Techniek om op een monokristallijn substraat een monokristallijne dunne laag te laten groeien, met dezelfde kristaloriëntatie als het substraat.
Japanse benaming: エピタキシャル成長
“Epitaxiale groei” komt voor in 33 oefenvragen uit 7 onderwerpen, bijv. Epitaxiale groei, Procesmaterialen (gassen, chemicaliën), Geavanceerde transistoren (FinFET, GAA).
Vakgebied: Epitaxiale groei
Bij epitaxiale groei nestelen atomen die op een schoon monokristallijn oppervlak aankomen zich op roosterplaatsen die de ordening van het substraat voortzetten, zodat het kristal naar boven doorgroeit. Het oppervlak moet schoon zijn: een natuurlijk oxide van ongeveer 1 nm dik of koolstofverontreiniging vormt kiemen voor defecten zoals stapelfouten, daarom worden siliciumwafers meestal in waterstof gebakken bij ongeveer 1100 °C om het oxide als SiO te laten verdampen. Het groeien van hetzelfde materiaal als het substraat heet homo-epitaxie; het groeien van een ander materiaal, zoals SiGe op silicium of GaN op saffier of SiC, is hetero-epitaxie, waarbij de mismatch in roosterconstante en thermische uitzetting moet worden beheerst.
Siliciumepitaxie met chemical vapor deposition (CVD) gebruikt trichloorsilaan, dichloorsilaan of silaan, verdund in een grote waterstofstroom, zoals in SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl. Waterstof draagt de precursor aan, houdt het oppervlak gereduceerd en verwijdert chloor als HCl; gechloreerde chemieën onderdrukken nucleatie op oxide, wat selectieve groei uitsluitend op blootliggend silicium mogelijk maakt. Bij lagere temperaturen beperkt de oppervlaktereactie de groei, zodat de snelheid een Arrhenius-afhankelijkheid volgt en de temperatuuruniformiteit de dikte-uniformiteit bepaalt. Bij hogere temperaturen beperkt het gastransport de groei en overheerst de uniformiteit van de stroming. Op wafers van 300 mm houden met lampen verwarmde single-waferreactoren de variatie binnen ongeveer ±1–2%.
Door fosfine, arsine of diboraan aan de gasstroom toe te voegen wordt de laag in situ gedoteerd, zonder implantatieschade en activeringsannealing. Omdat de dotering laag voor laag verandert, kan epitaxie overgangen binnen enkele nanometers maken, begraven zwaar gedoteerde lagen en zelfs profielen die aan het oppervlak lichter gedoteerd zijn, wat met thermische diffusie niet lukt. Een tegenwerkend effect is autodotering: doteringsmateriaal dat verdampt uit een zwaar gedoteerd substraat, ook aan de achterkant en de randen, wordt via de gasfase opnieuw ingebouwd. Het afdichten van de achterkant met oxide of polysilicium, spoelen vóór de groei en groeien bij verlaagde druk, wat de gasdiffusie versnelt, onderdrukken dit.
Epitaxiale lagen hebben minder defecten dan Czochralski-wafers (CZ) en een dotering die onafhankelijk is van het substraat, zodat ze licht gedoteerde driftlagen in vermogenscomponenten en substraten voor CMOS-beeldsensoren vormen. In FinFET's verlagen verhoogde source/drain-kristallen van met boor gedoteerd SiGe (pMOS) en met fosfor gedoteerd silicium (nMOS), tot rond 10^21 cm^-3, de weerstand en verspannen ze het kanaal; ze moeten groeien bij ongeveer 600–700 °C of lager om binnen het thermisch budget te blijven. SiC-epitaxie gebruikt substraten die ongeveer 4° off-axis zijn, zodat step-flow-groei het 4H-polytype behoudt, en leds en lasers zijn afhankelijk van epitaxiale meerlaagse stapels.
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.
Antwoord: B. Trichloorsilaan (SiHCl3) of dichloorsilaan (SiH2Cl2)
Voor epitaxiale groei van silicium worden siliciumhoudende gassen zoals trichloorsilaan, dichloorsilaan en silaan samen met waterstof gebruikt. Bij hoge temperatuur ontleden en reduceren zij en slaat silicium op het substraat neer, bijvoorbeeld volgens de reactie SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl. Grondstoffen met chloor vereisen een hogere temperatuur, maar HCl onderdrukt de afzetting op oxide en is daarom geschikt voor selectieve groei. Voor doping worden fosfine of diboraan toegevoegd.
Bij homo-epitaxie groeit een laag van hetzelfde materiaal als het substraat, zoals silicium op silicium. Bij hetero-epitaxie groeit een ander materiaal, zoals SiGe op silicium of GaN op saffier, en moet worden omgegaan met verschillende roosterconstanten en thermische uitzetting.
Selectieve epitaxie zet alleen kristal af op blootliggende halfgeleideroppervlakken en niet op het omringende oxide of nitride. Chloorhoudende chemieën helpen door nucleatie op het diëlektricum te onderdrukken, en de techniek wordt gebruikt voor verhoogde source/drain-regio's.
Een epitaxiale laag heeft minder kristaldefecten dan bulk-CZ-silicium en de dotering kan onafhankelijk van het substraat worden gekozen, bijvoorbeeld een licht gedoteerde laag op een zwaar gedoteerde wafer voor vermogenscomponenten.
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.
Welke uitspraak over epitaxiale groei is juist?Voor epitaxiale groei van silicium worden siliciumhoudende gassen zoals trichloorsilaan, dichloorsilaan en silaan samen met waterstof gebruikt.
Welk gas wordt als grondstof gebruikt bij de epitaxiale gro…Epitaxiale groei van silicium met trichloorsilaan vindt gewoonlijk plaats rond 1100 tot 1150 °C, met een hoge groeisnelheid van enkele µm per minuut, wat geschikt is voor dikke epilagen.
Welke temperatuur ligt het dichtst bij de gangbare groeitem…Bij epitaxiale groei bij verlaagde druk (enkele kPa tot enkele tientallen kPa) diffundeert gas sneller, waardoor onzuiverheden die uit het substraat zijn verdampt zich minder gemakkelijk ophopen in de grenslaag bij het groeivlak.
Welk voordeel van epitaxiale groei van silicium bij verlaag…Bij epitaxiale groei kan de concentratie per laag worden veranderd door de hoeveelheid toegevoegd gas om te schakelen, en zijn abrupte veranderingen binnen enkele nm, structuren met een ingebedde laag met hoge concentratie en het omgekeerde profiel (lage concentratie aan het oppervlak, hoge concentratie binnenin) mogelijk.
Welk voordeel heeft het toevoegen van onzuiverheden tijdens…SiC (siliciumcarbide) SiGe (silicium-germanium) Silaan (SiH4) Fosfine (PH3) Via CVD Ionenimplantatie CMOS 4H-SiC Thermische diffusie