Croissance épitaxiale vs CVD : qualité cristalline, substrat, température, usages
La croissance épitaxiale fait croître une couche monocristalline sur un substrat monocristallin, avec la même orientation cristalline que le substrat. La plupart des épitaxies de silicium sont réalisées par CVD (dépôt chimique en phase vapeur) : les deux ne s’opposent donc pas, et l’épitaxie peut être vue comme une CVD qui prolonge le cristal du substrat et fait croître du monocristal (il existe aussi des méthodes sans CVD, comme la MBE). Ce tableau compare la croissance épitaxiale de monocristal à la CVD ordinaire, qui dépose des couches non monocristallines comme le polysilicium, le silicium amorphe, l’oxyde et le nitrure.
| Critère | Croissance épitaxiale | CVD (dépôt ordinaire) |
|---|---|---|
| Cristal obtenu | Monocristal qui prolonge l’arrangement et l’orientation du cristal sous-jacent | Polycristallin (polysilicium) ou amorphe ; les couches d’oxyde et de nitrure de silicium sont elles aussi amorphes |
| Exigence sur le substrat | Il faut une surface monocristalline propre à reproduire. En hétéroépitaxie d’un autre matériau, les désaccords de paramètre de maille et de dilatation thermique posent problème | Pas besoin de monocristal : les couches se déposent sur oxyde, métal, topographie gravée ou toute surface que le gaz peut atteindre |
| Préparation de surface avant croissance | Stricte. Un oxyde natif d’environ 1 nm d’épaisseur ou du carbone resté en surface amorce des défauts comme les fautes d’empilement. Pour le silicium, un nettoyage HF est généralement suivi d’un recuit sous hydrogène à environ 1 100 °C qui élimine l’oxyde | Aucun cristal ne doit se raccorder à la couche sous-jacente : l’élimination de l’oxyde est donc en général moins stricte que pour l’épitaxie |
| Tendance de température | Pour le silicium, dépend du précurseur : environ 1 100–1 150 °C avec le trichlorosilane, environ 1 000–1 100 °C avec le dichlorosilane et environ 600–900 °C avec le silane. Le SiC utilise environ 1 500–1 650 °C | Large plage selon la méthode : LPCVD environ 600–800 °C, CVD plasma environ 300–400 °C. Le silicium issu du silane est amorphe en dessous d’environ 580 °C et polycristallin au-dessus |
| Couches typiques | Couches épitaxiales de silicium, SiGe, SiC et couches de semi-conducteurs composés comme le GaN et le GaAs | Polysilicium, silicium amorphe, oxyde de silicium (à partir du TEOS notamment), nitrure de silicium, tungstène |
| Contrôle du dopage | Le dopage in situ par phosphine ou diborane pendant la croissance permet à chaque couche d’avoir sa propre concentration et donne des profils en profondeur abrupts. L’autodopage à partir de substrats fortement dopés doit être maîtrisé | Le polysilicium peut être rendu conducteur par dopage in situ ; pour les couches isolantes, le dopage n’est pas l’objectif principal |
| Principaux usages | Couches de dérive faiblement dopées des composants de puissance, plaquettes épitaxiées pour CMOS (comme p/p+), substrats de capteurs d’image CMOS, source/drain surélevés des transistors, bases de HBT SiGe, structures multicouches des LED et des lasers | Diélectriques intercouches, remplissage STI, espaceurs, masques durs, grilles et résistances en polysilicium, plots de tungstène |
| Ce que signifie la qualité | Défauts cristallins comme les fautes d’empilement et les dislocations, épaisseur et résistivité (dopage) de la couche épitaxiale. En hétéroépitaxie, dépasser l’épaisseur critique introduit des dislocations de désaccord | Uniformité d’épaisseur, couverture de marche, densité de la couche et impuretés comme l’hydrogène, contrainte de la couche |
| Équipements | Pour le silicium sur plaquettes de 300 mm, les réacteurs monoplaquettes chauffés par lampes dominent. Les semi-conducteurs composés utilisent largement la MOCVD, et la MBE sert aussi, par exemple en recherche | LPCVD traitant de nombreuses plaquettes à la fois dans un four vertical, CVD plasma, HDP-CVD pour le remplissage de tranchées, etc. |
Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.