Epitaxie vs. CVD: Kristall, Substrat, Temperatur und Einsatz

Epitaktisches Wachstum lässt auf einem einkristallinen Substrat eine einkristalline Schicht mit derselben Kristallorientierung wie das Substrat wachsen. Die meisten Siliziumepitaxien erfolgen per CVD (chemische Gasphasenabscheidung), daher sind die beiden keine Gegensätze: Epitaxie lässt sich als CVD verstehen, die den Kristall des Substrats fortsetzt und Einkristall wachsen lässt (es gibt auch Verfahren ohne CVD wie MBE). Diese Tabelle vergleicht das epitaktische Wachstum von Einkristall mit gewöhnlicher CVD, die nicht einkristalline Schichten wie Polysilizium, amorphes Silizium, Oxid und Nitrid abscheidet.

MerkmalEpitaktisches WachstumCVD (gewöhnliche Abscheidung)
Entstehender KristallEinkristall, der Anordnung und Orientierung des darunterliegenden Kristalls fortsetztPolykristallin (Polysilizium) oder amorph; auch Siliziumoxid- und Siliziumnitridschichten sind amorph
Anforderungen an das SubstratBraucht eine saubere einkristalline Oberfläche als Vorlage. Bei der Heteroepitaxie eines anderen Materials werden Unterschiede in Gitterkonstante und Wärmeausdehnung zum ProblemMuss nicht einkristallin sein: Schichten scheiden sich auf Oxid, Metall, strukturierter Topografie oder jeder Oberfläche ab, die das Gas erreicht
Oberflächenvorbereitung vor dem WachstumStreng. Natives Oxid von etwa 1 nm Dicke oder Kohlenstoff auf der Oberfläche erzeugt Defekte wie Stapelfehler. Bei Silizium folgt auf eine HF-Reinigung meist ein Wasserstoff-Bake bei etwa 1.100 °C, der das Oxid entferntEs muss kein Kristall an die darunterliegende Schicht anschließen, daher ist die Oxidentfernung in der Regel nicht so streng wie bei der Epitaxie
TemperaturtendenzBei Silizium abhängig vom Precursor: etwa 1.100–1.150 °C mit Trichlorsilan, etwa 1.000–1.100 °C mit Dichlorsilan und grob 600–900 °C mit Silan. SiC verwendet etwa 1.500–1.650 °CJe nach Verfahren breit gestreut: LPCVD etwa 600–800 °C, Plasma-CVD etwa 300–400 °C. Silizium aus Silan ist unterhalb von etwa 580 °C amorph, darüber polykristallin
Typische SchichtenSilizium-Epitaxieschichten, SiGe, SiC und Verbindungshalbleiterschichten wie GaN und GaAsPolysilizium, amorphes Silizium, Siliziumoxid (aus TEOS und anderen), Siliziumnitrid, Wolfram
DotierkontrolleIn-situ-Dotierung mit Phosphin oder Diboran während des Wachstums gibt jeder Schicht ihre eigene Konzentration und ergibt abrupte Tiefenprofile. Autodoping aus hoch dotierten Substraten muss beherrscht werdenPolysilizium lässt sich durch In-situ-Dotierung leitfähig machen; bei Isolierschichten ist Dotierung nicht der Hauptzweck
HauptanwendungenSchwach dotierte Driftschichten in Leistungsbauelementen, Epitaxiewafer für CMOS (etwa p/p+), Substrate für CMOS-Bildsensoren, erhöhte Source/Drain-Gebiete von Transistoren, Basen von SiGe-HBTs, Mehrschichtstrukturen in LEDs und LasernZwischenschichtdielektrika, STI-Füllung, Spacer, Hartmasken, Polysilizium-Gates und -Widerstände, Wolfram-Plugs
Was Qualität bedeutetKristalldefekte wie Stapelfehler und Versetzungen, Epi-Dicke und spezifischer Widerstand (Dotierung). Bei der Heteroepitaxie entstehen oberhalb der kritischen Dicke Misfit-VersetzungenDickengleichmäßigkeit, Stufenbedeckung, Schichtdichte und Verunreinigungen wie Wasserstoff, Schichtspannung
AnlagenFür Silizium auf 300-mm-Wafern sind lampenbeheizte Einzelwaferreaktoren vorherrschend. Für Verbindungshalbleiter ist MOCVD verbreitet, MBE wird etwa in der Forschung eingesetztLPCVD, die viele Wafer gleichzeitig in einem Vertikalofen prozessiert, Plasma-CVD, HDP-CVD zur Lückenfüllung und andere

