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.
| Merkmal | Epitaktisches Wachstum | CVD (gewöhnliche Abscheidung) |
|---|---|---|
| Entstehender Kristall | Einkristall, der Anordnung und Orientierung des darunterliegenden Kristalls fortsetzt | Polykristallin (Polysilizium) oder amorph; auch Siliziumoxid- und Siliziumnitridschichten sind amorph |
| Anforderungen an das Substrat | Braucht eine saubere einkristalline Oberfläche als Vorlage. Bei der Heteroepitaxie eines anderen Materials werden Unterschiede in Gitterkonstante und Wärmeausdehnung zum Problem | Muss nicht einkristallin sein: Schichten scheiden sich auf Oxid, Metall, strukturierter Topografie oder jeder Oberfläche ab, die das Gas erreicht |
| Oberflächenvorbereitung vor dem Wachstum | Streng. 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 entfernt | Es muss kein Kristall an die darunterliegende Schicht anschließen, daher ist die Oxidentfernung in der Regel nicht so streng wie bei der Epitaxie |
| Temperaturtendenz | Bei 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 °C | Je 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 Schichten | Silizium-Epitaxieschichten, SiGe, SiC und Verbindungshalbleiterschichten wie GaN und GaAs | Polysilizium, amorphes Silizium, Siliziumoxid (aus TEOS und anderen), Siliziumnitrid, Wolfram |
| Dotierkontrolle | In-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 werden | Polysilizium lässt sich durch In-situ-Dotierung leitfähig machen; bei Isolierschichten ist Dotierung nicht der Hauptzweck |
| Hauptanwendungen | Schwach 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 Lasern | Zwischenschichtdielektrika, STI-Füllung, Spacer, Hartmasken, Polysilizium-Gates und -Widerstände, Wolfram-Plugs |
| Was Qualität bedeutet | Kristalldefekte wie Stapelfehler und Versetzungen, Epi-Dicke und spezifischer Widerstand (Dotierung). Bei der Heteroepitaxie entstehen oberhalb der kritischen Dicke Misfit-Versetzungen | Dickengleichmäßigkeit, Stufenbedeckung, Schichtdichte und Verunreinigungen wie Wasserstoff, Schichtspannung |
| Anlagen | Für Silizium auf 300-mm-Wafern sind lampenbeheizte Einzelwaferreaktoren vorherrschend. Für Verbindungshalbleiter ist MOCVD verbreitet, MBE wird etwa in der Forschung eingesetzt | LPCVD, 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.