Epitaxiale groei versus CVD: kristalkwaliteit, substraat, temperatuur en toepassingen vergeleken
Bij epitaxiale groei groeit een eenkristallijne laag op een eenkristallijn substraat, met dezelfde kristaloriëntatie als het substraat. De meeste siliciumepitaxie gebeurt met CVD (chemical vapor deposition), dus de twee zijn geen tegenpolen: epitaxie kan worden gezien als CVD die het kristal van het substraat voortzet en eenkristal laat groeien (er bestaan ook methoden zonder CVD, zoals MBE). Deze tabel vergelijkt epitaxiale groei van eenkristal met gewone CVD die niet-eenkristallijne lagen afzet, zoals polysilicium, amorf silicium, oxide en nitride.
| Kenmerk | Epitaxiale groei | CVD (gewone depositie) |
|---|---|---|
| Resulterend kristal | Eenkristal dat de rangschikking en oriëntatie van het onderliggende kristal voortzet | Polykristallijn (polysilicium) of amorf; ook siliciumoxide- en siliciumnitridelagen zijn amorf |
| Eis aan het substraat | Een schoon eenkristallijn oppervlak om na te volgen is nodig. Bij hetero-epitaxie van een ander materiaal worden verschillen in roosterconstante en thermische uitzetting een probleem | Hoeft geen eenkristal te zijn: lagen worden afgezet op oxide, metaal, gestructureerde topografie of elk oppervlak dat het gas kan bereiken |
| Oppervlaktevoorbereiding vóór de groei | Streng. Natief oxide van ongeveer 1 nm dik of achtergebleven koolstof op het oppervlak veroorzaakt defecten zoals stapelfouten. Bij silicium volgt op een HF-reiniging meestal een waterstofbake bij ongeveer 1.100 °C die het oxide verwijdert | Er hoeft geen kristal op de onderliggende laag aan te sluiten, dus het verwijderen van oxide is in het algemeen minder streng dan bij epitaxie |
| Temperatuur (tendens) | Bij silicium afhankelijk van de precursor: ongeveer 1.100–1.150 °C met trichloorsilaan, ongeveer 1.000–1.100 °C met dichloorsilaan en grofweg 600–900 °C met silaan. SiC gebruikt ongeveer 1.500–1.650 °C | Breed bereik afhankelijk van de methode: LPCVD ongeveer 600–800 °C, plasma-CVD ongeveer 300–400 °C. Silicium uit silaan is amorf onder ongeveer 580 °C en polykristallijn daarboven |
| Typische lagen | Epitaxiale siliciumlagen, SiGe, SiC en lagen van samengestelde halfgeleiders zoals GaN en GaAs | Polysilicium, amorf silicium, siliciumoxide (uit onder meer TEOS), siliciumnitride, wolfraam |
| Dotering | In-situdotering met fosfine of diboraan tijdens de groei geeft elke laag een eigen concentratie en levert abrupte diepteprofielen op. Autodoping vanuit sterk gedoteerde substraten moet worden beheerst | Polysilicium kan door in-situdotering geleidend worden gemaakt; bij isolerende lagen is dotering niet het hoofddoel |
| Belangrijkste toepassingen | Licht gedoteerde driftlagen in vermogenscomponenten, epitaxiale wafers voor CMOS (zoals p/p+), substraten voor CMOS-beeldsensoren, verhoogde source/drain van transistors, basis van SiGe-HBT's, meerlaagse structuren in leds en lasers | Diëlektrica tussen metaallagen, STI-vulling, spacers, hardmaskers, gates en weerstanden van polysilicium, wolfraamplugs |
| Wat kwaliteit betekent | Kristaldefecten zoals stapelfouten en dislocaties, epilaagdikte en resistiviteit (dotering). Bij hetero-epitaxie ontstaan misfit-dislocaties zodra de kritische laagdikte wordt overschreden | Uniformiteit van de laagdikte, stapbedekking, dichtheid van de laag en onzuiverheden zoals waterstof, laagspanning |
| Apparatuur | Voor silicium op 300 mm-wafers zijn met lampen verwarmde single-waferreactoren gangbaar. Voor samengestelde halfgeleiders wordt veel MOCVD gebruikt, en MBE wordt bijvoorbeeld in onderzoek ingezet | LPCVD die veel wafers tegelijk in een verticale oven verwerkt, plasma-CVD, HDP-CVD voor gap fill en andere |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.