Epitaxy is a very special case of thin-film deposition: the deposited film will be single crystalline. This can only take place when special conditions are met. The deposited layer registers the crystalline information from the substrate. In order to do so properly, the crystal lattices of the film and the substrate must be identical or closely matching. The simplest case is homoepitaxy: film and substrate are the same material, for example silicon deposition on silicon. Because crystal information is “transmitted” across the substrate/film interface, the surface quality of the starting wafer is of paramount importance. A residual film a few atomic layers thick can prevent epitaxy. Epitaxy reactors are therefore designed with extreme cleanliness in mind, use the highest purity chemicals and are very delicate and expensive pieces of equipment. Epitaksi, ince film biriktirmenin çok özel bir durumudur: biriken film tek kristal olacaktır. Bu ancak özel koşullar yerine getirildiğinde gerçekleşebilir. Biriken katman, substrattan gelen kristal bilgiyi kaydeder. Bunu düzgün bir şekilde yapmak için, filmin kristal kafesleri ve alt tabaka aynı veya yakından eşleşmelidir. En basit durum homoepitaksidir: film ve substrat aynı malzemedir, örneğin silikon üzerinde silikon birikimi. Kristal bilgisi alt tabaka/film arayüzü boyunca "iletildiğinden", başlangıç gofretinin yüzey kalitesi büyük önem taşır. Birkaç atom tabakası kalınlığında bir kalıntı film epitaksiyi önleyebilir. Epitaksi reaktörleri bu nedenle aşırı temizlik göz önünde bulundurularak tasarlanmıştır, en yüksek saflıkta kimyasallar kullanır ve çok hassas ve pahalı ekipman parçalarıdır.
Epitaxy is a demanding process and high-quality epitaxial films are difficult to make. Epitaxial deposition can fail partially and result in defective single crystalline material, or it can fail completely and result in polycrystalline or even amorphous film. Whether the defective material is usable for devices depends on the density and location of those defects: if defects are confined to substrate/film interface, and the deposited layer is mostly defect-free, the material may be usable, but this depends on the device operating principle and engineering judgment is needed to decide on acceptable defect levels. Epitaksi zorlu bir süreçtir ve yüksek kaliteli epitaksiyel filmlerin yapılması zordur. Epitaksiyel biriktirme kısmen başarısız olabilir ve kusurlu tek kristalli malzemeye neden olabilir veya tamamen başarısız olabilir ve polikristalin veya hatta amorf film ile sonuçlanabilir. Kusurlu malzemenin cihazlar için kullanılabilir olup olmadığı, bu kusurların yoğunluğuna ve konumuna bağlıdır: kusurlar alt tabaka / film arayüzü ile sınırlıysa ve biriken katman çoğunlukla kusursuzsa, malzeme kullanılabilir olabilir, ancak bu cihazın çalışma prensibine bağlıdır ve kabul edilebilir kusur seviyelerine karar vermek için mühendislik kararına ihtiyaç vardır.
6.1 Heteroepitaxy 6.1 Heteroepitaksi
Epitaxy on dissimilar materials is termed heteroepitaxy, with examples such as AlAs on GaAs,GaN\mathrm{GaAs}, \mathrm{GaN} on SiC and SiGe on Si. The lattice constants of various semiconductors are shown in Figure 6.1. The Al_(x)Ga_(1-x)\mathrm{Al}_{x} \mathrm{Ga}_{1-x} As system is favorable because lattice constants of all GaAs and AlAs alloys differ by less than 0.2%0.2 \%, and multiple layers of AlAs/GaAs/AlAs type can be grown easily, with periods Farklı malzemeler üzerindeki epitaksi, GaAs,GaN\mathrm{GaAs}, \mathrm{GaN} SiC'de AlAs ve Si'de SiGe gibi örneklerle heteroepitaksi olarak adlandırılır. Çeşitli yarı iletkenlerin kafes sabitleri Şekil 6.1'de gösterilmiştir. As Al_(x)Ga_(1-x)\mathrm{Al}_{x} \mathrm{Ga}_{1-x} sistemi uygundur çünkü tüm GaAs ve AlAs alaşımlarının kafes sabitleri 'den 0.2%0.2 \% daha az farklılık gösterir ve AlAs/GaAs/AlAs tipinin birden fazla katmanı, periyotlarla kolayca büyütülebilir
down to atomic layer thickness, equipment limitations allowing. Semiconductor lasers and solar cells can have tens of layers grown epitaxially (Figure 6.2). atomik katman kalınlığına kadar, ekipman sınırlamalarına izin verir. Yarı iletken lazerler ve güneş pilleri, epitaksiyal olarak büyütülmüş onlarca katmana sahip olabilir (Şekil 6.2).
