Epitaxiales Wachstum, oft auch einfach Epitaxie genannt, ist eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterialien und -bauelementen. Bei diesem Verfahren wird unter bestimmten Bedingungen auf einem Einkristallsubstrat eine Schicht aus einem einzigen Produkt abgeschieden. Die Epitaxietechnologie basiert auf der Forschung an Silizium-Einkristall-Dünnschichten Anfang der 1960er Jahre und hat sich seitdem fast ein halbes Jahrhundert lang weiterentwickelt. Unter bestimmten Bedingungen ist es möglich geworden, eine Vielzahl von Halbleiterschichten mittels Epitaxie herzustellen. Die Epitaxietechnologie hat viele Probleme bei diskreten Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen gelöst und die Leistungsfähigkeit der Bauelemente erheblich verbessert. Epitaxiale Schichten ermöglichen eine präzisere Kontrolle ihrer Dicke und Dotierungseigenschaften, was die rasante Entwicklung integrierter Halbleiterschaltungen und deren Perfektionierung maßgeblich vorangetrieben hat. Silizium-Einkristalle werden durch Schneiden, Schleifen, Polieren und andere Bearbeitungstechniken zu polierten Schichten verarbeitet, auf denen diskrete Bauelemente und integrierte Schaltungen hergestellt werden können. In vielen Fällen dient diese polierte Schicht lediglich als mechanische Trägerstruktur für das Substrat. Auf diesem Substrat muss zunächst eine einkristalline Schicht mit der gewünschten Leitfähigkeit und dem entsprechenden spezifischen Widerstand aufgebracht werden, bevor anschließend diskrete Bauelemente oder integrierte Schaltungen in dieser Schicht gefertigt werden. Dieses Verfahren wird beispielsweise bei der Herstellung von Silizium-Hochfrequenz-Hochleistungstransistoren eingesetzt, um den Zielkonflikt zwischen Durchbruchspannung und Serienwiderstand zu lösen. Der Kollektor des Transistors benötigt eine hohe Durchbruchspannung, die durch den spezifischen Widerstand des pn-Übergangs des Siliziumwafers bestimmt wird. Um diese Anforderung zu erfüllen, sind hochohmige Materialien erforderlich. Auf einer mehrere bis einige Dutzend Mikrometer dicken, schwach dotierten, hochohmigen n-leitenden Epitaxieschicht werden hochdotierte, niederohmige n-leitende Materialien abgeschieden. Die Transistorfertigung erfolgt in dieser Epitaxieschicht. Dadurch wird der Zielkonflikt zwischen der durch den hohen spezifischen Widerstand geforderten hohen Durchbruchspannung und dem durch den niedrigen spezifischen Widerstand des Substrats geforderten niedrigen Kollektor-Serienwiderstand gelöst.
Die Gasphasenepitaxie ist die erste Anwendung einer ausgereiften Epitaxietechnologie im Halbleiterbereich und spielt eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Halbleiterwissenschaft. Sie trägt maßgeblich zur Qualität von Halbleitermaterialien und -bauelementen sowie zur Leistungssteigerung bei. Die Herstellung von einkristallinen Halbleiterepitaxieschichten ist derzeit die wichtigste Methode der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Bei der CVD reagieren gasförmige Substanzen auf der Oberfläche eines Feststoffs und erzeugen so feste Ablagerungen. Mit der CVD-Technologie lassen sich hochwertige Einkristallschichten mit der gewünschten Dotierung und Schichtdicke herstellen. Sie ermöglicht eine einfache Massenproduktion und findet daher breite Anwendung in der Industrie. Industriell hergestellte, mittels CVD präparierte Epitaxieschichten weisen häufig eine oder mehrere vergrabene Schichten auf. Diese können zur Steuerung der Bauelementstruktur und der Dotierungsverteilung durch Diffusion oder Ionenimplantation genutzt werden. Die physikalischen Eigenschaften der CVD-Epitaxieschicht unterscheiden sich von denen des Bulkmaterials. Der Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt der Epitaxieschicht ist in der Regel sehr gering, was einen Vorteil darstellt. Allerdings neigt die CVD-Epitaxieschicht leicht zur Selbstdotierung. In praktischen Anwendungen müssen daher bestimmte Maßnahmen ergriffen werden, um die Selbstdotierung der Epitaxieschicht zu reduzieren. Die CVD-Technologie befindet sich in mancher Hinsicht noch im Stadium eines empirischen Prozesses und bedarf daher weiterer, eingehenderer Forschung, um ihre Entwicklung fortzusetzen.
Der CVD-Wachstumsmechanismus ist sehr komplex. Die chemische Reaktion umfasst üblicherweise eine Vielzahl von Komponenten und Substanzen, kann zahlreiche Zwischenprodukte erzeugen und wird von vielen unabhängigen Variablen wie Temperatur, Druck und Gasflussrate beeinflusst. Der Epitaxieprozess verläuft in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten, die sich gegenseitig erweitern und verbessern. Um den Prozess und Mechanismus des CVD-Epitaxiewachstums zu analysieren, müssen zunächst die Löslichkeit der Reaktionssubstanzen in der Gasphase, der Gleichgewichtspartialdruck verschiedener Gase sowie die kinetischen und thermodynamischen Prozesse geklärt werden. Anschließend müssen der Massentransport der Reaktionsgase von der Gasphase zur Substratoberfläche, die Bildung der Grenzschicht zwischen Gasfluss und Substratoberfläche, das Keimwachstum sowie Oberflächenreaktionen, Diffusion und Migration verstanden werden, um letztendlich den gewünschten Film zu erzeugen. Im CVD-Wachstumsprozess spielt die Entwicklung und der Fortschritt des Reaktors eine entscheidende Rolle und bestimmen maßgeblich die Qualität der Epitaxieschicht. Die Oberflächenmorphologie der Epitaxieschicht, Gitterdefekte, Verteilung und Kontrolle von Verunreinigungen, Dicke und Gleichmäßigkeit der Epitaxieschicht beeinflussen direkt die Leistungsfähigkeit und die Ausbeute des Bauelements.
–Dieser Artikel wurde veröffentlicht vonHersteller von VakuumbeschichtungsmaschinenGuangdong Zhenhua
Veröffentlichungsdatum: 04. Mai 2024