เหตุใดอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จึงต้องมี "ชั้นอีปิแอกเชียล"

ที่มาของชื่อ “เวเฟอร์อีปิเทเชียล”

การเตรียมเวเฟอร์ประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก: การเตรียมซับสเตรตและกระบวนการเอพิแทกเซียล พื้นผิวทำจากวัสดุผลึกเดี่ยวของเซมิคอนดักเตอร์ และโดยทั่วไปได้รับการประมวลผลเพื่อผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ นอกจากนี้ยังสามารถผ่านการประมวลผลแบบเอพิแทกเชียลเพื่อสร้างเวเฟอร์แบบเอพิแทกเซียลได้ Epitaxy หมายถึงกระบวนการสร้างชั้นผลึกเดี่ยวใหม่บนพื้นผิวผลึกเดี่ยวที่ได้รับการประมวลผลอย่างระมัดระวัง ผลึกเดี่ยวชนิดใหม่อาจเป็นวัสดุเดียวกันกับซับสเตรต (เอพิแทกซีที่เป็นเนื้อเดียวกัน) หรือวัสดุอื่น (อีพิแทกซีต่างกัน) เนื่องจากชั้นคริสตัลใหม่จะเติบโตตามการวางแนวคริสตัลของซับสเตรต จึงเรียกว่าชั้นเอพิแทกเซียล เวเฟอร์ที่มีชั้น epitaxis เรียกว่าเวเฟอร์ epitaxis (เวเฟอร์ epitaxis = ชั้น epitaxis + สารตั้งต้น) อุปกรณ์ที่สร้างขึ้นบนชั้นอีพิแทกเซียลเรียกว่า "เอพิแทกซีไปข้างหน้า" ในขณะที่อุปกรณ์ที่สร้างขึ้นบนซับสเตรตเรียกว่า "อีพิแทกซีแบบย้อนกลับ" โดยที่ชั้นอีพิแทกเซียลทำหน้าที่เป็นส่วนรองรับเท่านั้น

Epitaxy ที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน

Epitaxy ที่เป็นเนื้อเดียวกัน:ชั้นเยื่อบุผิวและซับสเตรตทำจากวัสดุชนิดเดียวกัน เช่น Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP

Epitaxy ต่างกัน:ชั้นอีปิแอกเชียลและซับสเตรตทำจากวัสดุที่แตกต่างกัน: เช่น Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC เป็นต้น

เวเฟอร์ขัดเงา

Epitaxy แก้ปัญหาอะไรได้บ้าง?

วัสดุผลึกเดี่ยวจำนวนมากเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการที่ซับซ้อนมากขึ้นในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ดังนั้นในปลายปี พ.ศ. 2502 จึงได้มีการพัฒนาเทคนิคการเติบโตของวัสดุผลึกเดี่ยวบาง ๆ ที่เรียกว่า epitaxy แต่เทคโนโลยีอีปิเทเชียลช่วยพัฒนาวัสดุโดยเฉพาะได้อย่างไร สำหรับซิลิคอน การพัฒนาซิลิคอนอีพิแทกซีเกิดขึ้นในช่วงเวลาวิกฤติ เมื่อการผลิตทรานซิสเตอร์ซิลิคอนความถี่สูงและกำลังสูงเผชิญกับปัญหาที่สำคัญ จากมุมมองของหลักการของทรานซิสเตอร์ การบรรลุความถี่และกำลังสูงนั้น แรงดันพังทลายของบริเวณตัวรวบรวมจะต้องสูงและความต้านทานอนุกรมต้องต่ำ ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวควรน้อย แบบแรกต้องการความต้านทานสูงในวัสดุสะสม ในขณะที่แบบหลังต้องการความต้านทานต่ำ ซึ่งสร้างความขัดแย้ง การลดความหนาของบริเวณตัวสะสมเพื่อลดความต้านทานแบบอนุกรมจะทำให้เวเฟอร์ซิลิคอนบางเกินไปและเปราะบางสำหรับการประมวลผล และการลดความต้านทานจะขัดแย้งกับข้อกำหนดแรก การพัฒนาเทคโนโลยีอีพิแทกเซียลสามารถแก้ไขปัญหานี้ได้สำเร็จ วิธีแก้ปัญหาคือการเพิ่มชั้นเอพิแทกเซียลที่มีความต้านทานสูงบนซับสเตรตที่มีความต้านทานต่ำ อุปกรณ์นี้ถูกสร้างขึ้นบนชั้นอีพิแทกเซียล เพื่อให้มั่นใจว่าแรงดันพังทลายสูงของทรานซิสเตอร์ ในขณะที่ซับสเตรตที่มีความต้านทานต่ำจะลดความต้านทานพื้นฐานและลดแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวลง ซึ่งจะช่วยแก้ไขข้อขัดแย้งระหว่างข้อกำหนดทั้งสอง

