Technique de croissance d'un film mince monocristallin sur un substrat monocristallin, en alignant son orientation cristalline sur celle du substrat.
Nom japonais: エピタキシャル成長
« Croissance épitaxiale » apparaît dans 23 questions d'entraînement réparties sur 5 thèmes, dont Croissance épitaxiale, Matériaux de procédé (gaz et produits chimiques), CMP et nettoyage.
Domaine: Croissance épitaxiale
En croissance épitaxiale, les atomes qui arrivent sur une surface monocristalline propre se placent sur des sites du réseau qui prolongent l'arrangement du substrat, étendant ainsi le cristal vers le haut. La surface doit être propre : un oxyde natif d'environ 1 nm d'épaisseur ou une contamination carbonée sert de germe à des défauts comme les fautes d'empilement ; les plaquettes de silicium sont donc généralement recuites sous hydrogène vers 1100 °C pour évaporer l'oxyde sous forme de SiO. La croissance du même matériau que le substrat est l'homoépitaxie ; celle d'un matériau différent, comme le SiGe sur silicium ou le GaN sur saphir ou sur SiC, est l'hétéroépitaxie, qui doit gérer le désaccord de maille et de dilatation thermique.
L'épitaxie du silicium par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) utilise du trichlorosilane, du dichlorosilane ou du silane dilués dans un fort débit d'hydrogène, comme dans SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl. L'hydrogène transporte le précurseur, maintient la surface réduite et élimine le chlore sous forme de HCl ; les chimies chlorées suppriment la nucléation sur l'oxyde, ce qui permet une croissance sélective uniquement sur le silicium exposé. À basse température, la réaction de surface limite la croissance : la vitesse suit alors une loi d'Arrhenius, et l'uniformité de température détermine l'uniformité d'épaisseur. À plus haute température, c'est le transport en phase gazeuse qui limite la croissance, et l'uniformité du flux devient prépondérante. Sur les plaquettes de 300 mm, les réacteurs monoplaquettes chauffés par lampes limitent la variation à environ ±1 à 2 %.
Ajouter de la phosphine, de l'arsine ou du diborane au flux gazeux dope la couche in situ, ce qui évite les dommages d'implantation et les recuits d'activation. Le dopage pouvant varier couche par couche, l'épitaxie permet de créer des transitions sur quelques nanomètres, des couches enterrées fortement dopées et même des profils moins dopés en surface, ce que la diffusion thermique ne permet pas. Un effet concurrent est l'autodopage : le dopant qui s'évapore d'un substrat fortement dopé, y compris de sa face arrière et de ses bords, est réincorporé via la phase gazeuse. On le supprime en scellant la face arrière avec de l'oxyde ou du polysilicium, en purgeant avant la croissance et en faisant croître à pression réduite, ce qui accélère la diffusion des gaz.
Les couches épitaxiales présentent moins de défauts que les plaquettes Czochralski (CZ) et un dopage indépendant de celui du substrat : elles forment ainsi les couches de dérive faiblement dopées des composants de puissance et les substrats des capteurs d'image CMOS. Dans les FinFET, les cristaux de source/drain surélevés en SiGe dopé au bore (pMOS) et en silicium dopé au phosphore (nMOS), atteignant environ 10^21 cm^-3, réduisent la résistance et contraignent le canal ; ils doivent croître vers 600 à 700 °C ou moins pour respecter le budget thermique. L'épitaxie du SiC utilise des substrats désorientés d'environ 4° afin que la croissance par marches (step-flow) préserve le polytype 4H, et les LED et les lasers reposent sur des empilements multicouches épitaxiaux.
Réponse : A. La croissance d'une couche mince monocristalline sur un substrat monocristallin, en alignant son orientation cristalline sur celle du substrat
Dans la croissance épitaxiale, les atomes s'empilent en prolongeant l'arrangement cristallin du substrat, ce qui donne une couche monocristalline de même orientation que celui-ci. La concentration de dopants et le matériau peuvent être choisis indépendamment du substrat, et la couche obtenue contient moins de défauts qu'une plaquette CZ ; elle est donc utilisée pour les couches de dérive faiblement dopées des composants de puissance, les substrats de capteurs d'image CMOS, le SiGe des sources/drains de transistors ou encore les structures multicouches des LED et lasers.
Réponse : B. Le trichlorosilane (SiHCl3) ou le dichlorosilane (SiH2Cl2)
La croissance épitaxiale du silicium utilise des gaz contenant du silicium, comme le trichlorosilane, le dichlorosilane ou le silane, avec de l'hydrogène. À haute température, ils se décomposent et sont réduits, et le silicium se dépose sur le substrat, par exemple selon la réaction SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl. Les précurseurs chlorés exigent des températures plus élevées, mais le HCl empêche le dépôt sur l'oxyde, ce qui les rend adaptés à la croissance sélective. Le dopage se fait par ajout de phosphine ou de diborane.
L'homoépitaxie fait croître une couche du même matériau que le substrat, comme du silicium sur du silicium. L'hétéroépitaxie fait croître un matériau différent, comme du SiGe sur silicium ou du GaN sur saphir, et doit composer avec des paramètres de maille et des dilatations thermiques différents.
L'épitaxie sélective ne dépose du cristal que sur les surfaces de semi-conducteur exposées, et non sur l'oxyde ou le nitrure environnant. Les chimies contenant du chlore y contribuent en supprimant la nucléation sur le diélectrique ; la technique est utilisée pour les source/drain surélevés.
Une couche épitaxiale présente moins de défauts cristallins que le silicium CZ massif, et son dopage peut être choisi indépendamment de celui du substrat, par exemple une couche faiblement dopée sur une plaquette fortement dopée pour les composants de puissance.
Dans la croissance épitaxiale, les atomes s'empilent en prolongeant l'arrangement cristallin du substrat, ce qui donne une couche monocristalline de même orientation que celui-ci.
Quelle est la définition de la croissance épitaxiale ?La croissance épitaxiale du silicium utilise des gaz contenant du silicium, comme le trichlorosilane, le dichlorosilane ou le silane, avec de l'hydrogène.
Quels gaz sont utilisés comme précurseurs pour la croissanc…Dans la croissance épitaxiale sélective, l'ajout d'acide chlorhydrique (HCl) notamment permet de ne faire croître le cristal que sur les zones de silicium exposé, les germes naissant sur l'oxyde ou le nitrure étant éliminés par gravure.
Quelle est la définition de la croissance épitaxiale sélect…En croissance épitaxiale, la commutation du débit de gaz dopant permet de varier la concentration couche par couche, et de créer des transitions abruptes en quelques nm, des couches fortement dopées enterrées, voire des profils inversés faiblement dopés en surface et fortement en profondeur.
Quel avantage présente l'ajout de dopants pendant la croiss…L'hydrogène sert de gaz porteur transportant les précurseurs de la croissance épitaxiale, et d'atmosphère réductrice éliminant à haute température l'oxyde natif de surface avant la croissance.
Quel gaz est utilisé comme gaz porteur ou atmosphère réduct…SiGe (silicium-germanium) Recuit SiC (carbure de silicium) CMOS Oxyde natif Silane (SiH4) Phosphine (PH3) CVD Diffusion thermique HBT (transistor bipolaire à hétérojonction)