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Epitaxie

Epitaxie ist eine Methode zur Herstellung eines dünnen monokristallin Schicht auf einem monokristallinen Substrat (Unterschicht). Die aufgetragene Schicht wird a Epitaxieschicht erwähnt. Der Begriff Epitaxie kommt von griechisch Wörter epi ("oben" oder "auf") und Taxen („bestellt“).

Epitaxieschichten können kultiviert werden[1] von dem gasförmig oder Flüssigkeit Phase. Da das Substrat als a Impfkristall funktioniert, die Epitaxieschicht erhält das gleiche Kristallstruktur als Substrat. Dies im Gegensatz zu Verfahren, bei denen dünne Schichten aufgedampft werden, bei denen sogar auf monokristallin Substrate polykristallin oder amorph Schichten gebildet werden. Wird eine Schicht auf ein Substrat gleicher Zusammensetzung aufgetragen, spricht man von Homosexuell Epitaxie, und im anderen Fall von Hetero-Epitaxie.

Homosexuelle Epitaxie ist eine Form der Epitaxie, bei der nur ein Material verwendet wird. In diesem Fall wird eine Kristallschicht auf einem Substrat oder einem Film aus dem gleichen Material gezüchtet. Diese Technologie wird verwendet, um einen Film zu züchten, der noch reiner ist als das Substrat, und um Schichten mit unterschiedlichen Doping.

Heteroepitaxie ist eine Form der Epitaxie mit zwei verschiedenen Materialien. In diesem Fall wird eine kristalline Schicht auf einem kristallinen Substrat oder Film aus einem anderen Material aufgewachsen. Diese Technologie wird häufig für Materialien verwendet, aus denen sonst keine Einkristalle hergestellt werden können, und um integrierte Kristallschichten aus verschiedenen Materialien herzustellen. Beispiele sind Galliumnitrid (GaN) ein Saphir, Aluminium-Gallium-Indiumphosphid (AlGaInP) ein Galliumarsenid (GaAs) und andere.

Heterotopoepitaxie ist ein der Heteroepitaxie ähnliches Verfahren, bei dem die Doppelschichtkultur jedoch nicht auf zwei Dimensionen beschränkt ist. Das Substrat gleicht hier nur im Aufbau dem Dünnschichtmaterial.

Epitaxie wird zur Herstellung von . verwendet Bipolartransistoren und modern CMOS-Schaltungen basierend auf Silizium, aber es ist besonders wichtig für Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid. Von Bedeutung bei der Herstellung sind die Kontrolle der Mengen und der Gleichmäßigkeit des spezifischen Widerstands und der Dicke des Dünnfilms, die Reinheit des Materials und der Oberfläche, die Bedingungen in der Abscheidungskammer, die Verhinderung der Diffusion von Dotierstoffen aus dem üblichen viel weniger reines Substratmaterial zur aufgetragenen Schicht, Unvollkommenheiten im Kultivierungsprozess und Schutz der Oberfläche bei der Herstellung und Weiterverarbeitung.

Anwendungen

Epitaxie wird bei der Herstellung von verwendet Halbleiter und in der Nanotechnologie. Tatsächlich ist die Epitaxie die einzige praktikable Methode zur Kultivierung hochwertiger Kristalle vieler Halbleitermaterialien, einschließlich technisch wichtiger Materialien wie SiliziumgermaniumGalliumnitrid, Galliumarsenid, Indiumphosphid und Graphen.

Epitaxie wird auch verwendet, um vordotierte Schichten zu entfernen Silizium auf den polierten Oberflächen des SilikonsWafer bevor sie zu Halbleiterbauelementen verarbeitet werden. Dies gilt insbesondere für Leistungskomponenten wie z Herzschrittmacher, steuert in Automaten, Autocomputer usw.

Methoden

Epitaxie-Silizium wird üblicherweise durch Dampfphasenepitaxie (VPE) aufgebracht, eine Variante von chemische Gasphasenabscheidung (Lebenslauf). Insbesondere für Verbindungshalbleiter werden auch Molekularstrahlepitaxie (MBE) und Flüssigphasenepitaxie (LPE) verwendet. Die Festphasenepitaxie wird hauptsächlich zur Reparatur von Kristallschäden verwendet.

Dampfpitaxie

Silizium wird in der Regel mittels Siliziumtetrachlorid im Wasserstoff bei ca. 1200 °C:

SiCl4 (Gas) 2H2 (Drossel) Si(Fest) 4HCl(Gas)

Diese Reaktion ist reversibel und die Kulturgeschwindigkeit hängt stark vom Verhältnis der beiden Ausgangsgase ab. Kulturraten über 2 µm/min ergeben polykristallines Silizium und negative Kulturraten (Radierung) kann auftreten, wenn zu viel des Nebenprodukts Chlorwasserstoff (HCl) vorhanden ist. (Gegebenenfalls kann Chlorwasserstoff absichtlich hinzugefügt werden, um den Kristall zu ätzen. Eine zusätzliche Ätzreaktion konkurriert mit der Abscheidung:

SiCl4 (Gas) Si(Fest) 2SiCl2 (Drossel)

Für Silizium kann VPE auch Silan, Dichlorsilan und Trichlorsilan werden als Abgase verwendet. Bei 650 °C läuft beispielsweise mit Silan folgende Reaktion ab:

SiH4 → Si2H2

Diese Reaktion verursacht kein unbeabsichtigtes Ätzen des Wafers. Es findet bei einer viel niedrigeren Temperatur statt als bei Siliziumtetrachlorid. Im Gegensatz dazu wird eine polykristalline Schicht gebildet, wenn der Prozess nicht streng kontrolliert wird.

