エピタキシャル層は半導体デバイスにどのように役立つのでしょうか？

エピタキシャルウェーハという名前の由来

まず、基本的な概念を説明しましょう。ウェーハ製造工程は、基板製造とエピタキシャルプロセスという2つの主要な工程から構成されます。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、ウェーハ製造工程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を経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、研磨などの加工を施した単結晶基板上に、新たな単結晶層を成長させるプロセスを指します。この新たな単結晶は、基板と同じ材料でも、異なる材料（同種エピタキシーまたは異種エピタキシー）でも構いません。新しい単結晶層は基板の結晶相に従って伸びて成長するため、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、シリコンを例にとると、シリコンエピタキシャル成長とは、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を持ち、格子構造の完全性が良好で、抵抗率と厚さが異なる結晶層を成長させることを指します）。エピタキシャル層のある基板はエピタキシャルウェーハと呼ばれます（エピタキシャルウェーハ＝エピタキシャル層＋基板）。デバイスがエピタキシャル層上に作られる場合、これを正エピタキシーと呼びます。デバイスが基板上に作られる場合、これを逆エピタキシーと呼びます。この場合、エピタキシャル層は支持的な役割のみを果たします。

研磨されたウェハー

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着し、結晶基板上に堆積させます。MBEは、堆積材料の厚さを原子レベルで精密に制御できる、非常に高精度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が生成され、基板上に堆積されます。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。その基本原理は、元素または化合物の蒸気をキャリアガスで輸送し、化学反応によって基板上に結晶を堆積させることです。

エピタキシャル成長プロセスはどのような問題を解決するのか？

バルク単結晶材料だけでは、多様化する半導体デバイス製造のニーズを満たすことができません。そこで、1959年末に、薄膜単結晶材料の成長技術であるエピタキシャル成長法が開発されました。では、エピタキシャル成長技術は材料科学の発展に具体的にどのような貢献をしてきたのでしょうか？

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が非常に困難な時期でした。トランジスタの原理からすると、高周波・高出力を得るには、コレクタ領域の降伏電圧が高く、直列抵抗が小さい、つまり飽和電圧降下が小さい必要があります。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つの要件は互いに矛盾しています。コレクタ領域の材料の厚さを減らして直列抵抗を低減すると、シリコンウェハが薄くなりすぎて加工が困難になります。材料の抵抗率を低減すると、最初の要件と矛盾します。しかし、エピタキシャル技術の発展により、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、そのエピタキシャル層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耐圧を確保する一方、低抵抗の基板は基板の抵抗を低減し、飽和電圧降下を低減することで、両者の矛盾を解消する。

さらに、GaAsやその他の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、電力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、分子線エピタキシーや有機金属気相エピタキシー技術を薄膜、超格子、量子井戸、歪み超格子、原子レベルの薄膜エピタキシーに適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あり、この分野における「エネルギーベルト工学」の発展に確固たる基盤を築きました。

実際の応用においては、ワイドバンドギャップ半導体デバイスはほぼ例外なくエピタキシャル層上に作製され、炭化ケイ素ウェハ自体は基板としてのみ機能します。したがって、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要素となります。

エピタキシャル技術における7つの主要スキル

1. 高抵抗（低抵抗）エピタキシャル層は、低抵抗（高抵抗）基板上にエピタキシャル成長させることができる。
2. N型（P型）エピタキシャル層は、P型（N型）基板上に直接エピタキシャル成長させることでPN接合を形成できる。拡散法を用いて単結晶基板上にPN接合を形成する場合、補償問題は発生しない。
3. マスク技術と組み合わせることで、指定された領域に選択的なエピタキシャル成長が行われ、集積回路や特殊な構造を持つデバイスの製造条件が整います。
4. エピタキシャル成長プロセス中、必要に応じてドーピングの種類と濃度を変更することができます。濃度の変化は、急激な変化でも緩やかな変化でも構いません。
5. 不均一な多層構造の多成分化合物や、成分が変化する超薄膜を成長させることができる。
6. エピタキシャル成長は材料の融点よりも低い温度で行うことができ、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、三元化合物や四元化合物の単結晶層など、引き伸ばすことのできない単結晶材料を成長させることができます。