Heteroepitaxy of silicon-germanium is an important application. Germanium is a group IV element like silicon, and they have identical lattice structures, so one basic requirement of epitaxy is fulfilled. Their lattice constants are, however, different: that is, silicon 0.543 nm , germanium 0.566 nm . Deposition of silicon with a small concentration of germanium will result in a single crystalline film because the silicon lattice will hold a small number of slightly larger germanium atoms in place (Figure 6.3). Deposition of pure germanium will result in a polycrystalline film because the lattice mismatch is too large to be accommodated. Silikon-germanyumun heteroepitaksisi önemli bir uygulamadır. Germanyum, silikon gibi bir grup IV elementidir ve aynı kafes yapılarına sahiptirler, bu nedenle epitaksinin temel bir gereksinimi karşılanır. Bununla birlikte, kafes sabitleri farklıdır: yani, silikon 0.543 nm , germanyum 0.566 nm . Silikonun küçük bir germanyum konsantrasyonu ile biriktirilmesi, tek bir kristal film ile sonuçlanacaktır, çünkü silikon kafes az sayıda biraz daha büyük germanyum atomunu yerinde tutacaktır (Şekil 6.3). Saf germanyumun birikmesi, polikristalin bir film ile sonuçlanacaktır, çünkü kafes uyumsuzluğu yerleştirilemeyecek kadar büyüktür.
There exists a critical thickness t_(c)t_{\mathrm{c}} (which depends on the Si_(x)Ge_(1-x)\mathrm{Si}_{x} \mathrm{Ge}_{1-x} lattice constant and therefore germanium fraction) below which mismatch can be accommodated by elastic deformation, as shown in Figure 6.4. Below the critical thickness the thin epilayer is strained to fit the silicon lattice, and above the critical thickness the lattice relaxes via misfit dislocations, and the film quality may become useless for device applications. In the strained metastable region the epilayer is thermodynamically unstable but kinetically prevented from finding a relaxed state. Şekil 6.4'te gösterildiği gibi, altında uyumsuzluğun elastik deformasyon ile karşılanabileceği kritik bir kalınlık t_(c)t_{\mathrm{c}} (kafes sabitine Si_(x)Ge_(1-x)\mathrm{Si}_{x} \mathrm{Ge}_{1-x} ve dolayısıyla germanyum fraksiyonuna bağlı olan) vardır. Kritik kalınlığın altında, ince epitabaka silikon kafese uyacak şekilde gerilir ve kritik kalınlığın üzerinde kafes, uygun olmayan çıkıklar yoluyla gevşer ve film kalitesi, cihaz uygulamaları için işe yaramaz hale gelebilir. Gergin yarı kararlı bölgede, epitabaka termodinamik olarak kararsızdır, ancak kinetik olarak rahat bir durum bulması engellenir.
It is possible to increase the germanium content gradually, and finally Si_(x)Ge_(1-x)\mathrm{Si}_{x} \mathrm{Ge}_{1-x} films with 50%50 \% germanium can be deposited epitaxially. SiGe films are under compressive stress, and if a silicon layer is deposited on SiGe , it will be under tensile stress. Germanyum içeriğini kademeli olarak arttırmak mümkündür ve son olarak Si_(x)Ge_(1-x)\mathrm{Si}_{x} \mathrm{Ge}_{1-x} germanyumlu 50%50 \% filmler epitaksiyal olarak biriktirilebilir. SiGe filmleri basınç gerilimi altındadır ve SiGe üzerinde bir silikon tabakası birikirse, çekme gerilimi altında olacaktır.