VPE wird manchmal aufgrund der Zusammensetzung der Ausgangsgase weiter spezifiziert, wie z Hydrid VPE und metallorganisches PU (MOVPE).

Flüssigkeitsepitaxie

Flüssigepitaxie (LPE) ist ein Verfahren zur Kultivierung von Halbleiterkristallschichten aus einer Schmelze auf einem festen Substrat, die bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des aufzubringenden Halbleiters erfolgt. Der Halbleiter wird in der Schmelze eines anderen Materials gelöst. Unter Bedingungen nahe dem Gleichgewicht zwischen Auflösung und Abscheidung scheidet sich der Halbleiter langsam und gleichmäßig auf dem Substrat ab. Typische Ausscheidungsraten für monokristalline Schichten betragen 0,1 ... 1 µm/min. Die Gleichgewichtsbedingungen hängen stark von der Temperatur und der Konzentration des gelösten Halbleiters in der Schmelze ab. Das Wachstum der Schicht kann durch Zwangskühlung der Schmelze kontrolliert werden. Verunreinigungen können stark reduziert werden. Doping ist durch Zugabe von Dopingmitteln möglich.

Dieses Verfahren wird hauptsächlich für Verbindungshalbleiter verwendet. Es können sehr dünne, gleichmäßige und qualitativ hochwertige Schichten hergestellt werden. Ein typisches Beispiel für Flüssigepitaxie ist die Kultivierung von ternären und quaternären III-V-Verbindungen auf Galliumarsenid (GaAs)-Substraten. Gallium wird in diesem Fall häufig als Lösungsmittel verwendet. ein weiteres häufig verwendetes Substrat ist Indiumphosphid (InP). Für spezielle Anwendungen können aber auch andere Substrate wie Glas oder Keramik verwendet werden. Rund um die Keimbildung und um Spannungen in der Kulturschicht zu vermeiden, sollten die Ausdehnungskoeffizienten des Substrats und der Kulturschicht ungefähr gleich sein.

Festkörperepitaxie

Die Festphasenepitaxie (SPE) ist ein Übergang zwischen der amorphen und der kristallinen Phase eines Materials. Üblicherweise wird zuerst ein amorpher Film auf ein kristallines Substrat aufgebracht. Das Substrat wird dann erhitzt, um den Film zu kristallisieren. Das monokristalline Substrat dient als Vorlage für das Kristallwachstum. Als eine Form der Festkörperepitaxie wird auch das Tempern angesehen, das verwendet wird, um während der Ionenimplantation amorph gewordene Siliziumschichten zu rekristallisieren. Die Trennung und Umverteilung von Verunreinigungen an der Grenzfläche zwischen dem wachsenden Kristall und der amorphen Schicht wird verwendet, um schwach lösliche Dotierstoffe in Metallen und in Silizium herzustellen.[2]

Molekularstrahlepitaxie

Bei der Molekularstrahlepitaxie (MBE) wird ein Ausgangsmaterial erhitzt, um einen Dampfstrahl von Partikeln zu erhalten. Diese Partikel fliegen durch ein sehr hohes Vakuum (10−8pa; also ein fast leerer Raum) zum Substrat, wo sie kondensieren. MBE erreicht niedrigere Produktionsraten als andere Formen der Epitaxie. Dieses Verfahren wird häufig zum Kultivieren von Kristallen von III-V-Halbleitern verwendet.[3][4]

Doping

Eine Epitaxieschicht kann während der Kultur dotiert werden, indem dem Ausgangsgas Verunreinigungen beigemischt werden, wie z arsine (Asche3), Phosphin (PH3) oder Boran (B2huh6). Die Konzentration der Verunreinigung in der Gasphase bestimmt die Konzentration in der Epitaxieschicht. Wie bei CVD beeinflussen die Verunreinigungen die Niederschlagsrate. Darüber hinaus können die hohen Temperaturen bei CVD zu Dotierungen in der wachsenden Schicht führen diffus. Auch Dotierungen im Ausgangsgas, die durch Verdampfung oder durch Nassätzen der Oberfläche freigesetzt werden, können in die Epitaxieschicht eindiffundieren ("Auto-Dotierung"). Die Dotierungsprofile darunterliegender Schichten ändern sich ebenfalls, jedoch weniger stark.

Siehe auch

Verweise

  1. ↑Das englische Wort wachsen kann beides wachsen wenn wachsen bedeuten. In der modernen Physik und Technik wird dies oft fälschlicherweise oft mit . übersetzt wachsen, auch wenn wachsen ist gemeint. Dies ist jedoch ein Anglizismus.
  2. ↑A. Polman et al., J. Appl. Phys., Bd. 75, nein. 6., 15. März 1994
  3. ↑A. Y. Cho, „Wachstum von III-V-Halbleitern durch Molekularstrahlepitaxie und ihre Eigenschaften“, Thin Solid Films. vol. 100, S. 291-317, 1983.
  4. ↑Cheng, K.-Y., "Molecular Beam Epitaxy Technology of III-V Compound Semiconductors for optoelectronic applications", Proceedings of the IEEE, Bd. 85, Nr. 11, S. 1694-1714, Nov. 1997URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=649646&isnumber=14175

Nüsse

  • Jäger, Richard C., Einführung in die mikroelektronische Fertigung. Prentice Hall, Upper Saddle River (2002), „Filmdeposition“. ISBN 0-201-44494-7 .

Externe Links