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Epitaktisches Wachstum
Wenn eine Schicht gebraucht wird, die die elektrische Arbeit des Bauelements leistet, mit wenigen Defekten und unabhängig vom Substrat gewählter Dotierung, etwa eine Driftschicht eines Leistungsbauelements oder SiGe-Source/Drain.
CVD (gewöhnliche Abscheidung)
Wenn Isolatoren, Elektroden, Masken oder Füllschichten gebraucht werden, die nicht einkristallin sein müssen, und dabei Topografie bedeckt werden soll.
Gleiches Gas, anderes Ergebnis
Derselbe Silizium-Precursor ergibt auf sauberem einkristallinem Silizium Einkristall, auf Oxid dagegen Polysilizium oder Ähnliches. Selektives epitaktisches Wachstum verstärkt diesen Unterschied mit chlorhaltigen Precursoren oder HCl, sodass Einkristall nur dort wächst, wo Silizium freiliegt.

Häufige Fragen

Ist epitaktisches Wachstum eine Art CVD?

Die meisten Siliziumepitaxien erfolgen per CVD, daher kann man sie als Weg sehen, mit CVD Einkristall wachsen zu lassen. Streng genommen bezeichnet Epitaxie aber das Ergebnis, das Wachstum von Einkristall in Fortsetzung des darunterliegenden Kristalls, und das Verfahren ist nicht auf CVD beschränkt. Die für Verbindungshalbleiter verbreitete MOCVD ist Epitaxie per CVD, während MBE (Molekularstrahlepitaxie) die Ausgangsstoffe im Ultrahochvakuum als Molekularstrahlen zuführt und keine CVD ist.

Warum wird vor der Epitaxie ein Wasserstoff-Bake durchgeführt?

Weil natives Oxid (etwa 1 nm) oder Verunreinigungen wie Kohlenstoff auf der Oberfläche ein sauberes einkristallines Wachstum verhindern und Defekte wie Stapelfehler verursachen. Erhitzen in Wasserstoff auf etwa 1.100 °C lässt das Oxid als SiO verdampfen und legt eine saubere Kristalloberfläche frei. Fortgeschrittene Prozesse, die das thermische Budget begrenzen müssen, kombinieren es mit Nassreinigung oder Plasmabehandlung und fahren es bei niedrigeren Temperaturen.

Was ist der Unterschied zwischen einer epitaktischen Siliziumschicht und Polysilizium?

Eine Epitaxieschicht ist mit dem Substrat verbundener Einkristall mit wenigen Kristalldefekten und kann daher als Schicht dienen, die die elektrische Arbeit des Bauelements leistet, etwa als Driftschicht oder Source/Drain. Polysilizium ist eine Ansammlung kleiner Körner, die sich überall abscheiden lässt, auch auf Oxid, und wird für Gate-Elektroden, Widerstände und ähnliche Teile verwendet.

Verständnis prüfen

Welche Aussage zum epitaktischen Wachstum ist richtig?

  1. AAuf einem einkristallinen Substrat wird ein einkristalliner Dünnfilm mit gleicher Kristallorientierung wie das Substrat aufgewachsen
  2. BAuf einem Substrat wird eine amorphe Schicht abgeschieden
  3. CDas Substrat wird bei hoher Temperatur geschmolzen und rekristallisiert
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Antwort: A. Auf einem einkristallinen Substrat wird ein einkristalliner Dünnfilm mit gleicher Kristallorientierung wie das Substrat aufgewachsen

Beim epitaktischen Wachstum lagern sich Atome so an, dass die Kristallanordnung des Substrats fortgesetzt wird, und es entsteht eine einkristalline Schicht mit derselben Orientierung wie das Substrat. Dotierungskonzentration und Material lassen sich unabhängig vom Substrat wählen, und es können defektärmere Schichten als bei CZ-Wafern erzeugt werden; verwendet wird sie für niedrig dotierte Driftschichten von Leistungsbauelementen, Substrate für CMOS-Bildsensoren, SiGe in Source und Drain von Transistoren sowie Mehrschichtstrukturen von LEDs und Lasern.

Was ist der Hauptzweck des Erhitzens des Wafers in Wasserstoffatmosphäre bei hoher Temperatur unmittelbar vor dem epitaktischen Wachstum von Silizium?

