エピタキシャルウェハーの名前の由来
まず、ちょっとした概念を広めましょう。ウェーハの準備には、基板の準備とエピタキシャルプロセスという2つの主要なプロセスが含まれます。基板とは、半導体単結晶材料で作られたウェーハのことです。基板はウェーハ製造プロセスに直接投入して半導体デバイスを製造することも、エピタキシャルプロセスによって処理されてエピタキシャルウェーハを製造することもできます。エピタキシーとは、切断、研削、研磨などによって丁寧に加工された単結晶基板上に、新しい単結晶層を成長させるプロセスを指します。新しい単結晶は、基板と同じ材料であっても、異なる材料（均質エピタキシーまたはヘテロエピタキシー）であっても構いません。新しい単結晶層は基板の結晶相に応じて伸長して成長するので、エピタキシャル層と呼ばれます（厚さは通常数ミクロンで、シリコンを例に挙げます。シリコンエピタキシャル成長の意味は、特定の結晶方位を持つシリコン単結晶基板上に、基板と同じ結晶方位で、格子構造の完全性が良く、抵抗率と厚さが異なる結晶層を成長させることです）。エピタキシャル層を備えた基板をエピタキシャルウェーハと呼びます（エピタキシャルウェーハ＝エピタキシャル層＋基板）。エピタキシャル層上にデバイスを作る場合は、正エピタキシーと呼ばれます。基板上にデバイスを作る場合は、逆エピタキシーと呼ばれます。このとき、エピタキシャル層は補助的な役割しか果たしません。
研磨されたウェハ
エピタキシャル成長法
分子線エピタキシー（MBE）：超高真空条件下で行われる半導体エピタキシャル成長技術です。この技術では、原料を原子または分子のビーム状に蒸発させ、結晶基板上に堆積させます。MBEは、堆積する材料の厚さを原子レベルで精密に制御できる、非常に精密で制御性の高い半導体薄膜成長技術です。
金属有機CVD（MOCVD）：MOCVDプロセスでは、必要な元素を含む有機金属と水素化物ガスNガスが適切な温度で基板に供給され、化学反応を起こして必要な半導体材料を生成し、基板上に堆積し、残りの化合物と反応生成物は排出されます。
気相エピタキシー（VPE）：気相エピタキシーは、半導体デバイスの製造において一般的に用いられる重要な技術です。基本原理は、元素物質または化合物の蒸気をキャリアガスに乗せて輸送し、化学反応によって基板上に結晶を堆積させることです。
エピタキシープロセスはどのような問題を解決しますか?
バルク単結晶材料だけでは、様々な半導体デバイスの製造における増大するニーズを満たすことができません。そこで、薄層単結晶材料の成長技術であるエピタキシャル成長が1959年末に開発されました。では、エピタキシャル成長技術は材料の進歩に具体的にどのような貢献をしたのでしょうか？
シリコンの場合、シリコンエピタキシャル成長技術が始まった頃は、シリコン高周波・高出力トランジスタの製造にとって本当に困難な時期でした。トランジスタの原理から見ると、高周波・高出力を得るためには、コレクタ領域のブレークダウン電圧が高く、直列抵抗が小さい、つまり飽和電圧降下が小さくなければなりません。前者はコレクタ領域の材料の抵抗率が高いことを必要とし、後者はコレクタ領域の材料の抵抗率が低いことを必要とします。この2つの領域は互いに矛盾しています。直列抵抗を減らすためにコレクタ領域の材料の厚さを減らすと、シリコンウェーハが薄すぎて壊れやすくなり、加工できなくなります。材料の抵抗率を下げると、最初の要件に矛盾します。しかし、エピタキシャル技術の開発は成功し、この困難は解決されました。
解決策：極めて低抵抗の基板上に高抵抗のエピタキシャル層を成長させ、その上にデバイスを作製する。この高抵抗のエピタキシャル層は、チューブの高いブレークダウン電圧を確保すると同時に、低抵抗基板の抵抗を低減することで飽和電圧降下を低減し、両者の矛盾を解消する。
さらに、GaAsなどのIII-V族、II-VI族などの分子化合物半導体材料の気相エピタキシーや液相エピタキシーなどのエピタキシー技術も大きく発展し、ほとんどのマイクロ波デバイス、光電子デバイス、パワーデバイスの製造に不可欠なプロセス技術の基礎となっています。特に、分子線および有機金属気相エピタキシー技術を薄層、超格子、量子井戸、歪超格子、原子レベル薄層エピタキシーに応用することに成功したことは、半導体研究における新たな一歩です。この分野における「エネルギーベルトエンジニアリング」の発展は、確固たる基盤を築きました。
実用化において、ワイドバンドギャップ半導体デバイスはほとんどの場合エピタキシャル層上に製造され、炭化ケイ素ウェハ自体は基板としてのみ機能します。そのため、エピタキシャル層の制御はワイドバンドギャップ半導体産業において重要な部分を占めています。
エピタキシー技術における7つの主要スキル
1. 低（高）抵抗基板上に高（低）抵抗エピタキシャル層をエピタキシャル成長させることができる。
2. N（P）型エピタキシャル層をP（N）型基板上にエピタキシャル成長させることで、直接PN接合を形成することができる。単結晶基板上に拡散法でPN接合を形成する場合、補償の問題は発生しない。
3. マスク技術と組み合わせて、指定された領域で選択的なエピタキシャル成長を実行し、特殊な構造を持つ集積回路およびデバイスの製造条件を作り出します。
4. エピタキシャル成長プロセスにおいて、ドーピングの種類と濃度は必要に応じて変更できます。濃度の変化は急激に変化させることも、緩やかに変化させることもできます。
5. 異種、多層、多成分化合物および可変成分の超薄層を成長させることができます。
6. 材料の融点よりも低い温度でエピタキシャル成長を行うことができ、成長速度を制御でき、原子レベルの厚さのエピタキシャル成長を実現できます。
7. GaN、三元系・四元系化合物の単結晶層など、引き上げが不可能な単結晶材料を成長させることができます。
投稿日時: 2024年5月13日