There are other applications of heteroepitaxy on silicon: SiC on Si is intensely studied because SiC substrates are expensive, and silicon substrates would be readily available, also in large diameters. Shown in Figure 6.5 is a TEM micrograph of epitaxial oxide < Y_(2)O_(3) ><\mathrm{Y}_{2} \mathrm{O}_{3}> on silicon. As further proof of epitaxial film quality, epitaxial silicon is grown on < Y_(2)O_(3) ><\mathrm{Y}_{2} \mathrm{O}_{3}>. Obviously this has to be the Silisyum üzerinde heteroepitaksinin başka uygulamaları da vardır: SiC üzerindeki SiC yoğun bir şekilde incelenir, çünkü SiC substratları pahalıdır ve silikon substratlar da büyük çaplarda kolayca bulunacaktır. Şekil 6.5'te gösterilen, silikon üzerindeki epitaksiyel oksidin < Y_(2)O_(3) ><\mathrm{Y}_{2} \mathrm{O}_{3}> bir TEM mikrografıdır. Epitaksiyel film kalitesinin bir başka kanıtı olarak, epitaksiyel silikon üzerinde < Y_(2)O_(3) ><\mathrm{Y}_{2} \mathrm{O}_{3}> büyütülür. Açıkçası bu olmalı
Figure 6.1 Lattice constants and band gaps of various semiconductors Şekil 6.1 Çeşitli yarı iletkenlerin kafes sabitleri ve bant aralıkları
Figure 6.2 Superlattice structure of a quantum well solar cell with 30 periods of GaAs//InGaP\mathrm{GaAs} / \mathrm{InGaP}. Reproduced from Magnanini et al. (2008) by permission of Elsevier Şekil 6.2 30 periyodu olan bir kuantum kuyusu GaAs//InGaP\mathrm{GaAs} / \mathrm{InGaP} güneş pilinin süperkafes yapısı. Magnanini et al. (2008) tarafından Elsevier'in izniyle çoğaltılmıştır.
Figure 6.3 Germanium epitaxy on silicon is impossible because the lattice constants are too different. However, an alloy Si_(x)Ge_(1-x)\mathrm{Si}_{x} \mathrm{Ge}_{1-x} can be deposited because the silicon lattice can accommodate some germanium atoms Şekil 6.3 Kafes sabitleri çok farklı olduğu için silisyum üzerindeki germanyum epitaksi imkansızdır. Bununla birlikte, silikon kafes bazı germanyum atomlarını barındırabildiği için bir alaşım Si_(x)Ge_(1-x)\mathrm{Si}_{x} \mathrm{Ge}_{1-x} biriktirilebilir
case: if the two materials have matching lattices and clean surfaces, epitaxy works both ways. Another example of heteroepitaxy is the growth of high-temperature cuprate superconductors on silicon: first single crystalline YSZ, yttria-stabilized zirconia, is grown on single crystalline Durum: İki malzeme eşleşen kafeslere ve temiz yüzeylere sahipse, Epitaksi her iki şekilde de çalışır. Heteroepitaksinin bir başka örneği, silikon üzerinde yüksek sıcaklıkta cuprate süper iletkenlerin büyümesidir: ilk tek kristalli YSZ, ittriya ile stabilize edilmiş zirkonya, tek kristalli üzerinde büyütülür
Figure 6.4 Si_(x)Ge_(1-x)\mathrm{Si}_{x} \mathrm{Ge}_{1-x} epitaxy on silicon: thicknesses and germanium concentrations refer to 600^(@)C600{ }^{\circ} \mathrm{C} growth. At higher temperatures critical thickness is smaller Şekil 6.4 Silikon üzerinde Si_(x)Ge_(1-x)\mathrm{Si}_{x} \mathrm{Ge}_{1-x} epitaksi: kalınlıklar ve germanyum konsantrasyonları büyümeyi ifade eder 600^(@)C600{ }^{\circ} \mathrm{C} . Daha yüksek sıcaklıklarda kritik kalınlık daha küçüktür
Figure 6.5 Epitaxial silicon on epitaxial yttrium oxide on silicon, TEM cross-section. Reproduced from Borschel et al. (2009), Copyright 2009, American Institute of Physics Şekil 6.5 Silikon üzerinde epitaksiyel itriyum oksit üzerinde epitaksiyel silikon, TEM kesiti. Borschel et al. (2009), Copyright 2009, American Institute of Physics'ten alınmıştır.
silicon, followed by CeO_(2)\mathrm{CeO}_{2} and finally by GdBaCuO superconductor film. silikon, ardından CeO_(2)\mathrm{CeO}_{2} ve son olarak GdBaCuO süper iletken film.