นอกจากนี้ เทคโนโลยีอีพิแทกเซียลสำหรับเซมิคอนดักเตอร์สารประกอบ III-V และ II-VI เช่น GaAs, GaN และอื่นๆ รวมถึงเฟสไอและเฟสของเหลว ได้เห็นความก้าวหน้าที่สำคัญ เทคโนโลยีเหล่านี้กลายเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิตไมโครเวฟ ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ และอุปกรณ์ไฟฟ้าจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เทคนิคต่างๆ เช่น Molecular Beam Epitaxy (MBE) และการสะสมไอสารเคมีโลหะ-อินทรีย์ (MOCVD) ได้ถูกนำไปใช้กับชั้นบาง ๆ ซูเปอร์แลตติซ หลุมควอนตัม ซูเปอร์แลตติซที่เครียด และชั้นเอพิแทกเซียลบาง ๆ ระดับอะตอม ซึ่งวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับ การพัฒนาสาขาเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ๆ เช่น “วิศวกรรมแบนด์”

ในการใช้งานจริง อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้างส่วนใหญ่จะถูกประดิษฐ์ขึ้นบนชั้นเอพิแทกเซียล โดยมีวัสดุอย่างซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่ใช้เป็นซับสเตรตเพียงอย่างเดียว ดังนั้นการควบคุมชั้น epitaxis จึงเป็นปัจจัยสำคัญในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้าง

เทคโนโลยี Epitaxy: คุณสมบัติหลักเจ็ดประการ

1. Epitaxy สามารถสร้างชั้นความต้านทานสูง (หรือต่ำ) บนพื้นผิวที่มีความต้านทานต่ำ (หรือสูง)

2. Epitaxy ช่วยให้ชั้น epitaxis ชนิด N (หรือ P) มีการเจริญเติบโตบนซับสเตรตประเภท P (หรือ N) ทำให้เกิดจุดเชื่อมต่อ PN โดยตรงโดยไม่มีปัญหาการชดเชยที่เกิดขึ้นเมื่อใช้การแพร่กระจายเพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อ PN บนซับสเตรตที่เป็นผลึกเดี่ยว

3. เมื่อรวมกับเทคโนโลยีมาส์ก การเจริญเติบโตแบบ epitaxal แบบเลือกสรรสามารถทำได้ในพื้นที่เฉพาะ ช่วยให้สามารถผลิตวงจรรวมและอุปกรณ์ที่มีโครงสร้างพิเศษได้

4. การเจริญเติบโตของส่วนนอกช่วยให้สามารถควบคุมประเภทและความเข้มข้นของสารต้องห้าม โดยสามารถเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นอย่างฉับพลันหรือค่อยเป็นค่อยไป

5. Epitaxy สามารถเจริญเติบโตได้หลายองค์ประกอบ หลายชั้น และมีหลายองค์ประกอบ โดยมีองค์ประกอบที่หลากหลาย รวมถึงชั้นที่บางเป็นพิเศษ

6. การเจริญเติบโตในชั้นผิวอาจเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของวัสดุ โดยมีอัตราการเติบโตที่ควบคุมได้ ช่วยให้ความหนาของชั้นมีความแม่นยำระดับอะตอม

7. Epitaxy ช่วยให้เกิดการเติบโตของชั้นผลึกเดี่ยวของวัสดุที่ไม่สามารถดึงเข้าไปในคริสตัลได้ เช่น GaN และสารกึ่งตัวนำแบบไตรนารี/ควอเทอร์นารี

ชั้นอีปิแอกเซียลต่างๆ และกระบวนการอีพิแอกเซียลต่างๆ

โดยสรุป ชั้นอีปิแอกเซียลมีโครงสร้างผลึกที่สมบูรณ์แบบและควบคุมได้ง่ายกว่าซับสเตรตจำนวนมาก ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาวัสดุขั้นสูง