxiale. Le changement de concentration peut être brutal ou progressif.

(5) Des couches ultra-minces de composés hétérogènes, multicouches et multi-composants avec des composants variables peuvent être cultivées.

(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'une épaisseur à l'échelle atomique peut être obtenue.

Exigences pour la croissance épitaxiale

(1) La surface doit être plane et brillante, sans défauts de surface tels que points brillants, piqûres, taches de brouillard et lignes de glissement.

(2) Bonne intégrité des cristaux, faible dislocation et densité de défauts d'empilement. Pourépitaxie de silicium, la densité de dislocation doit être inférieure à 1 000/cm2, la densité de défauts d'empilement doit être inférieure à 10/cm2 et la surface doit rester brillante après avoir été corrodée par une solution de gravure à l'acide chromique.

(3) La concentration d'impuretés de fond de la couche épitaxiale doit être faible et une compensation moindre doit être requise. La pureté des matières premières doit être élevée, le système doit être bien scellé, l'environnement doit être propre et l'opération doit être stricte pour éviter l'incorporation d'impuretés étrangères dans la couche épitaxiale.

(4) Pour l'épitaxie hétérogène, la composition de la couche épitaxiale et du substrat doit changer soudainement (sauf pour l'exigence d'un changement lent de composition) et la diffusion mutuelle de la composition entre la couche épitaxiale et le substrat doit être minimisée.

(5) La concentration de dopage doit être strictement contrôlée et uniformément répartie afin que la couche épitaxiale ait une résistivité uniforme répondant aux exigences. Il faut que la résistivité deplaquettes épitaxialescultivés dans différents fours dans le même four doivent être cohérents.

(6) L'épaisseur de la couche épitaxiale doit répondre aux exigences, avec une bonne uniformité et répétabilité.

(7) Après croissance épitaxiale sur un substrat avec une couche enterrée, la distorsion du motif de la couche enterrée est très faible.

(8) Le diamètre de la tranche épitaxiale doit être aussi grand que possible pour faciliter la production en série de dispositifs et réduire les coûts.

(9) La stabilité thermique decouches épitaxiales de semi-conducteurs composéset l'épitaxie à hétérojonction est bonne.