In silicon-on-sapphire (SOS), single crystal silicon is deposited on single crystal sapphire. The lattices of sapphire and silicon are different but if the sapphire crystal is properly oriented the apparent lattice constant is close enough to 0.543 nm of silicon. SOS was the first SOI technology, but it has largely been replaced by other SOI technologies. Safir üzerinde silikonda (SOS), tek kristal silikon, tek kristal safir üzerinde biriktirilir. Safir ve silikonun kafesleri farklıdır, ancak safir kristal düzgün bir şekilde yönlendirilirse, görünen kafes sabiti 0.543 nm silikona yeterince yakındır. SOS, ilk SOI teknolojisiydi, ancak büyük ölçüde diğer SOI teknolojileri ile değiştirildi.
Silicon epitaxy on silicon enables freedom in doping level and doping-type tailoring. A lightly doped epitaxial p-type layer ( rho∼10\rho \sim 10 ohm-cm) can be grown on a heavily p-doped substrate wafer ( rho∼0.2ohm-cm\rho \sim 0.2 \mathrm{ohm}-\mathrm{cm} ). These types of wafers are used for microprocessors and other highperformance logic circuits. An n-silicon epitaxial layer on a p-substrate is used in many micromechanical devices because of electrochemical etch stop (Chapter 20). Silisyum üzerindeki silisyum epitaksi, doping seviyesinde ve doping tipi uyarlamada serbestlik sağlar. Hafif katkılı bir epitaksiyel p-tipi tabaka ( rho∼10\rho \sim 10 ohm-cm), ağır p katkılı bir substrat gofret ( rho∼0.2ohm-cm\rho \sim 0.2 \mathrm{ohm}-\mathrm{cm} ) üzerinde büyütülebilir. Bu tür gofretler, mikroişlemciler ve diğer yüksek performanslı mantık devreleri için kullanılır. Bir p-substrat üzerindeki bir n-silikon epitaksiyel tabaka, elektrokimyasal aşındırma durması nedeniyle birçok mikromekanik cihazda kullanılır (Bölüm 20).
In a CZ ingot resistivity depends on the position in the ingot as shown by Equation 4.6. Deposition of the epilayer equalizes wafers in this respect. Epilayer uniformity (both thickness uniformity and doping uniformity) is good, and if very tight resistivity specification is needed, epitaxial wafers override bulk silicon wafers. Another benefit of epitaxy is the absence of oxygen and carbon, which are always present in CZ silicon. About 20%20 \% of all starting wafers sold are epiwafers. But epitaxy is also as a part of device processing and this is extensively used in making bipolar transistors, see Chapter 27. Bir CZ külçesinde direnç, Denklem 4.6'da gösterildiği gibi külçedeki konuma bağlıdır. Epitabakanın birikmesi, bu açıdan gofretleri eşitler. Epilayer homojenliği (hem kalınlık homojenliği hem de doping homojenliği) iyidir ve çok sıkı direnç spesifikasyonu gerekiyorsa, epitaksiyel gofretler toplu silikon gofretleri geçersiz kılar. Epitaksinin bir başka yararı, CZ silikonunda her zaman bulunan oksijen ve karbonun olmamasıdır. Satılan tüm başlangıç gofretlerinin yaklaşık 20%20 \% olarak epiwaferleri vardır. Ancak epitaksi aynı zamanda cihaz işlemenin bir parçasıdır ve bu, bipolar transistörlerin yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır, Bölüm 27'ye bakınız.
