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.

KenmerkEpitaxiale groeiCVD (gewone depositie)
Resulterend kristalEenkristal dat de rangschikking en oriëntatie van het onderliggende kristal voortzetPolykristallijn (polysilicium) of amorf; ook siliciumoxide- en siliciumnitridelagen zijn amorf
Eis aan het substraatEen schoon eenkristallijn oppervlak om na te volgen is nodig. Bij hetero-epitaxie van een ander materiaal worden verschillen in roosterconstante en thermische uitzetting een probleemHoeft geen eenkristal te zijn: lagen worden afgezet op oxide, metaal, gestructureerde topografie of elk oppervlak dat het gas kan bereiken
Oppervlaktevoorbereiding vóór de groeiStreng. 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 verwijdertEr 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 °CBreed 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 lagenEpitaxiale siliciumlagen, SiGe, SiC en lagen van samengestelde halfgeleiders zoals GaN en GaAsPolysilicium, amorf silicium, siliciumoxide (uit onder meer TEOS), siliciumnitride, wolfraam
DoteringIn-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 beheerstPolysilicium kan door in-situdotering geleidend worden gemaakt; bij isolerende lagen is dotering niet het hoofddoel
Belangrijkste toepassingenLicht 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 lasersDiëlektrica tussen metaallagen, STI-vulling, spacers, hardmaskers, gates en weerstanden van polysilicium, wolfraamplugs
Wat kwaliteit betekentKristaldefecten zoals stapelfouten en dislocaties, epilaagdikte en resistiviteit (dotering). Bij hetero-epitaxie ontstaan misfit-dislocaties zodra de kritische laagdikte wordt overschredenUniformiteit van de laagdikte, stapbedekking, dichtheid van de laag en onzuiverheden zoals waterstof, laagspanning
ApparatuurVoor 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 ingezetLPCVD 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.

Wanneer welke variant?

Epitaxiale groei
Wanneer je een laag nodig hebt die het elektrische werk van de component doet, met weinig defecten en een dotering die los van het substraat wordt gekozen, zoals een driftlaag van een vermogenscomponent of SiGe-source/drain.
CVD (gewone depositie)
Wanneer je isolatoren, elektroden, maskers of vullagen nodig hebt die geen eenkristal hoeven te zijn en die topografie moeten bedekken.
Zelfde gas, ander resultaat
Dezelfde siliciumprecursor geeft eenkristal op schoon eenkristallijn silicium, maar polysilicium of iets vergelijkbaars op oxide. Selectieve epitaxie versterkt dit verschil met chloorhoudende precursors of HCl, zodat eenkristal alleen groeit waar silicium bloot ligt.

Veelgestelde vragen

Is epitaxiale groei een vorm van CVD?

De meeste siliciumepitaxie gebeurt met CVD, dus het kan worden gezien als een manier om met CVD eenkristal te laten groeien. Strikt genomen benoemt epitaxie echter het resultaat, het laten groeien van eenkristal dat het onderliggende kristal voortzet, en is de methode niet beperkt tot CVD. MOCVD, veel gebruikt voor samengestelde halfgeleiders, is epitaxie met CVD, terwijl MBE (molecular beam epitaxy) de bronmaterialen als moleculaire bundels in ultrahoog vacuüm aanvoert en geen CVD is.

Waarom wordt vóór epitaxie een waterstofbake uitgevoerd?

Omdat natief oxide (ongeveer 1 nm) of verontreiniging zoals koolstof op het oppervlak een goede eenkristalgroei verhindert en defecten zoals stapelfouten veroorzaakt. Verhitten in waterstof tot ongeveer 1.100 °C laat het oxide als SiO verdampen en legt een schoon kristaloppervlak bloot. Geavanceerde processen die het thermisch budget moeten beperken, combineren dit met natte reiniging of plasmabehandeling en voeren het bij lagere temperaturen uit.

Wat is het verschil tussen een epitaxiale siliciumlaag en polysilicium?

Een epitaxiale laag is eenkristal dat aansluit op het substraat, met weinig kristaldefecten, dus ze kan dienen als laag die het elektrische werk van de component doet, zoals een driftlaag of source/drain. Polysilicium is een verzameling kleine korrels die overal kan worden afgezet, ook op oxide, en wordt gebruikt voor gate-elektroden, weerstanden en vergelijkbare onderdelen.

Test uw begrip

Welke uitspraak over epitaxiale groei is juist?

