מדוע התקני מוליכים למחצה דורשים "שכבה אפיטקסיאלית"

מקור השם "ופל אפיטקסיאלי"

הכנת פרוסות מורכבת משני שלבים עיקריים: הכנת מצע ותהליך אפיטקסיאלי. המצע עשוי מחומר גבישי מוליך למחצה ומעובד בדרך כלל לייצור התקני מוליכים למחצה. זה יכול גם לעבור עיבוד אפיטקסיאלי ליצירת רקיק אפיטקסיאלי. אפיטקסיה מתייחסת לתהליך של גידול שכבת גביש בודדת חדשה על מצע גביש יחיד מעובד בקפידה. הגביש היחיד החדש יכול להיות מאותו חומר כמו המצע (אפיטקסיה הומוגנית) או חומר אחר (אפיטקסיה הטרוגנית). מכיוון ששכבת הגביש החדשה גדלה בהתאמה לכיוון הגבישי של המצע, היא נקראת שכבה אפיטקסיאלית. הפרוסה עם השכבה האפיטקסיאלית מכונה רקיקת אפיטקסיאלית (וואפר אפיטקסיאלי = שכבה אפיטקסיאלית + מצע). התקנים המיוצרים על השכבה האפיטקסיאלית נקראים "אפיטקסיה קדימה", בעוד שהתקנים המיוצרים על המצע מכונים "אפיטקסיה הפוכה", כאשר השכבה האפיטקסיאלית משמשת רק כתמיכה.

אפיטקסיה הומוגנית והטרוגנית

▪אפיטקסיה הומוגנית:השכבה האפיטקסיאלית והמצע עשויים מאותו חומר: למשל, Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.

▪אפיטקסיה הטרוגנית:השכבה האפיטקסיאלית והמצע עשויים מחומרים שונים: למשל, Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC וכו'.

ופלים מלוטשים

אילו בעיות אפיטקסיה פותרת?

חומרי גביש בודדים בתפזורת בלבד אינם מספיקים כדי לעמוד בדרישות המורכבות יותר ויותר של ייצור התקן מוליכים למחצה. לכן, בסוף 1959, פותחה טכניקת הגידול של חומר גבישי דק המכונה אפיטקסיה. אבל איך הטכנולוגיה האפיטקסיאלית עזרה ספציפית לקידום החומרים? עבור סיליקון, התפתחות אפיטקסיית הסיליקון התרחשה בתקופה קריטית שבה הייצור של טרנזיסטורי סיליקון בעלי תדר גבוה והספק גבוה התמודד עם קשיים משמעותיים. מנקודת המבט של עקרונות הטרנזיסטור, השגת תדר והספק גבוהים מחייבת שמתח הפריצה של אזור הקולט יהיה גבוה, וההתנגדות הסדרתית תהיה נמוכה, כלומר מתח הרוויה צריך להיות קטן. הראשון דורש התנגדות גבוהה בחומר האספן, ואילו השני דורש התנגדות נמוכה, היוצרת סתירה. הפחתת העובי של אזור האספן כדי להפחית את ההתנגדות בסדרה תהפוך את פרוסת הסיליקון לדקה ושבירה מדי לעיבוד, והורדת ההתנגדות תתנגש עם הדרישה הראשונה. הפיתוח של טכנולוגיה אפיטקסיאלית פתר את הבעיה בהצלחה. הפתרון היה לגדל שכבה אפיטקסיאלית בעלת התנגדות גבוהה על מצע בעל התנגדות נמוכה. ההתקן מיוצר על השכבה האפיטקסיאלית, מה שמבטיח את מתח התפרקות הגבוה של הטרנזיסטור, בעוד המצע בעל ההתנגדות הנמוכה מפחית את התנגדות הבסיס ומוריד את מתח הרוויה, פותר את הסתירה בין שתי הדרישות.

בנוסף, טכנולוגיות אפיטקסיאליות עבור מוליכים למחצה מורכבים III-V ו-II-VI כגון GaAs, GaN ואחרים, כולל אפיטקסיית פאזה אדים ושלב נוזלי, ראו התקדמות משמעותית. טכנולוגיות אלו הפכו חיוניות לייצור של מכשירי מיקרוגל, אופטו-אלקטרוניים והספק רבים. בפרט, טכניקות כמו אפיטקסיית קרן מולקולרית (MBE) ותצהיר כימי מתכת-אורגני (MOCVD) יושמו בהצלחה על שכבות דקות, סריג-על, בארות קוונטיות, סריג-על מתוח ושכבות אפיטקסיאליות דקות בקנה-מידה אטומי, והניחו בסיס מוצק עבור פיתוח תחומי מוליכים למחצה חדשים כגון "הנדסת להקה".

ביישומים מעשיים, רוב מכשירי המוליכים למחצה רחבי פס מיוצרים על שכבות אפיטקסיאליות, כאשר חומרים כמו סיליקון קרביד (SiC) משמשים אך ורק כמצעים. לכן, שליטה בשכבה האפיטקסיאלית היא גורם קריטי בתעשיית המוליכים למחצה רחבי פס.

טכנולוגיית Epitaxy: שבע תכונות עיקריות

1. אפיטקסיה יכולה להצמיח שכבת התנגדות גבוהה (או נמוכה) על מצע התנגדות נמוכה (או גבוהה).

2. אפיטקסיה מאפשרת צמיחה של שכבות אפיטקסיות מסוג N (או P) על מצעים מסוג P (או N), היוצרות ישירות צומת PN ללא בעיות הפיצוי המתעוררות בעת שימוש בדיפוזיה ליצירת צומת PN על מצע גבישי בודד.

3. בשילוב עם טכנולוגיית מסכות, ניתן לבצע צמיחה אפיטקסיאלית סלקטיבית באזורים ספציפיים, המאפשרת ייצור של מעגלים משולבים והתקנים בעלי מבנים מיוחדים.

4. גדילה אפיטקסיאלית מאפשרת שליטה על סוגי וריכוזי סימום, עם יכולת להגיע לשינויים פתאומיים או הדרגתיים בריכוז.

5. אפיטקסיה יכולה להצמיח תרכובות הטרוגניות, רב-שכבתיות, מרובות רכיבים עם קומפוזיציות משתנות, כולל שכבות דקות במיוחד.

6. צמיחה אפיטקסיאלית יכולה להתרחש בטמפרטורות מתחת לנקודת ההיתוך של החומר, עם קצב גדילה ניתן לשליטה, המאפשר דיוק ברמה האטומית בעובי השכבה.

7. אפיטקסיה מאפשרת צמיחה של שכבות גביש בודדות של חומרים שלא ניתן למשוך לתוך גבישים, כגון GaN ומוליכים למחצה תרכובים טריריים/רבעוניים.

שכבות אפיטקסיאליות ותהליכים אפיטקסיאליים שונים

לסיכום, שכבות אפיטקסיאליות מציעות מבנה גבישי מבוקר ומושלם יותר מאשר מצעים בתפזורת, מה שמועיל לפיתוח חומרים מתקדמים.