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の名前の由来

まず、小さな概念を広めてみましょう。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 つの主要なリンクが含まれます。基板は、半導体単結晶材料からなるウエハである。基板は、ウェーハ製造プロセスに直接入っ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してエピタキシャルウェーハを製造することもできる。エピタキシーとは、切断、研削、研磨などによって慎重に処理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る場合もあれば、基板と同じ材料である場合もあります。異なる材料（均質な）エピタキシーまたはヘテロエピタキシー）。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（シリコンを例にとると、厚さは通常数ミクロンです。シリコンエピタキシャル成長の意味は、シリコン単結晶上に成長することです）特定の結晶方位を持った結晶基板（基板と同じ結晶方位で、格子構造の整合性が良く、抵抗率や厚さが異なる結晶の層を成長させたもの）、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。 = エピタキシャル層 + 基板)。デバイスがエピタキシャル層上に作成される場合、それはポジティブエピタキシーと呼ばれます。デバイスが基板上に作成される場合、それ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を果たすだけである。

研磨済みウェーハ

エピタキシャル成長法

分子線エピタキシー (MBE): 超高真空条件下で実行される半導体エピタキシャル成長技術です。この技術では、ソース材料が原子または分子のビームの形で蒸発し、結晶基板上に堆積されます。 MBE は、堆積する材料の厚さを原子レベルで正確に制御できる、非常に正確で制御可能な半導体薄膜成長技術です。
有機金属 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、化学反応を受け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で一般的に使用される重要な技術です。基本原理は、単体物質や化合物の蒸気をキャリアガスに乗せて輸送し、化学反応により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、さまざま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、エピタキシャル技術は材料の進歩に具体的にどのような貢献をしているのでしょうか？

シリコンの場合、シリコンのエピタキシャル成長技術が始まった頃は、シリコンの高周波・高出力トランジスタの製造には本当に厳しい時代でした。トランジスタの原理的に高周波、大電力を得るためには、コレクタ領域の耐圧が高く、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。前者では、収集領域の材料の抵抗率が高いことが必要ですが、後者では、収集領域の材料の抵抗率が低いことが必要です。この２つの県は互いに矛盾している。直列抵抗を減らすためにコレクタ領域の材料の厚さを薄くすると、シリコンウェーハは薄すぎて壊れやすくなり、加工できなくなります。材料の抵抗率が低下すると、最初の要件と矛盾します。しかし、エピタキシャル技術の開発は成功しました。この困難を解決しました。

解決策: 極めて低い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成します。この高抵抗エピタキシャル層により真空管の高耐圧が確保される一方、低抵抗基板により基板の抵抗が低減され、飽和電圧降下が低減され、両者の矛盾が解消されます。

さらに、GaAs やその他の III-V、II-VI、その他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幅に開発され、ほとんどのマイクロ波デバイス、光電子デバイス、電力の基礎となっています。これはデバイスの製造に不可欠なプロセス技術であり、特に薄層、超格子、量子井戸、歪み超格子、原子レベルでの分子線および有機金属気相エピタキシー技術の応用に成功しています。薄層エピタキシーは、半導体研究の新たなステップです。この分野における「エネルギーベルト工学」の発展により、強固な基盤が築かれました。

実際の応用では、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作成され、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の重要な部分です。

エピタキシー技術における 7 つの主要なスキル

1. 高（低）抵抗のエピタキシャル層は、低（高）抵抗の基板上にエピタキシャル成長させることができます。
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て、PN 接合を直接形成できます。拡散法を使用して単結晶基板上に PN 接合を作成する場合、補償の問題はありません。
3. マスク技術と組み合わせて、指定された領域で選択的エピタキシャル成長が実行され、特殊な構造を備えた集積回路やデバイスの製造条件が作成されます。
4. ドーピングの種類と濃度は、エピタキシャル成長プロセス中に必要に応じて変更できます。濃度の変化は、突然の変化であっても、ゆっくりとした変化であってもよい。
5. 不均質、多層、多成分化合物、およびさまざまな成分を含む超薄層を成長させることができます。
6. 材料の融点以下の温度でエピタキシャル成長が可能であり、成長速度の制御が可能であり、原子レベルの厚さのエピタキシャル成長が可能である。
7. GaN、三元化合物、四元化合物の単結晶層など、引き上げることができない単結晶材料を成長させることができます。