  1. AHet laten groeien van een monokristallijne dunne film op een monokristallijn substraat, met dezelfde kristaloriëntatie als het substraat
  2. BHet afzetten van een amorfe film op een substraat
  3. CHet smelten van een substraat bij hoge temperatuur en het opnieuw laten kristalliseren
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het laten groeien van een monokristallijne dunne film op een monokristallijn substraat, met dezelfde kristaloriëntatie als het substraat

Bij epitaxiale groei stapelen atomen zich zo dat de kristalstructuur van het substraat wordt overgenomen, waardoor een monokristallijne film met dezelfde oriëntatie als het substraat ontstaat. Onafhankelijk van het substraat kunnen de dopantconcentratie en het materiaal worden gekozen, en er kunnen lagen met minder defecten dan in een CZ-wafer worden gemaakt. Epitaxie wordt daarom gebruikt voor de driftlaag met lage concentratie van vermogenscomponenten, substraten voor CMOS-beeldsensoren, SiGe in source en drain van transistoren en meerlaagsstructuren van leds en lasers.

Wat is het belangrijkste doel van het verhitten van de wafer in een waterstofatmosfeer bij hoge temperatuur vlak vóór de epitaxiale groei van silicium?

  1. AHet oppervlak dik oxideren
  2. BOnzuiverheden in hoge concentratie toevoegen
  3. CHet natuurlijke oxide van het oppervlak verwijderen en een schoon kristalvlak blootleggen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Het natuurlijke oxide van het oppervlak verwijderen en een schoon kristalvlak blootleggen

Als op het oppervlak natuurlijk oxide (circa 1 nm) of verontreinigingen zoals koolstof achterblijven, groeit daarop geen goed monokristal en ontstaan bijvoorbeeld stapelfouten. Bij verhitting tot circa 1100 °C in waterstof vóór de groei (waterstofbake) reageert SiO2 met silicium en verdampt als SiO, waardoor een schoon siliciumkristalvlak vrijkomt. In geavanceerde processen waar het thermisch budget beperkt moet blijven, gebeurt dit bij lagere temperatuur in combinatie met voorafgaande chemische reiniging of plasmabehandeling.

Welke laag ontstaat wanneer bij thermische ontleding van silaan een lage depositietemperatuur wordt gebruikt?

  1. AEenkristallijn silicium
  2. BAmorf silicium
  3. CSiliciumdioxide
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Amorf silicium

Een siliciumlaag door thermische ontleding van silaan is onder circa 580 °C amorf en erboven polykristallijn (polysilicium). Wanneer eerst amorf wordt afgezet en daarna langdurig bij circa 600 °C wordt uitgegloeid, groeien kristallen vanuit weinig kiemen, zodat een laag met grotere kristalkorrels (hogere mobiliteit) ontstaat dan bij rechtstreekse depositie. Bij dunnefilmtransistors (TFT) van LCD's wordt ook kristallisatie met een laser toegepast.

  1. Welk gas wordt als grondstof gebruikt bij de epitaxiale groei van silicium?
  2. Hoe heet het toevoegen van onzuiverheden tijdens de groei door doteergas te laten stromen tijdens epitaxiale groei?
  3. Welke uitspraak over selectieve epitaxiale groei is juist?

Oefenvragen over Epitaxiale groei

Belangrijke termen uitgelegd

Epitaxiale groei
Techniek om op een monokristallijn substraat een monokristallijne dunne laag te laten groeien, met dezelfde kristaloriëntatie als het substraat.
CVD
Chemical vapor deposition (chemische dampafzetting). Methode om een dunne laag op de wafer af te zetten via een chemische reactie van brongassen.
Selectieve epitaxiale groei
Methode om kristal alleen te laten groeien op de plekken waar het silicium bloot ligt en niet door een isolatiefilm is bedekt. Wordt gebruikt voor onder meer SiGe in de source en drain van transistors.
Natuurlijk oxide (native oxide)
Dunne oxidelaag van circa 1 nm die vanzelf ontstaat wanneer silicium met lucht of water in aanraking komt. Verhoogt de contactweerstand en hindert epitaxiale groei; daarom direct voor de betreffende stap verwijderd.
Autodoping
Verschijnsel waarbij tijdens epitaxiale groei doteringsatomen uit onder meer het substraat via de gasfase in de groeiende laag terechtkomen. Een probleem bij het laten groeien van een laag met lage concentratie op een sterk gedoteerd substraat.
LPCVD (low-pressure CVD)
Thermische CVD onder verlaagde druk. Doordat gasmoleculen sneller diffunderen zijn de uniformiteit van de laagdikte en de stapbedekking goed, en in een verticale oven kunnen veel wafers tegelijk worden verwerkt. Wordt gebruikt voor het afzetten van polysilicium en nitridefilms.
MOCVD (metaalorganische dampafzetting)
Methode om kristallen te laten groeien met metaalorganische verbindingen en brongassen zoals ammoniak. Wordt veel gebruikt voor de groei van verbindingshalfgeleiders zoals GaN en GaAs.

Verwante vergelijkingen