  1. ADie Oberfläche dick zu oxidieren
  2. BDotierstoffe in hoher Konzentration zuzugeben
  3. CDas natürliche Oxid von der Oberfläche zu entfernen und eine saubere Kristallfläche freizulegen
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Antwort: C. Das natürliche Oxid von der Oberfläche zu entfernen und eine saubere Kristallfläche freizulegen

Verbleiben natürliches Oxid (etwa 1 nm) oder Verunreinigungen wie Kohlenstoff auf der Oberfläche, wächst darauf kein guter Einkristall, was Stapelfehler u. Ä. verursacht. Wird vor dem Wachstum in Wasserstoff auf etwa 1100 °C erhitzt (Wasserstoff-Bake), reagiert SiO2 mit Silizium und verdampft als SiO, sodass eine saubere Siliziumkristallfläche freigelegt wird. In modernen Prozessen mit begrenztem Thermalbudget erfolgt dies bei niedrigerer Temperatur in Kombination mit vorheriger chemischer Reinigung oder Plasmabehandlung.

Welche Schicht entsteht, wenn bei der thermischen Zersetzung von Silan zur Abscheidung von Siliziumschichten die Abscheidetemperatur niedrig gewählt wird?

  1. AEinkristallines Silizium
  2. BAmorphes Silizium
  3. CSiliziumdioxid
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Antwort: B. Amorphes Silizium

Siliziumschichten aus der thermischen Zersetzung von Silan sind unterhalb von etwa 580 °C amorph und oberhalb davon polykristallin (Polysilizium). Wird zunächst amorph abgeschieden und danach lange bei etwa 600 °C getempert, wachsen die Kristalle bei wenigen Keimen, sodass Schichten mit größeren Körnern (höherer Beweglichkeit) entstehen als bei direkter Abscheidung. Bei Dünnschichttransistoren (TFT) für Flüssigkristalldisplays wird auch die Kristallisation per Laser eingesetzt.

  1. Welche Gase werden beim epitaktischen Wachstum von Silizium als Ausgangsstoffe verwendet?
  2. Wie heißt es, wenn während des epitaktischen Wachstums ein Dotiergas zugeführt und gleichzeitig mit dem Wachstum dotiert wird?
  3. Welche Aussage zum selektiven epitaktischen Wachstum ist richtig?

Übungsfragen zu Epitaxie

Wichtige Begriffe erklärt

Epitaktisches Wachstum (Epitaxie)
Technik, bei der auf einem einkristallinen Substrat eine einkristalline Dünnschicht mit gleicher Kristallorientierung wie das Substrat aufgewachsen wird.
CVD
Chemische Gasphasenabscheidung. Verfahren, bei dem durch chemische Reaktion von Quellgasen eine dünne Schicht auf dem Wafer abgeschieden wird.
Selektives epitaktisches Wachstum
Verfahren, bei dem Kristall nur an freiliegenden Siliziumbereichen wächst, die nicht von einem Isolierfilm bedeckt sind. Wird z. B. für SiGe in Source und Drain von Transistoren verwendet.
Natives Oxid
Dünne Oxidschicht von etwa 1 nm Dicke, die sich auf Silizium durch Kontakt mit Luft oder Wasser von selbst bildet. Sie erhöht den Kontaktwiderstand und behindert epitaktisches Wachstum und wird daher unmittelbar vor dem betreffenden Schritt entfernt.
Autodoping
Phänomen, bei dem während des epitaktischen Wachstums Dotierstoffe aus dem Substrat o. Ä. über die Gasphase in die aufwachsende Schicht gelangen. Problematisch beim Aufwachsen niedrig dotierter Schichten auf hochdotierten Substraten.
LPCVD (Niederdruck-CVD)
Thermische CVD unter vermindertem Druck. Wegen der schnelleren Diffusion der Gasmoleküle sind Schichtdickenhomogenität und Kantenbedeckung gut, und viele Wafer lassen sich in einem Vertikalofen gleichzeitig prozessieren. Wird für Polysilizium- und Nitridschichten genutzt.
MOCVD (metallorganische Gasphasenepitaxie)
Verfahren zum Kristallwachstum mit metallorganischen Verbindungen und Gasen wie Ammoniak. Weit verbreitet für Verbindungshalbleiter wie GaN und GaAs.

Verwandte Vergleiche