Boron dopant atoms are smaller than silicon, and the resulting boron-doped epilayer will be under tensile stress. Arsenic atoms are larger than silicon, and an arsenicdoped epilayer is under compressive stress. But dopant atom concentrations are fairly small (10^(15)-10^(17)cm^(-3):}\left(10^{15}-10^{17} \mathrm{~cm}^{-3}\right. vs. 5xx10^(22)cm^(-3)5 \times 10^{22} \mathrm{~cm}^{-3} silicon atom density) and the effect is minor. Bor katkı maddesi atomları silikondan daha küçüktür ve ortaya çıkan bor katkılı epitabaka çekme stresi altında olacaktır. Arsenik atomları silikondan daha büyüktür ve arsenik katkılı bir epilayer basınç stresi altındadır. Ancak katkı maddesi atomu konsantrasyonları, silikon atomu yoğunluğuna kıyasla oldukça küçüktür (10^(15)-10^(17)cm^(-3):}\left(10^{15}-10^{17} \mathrm{~cm}^{-3}\right. ) 5xx10^(22)cm^(-3)5 \times 10^{22} \mathrm{~cm}^{-3} ve etki küçüktür.
Epitaxy depends on crystal information and the energy of arriving atoms: they must have enough energy (surface mobility) to find energetically favorable sites on the surface. All epitaxy processes use elevated temperature, to give atoms surface mobility, and deposition rate also goes up with temperature, but too high a deposition rate is no good: there should be enough time for atoms to find their place on the crystal before the next layer is deposited. Epitaksi, kristal bilgisine ve gelen atomların enerjisine bağlıdır: yüzeyde enerjik olarak elverişli bölgeler bulmak için yeterli enerjiye (yüzey hareketliliği) sahip olmaları gerekir. Tüm epitaksi işlemleri, atomlara yüzey hareketliliği sağlamak için yüksek sıcaklık kullanır ve biriktirme hızı da sıcaklıkla birlikte artar, ancak çok yüksek bir biriktirme hızı iyi değildir: atomların kristal üzerindeki yerlerini bulmaları için yeterli zaman olmalıdır.
CVD epitaxy of silicon with SiH_(4-x)Cl_(x)(x=0-4)\mathrm{SiH}_{4-x} \mathrm{Cl}_{x}(x=0-4) source gases has been established since the 1950s. The basic chemical reactions are identical to polysilicon deposition (Equations 5.1 and 5.2). In the compound semiconductor field MOCVD (Metal Organic CVD, also known as MOVPE for Vapor Phase Epitaxy) is common. GaAs is deposited using precursors like GaCl_(5)\mathrm{GaCl}_{5} and AsH_(3)\mathrm{AsH}_{3}. SiH_(4-x)Cl_(x)(x=0-4)\mathrm{SiH}_{4-x} \mathrm{Cl}_{x}(x=0-4) Kaynak gazlarla silisyumun CVD epitaksisi 1950'lerden beri kurulmuştur. Temel kimyasal reaksiyonlar polisilikon birikimi ile aynıdır (Denklem 5.1 ve 5.2). Bileşik yarı iletken alanında MOCVD (Buhar Fazı Epitaksi için MOVPE olarak da bilinen Metal Organik CVD) yaygındır. GaAs, ve AsH_(3)\mathrm{AsH}_{3} gibi GaCl_(5)\mathrm{GaCl}_{5} öncüler kullanılarak biriktirilir.
Molecular beam epitaxy (MBE) is a variant of evaporation. Instead of an open crucible, the source material is heated in a Knudsen cell. This cell consists of a crucible that is closed except for a small orifice, and atoms can escape from the cell only through the small orifice. The atom beam (in the molecular flow regime, hence the name MBE) emanating from the orifice is much more Moleküler ışın epitaksisi (MBE), buharlaşmanın bir çeşididir. Açık bir pota yerine, kaynak malzeme bir Knudsen hücresinde ısıtılır. Bu hücre, küçük bir delik dışında kapalı olan bir potadan oluşur ve atomlar hücreden sadece küçük delikten kaçabilir. Delikten çıkan atom ışını (moleküler akış rejiminde, dolayısıyla MBE adı) çok daha fazladır