「エピタキシャルウェーハ」の名前の由来
ウェーハの準備は、基板の準備とエピタキシャル プロセスの 2 つの主要なステップで構成されます。基板は半導体単結晶材料でできており、通常は半導体デバイスを製造するために加工されます。また、エピタキシャル処理を行ってエピタキシャルウェーハを形成することもできる。エピタキシーとは、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 (均質エピタキシー) または異なる材料 (不均質エピタキシー) にすることができます。新しい結晶層は基板の結晶方位に合わせて成長するため、エピタキシャル層と呼ばれます。エピタキシャル層を有するウェーハをエピタキシャルウェーハ（エピタキシャルウェーハ＝エピタキシャル層＋基板）と呼ぶ。エピタキシャル層上に製造されるデバイスは「順方向エピタキシー」と呼ばれ、基板上に製造されるデバイスは「逆エピタキシー」と呼ばれ、エピタキシャル層は支持体としてのみ機能します。
均一および不均一エピタキシー
▪均質エピタキシー:エピタキシャル層と基板は同じ材料、例えばＳｉ／Ｓｉ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＰ／ＧａＰで作られる。
▪異種エピタキシー:エピタキシャル層と基板は、Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs、GaN/SiC などの異なる材料でできています。
研磨済みウェーハ
エピタキシー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、ますます複雑になる半導体デバイス製造の要求を満たすには不十分です。そのため、1959 年後半に、エピタキシーとして知られる薄い単結晶材料の成長技術が開発されました。しかし、エピタキシャル技術は材料の進歩に具体的にどのように貢献したのでしょうか?シリコンの場合、シリコン エピタキシーの開発は、高周波、高出力シリコン トランジスタの製造が重大な困難に直面した重要な時期に行われました。トランジスタの原理の観点から、高周波と高電力を実現するには、コレクタ領域の耐圧が高く、直列抵抗が低い、つまり飽和電圧が小さい必要があります。前者はコレクタ材料に高い抵抗率を必要とするのに対し、後者は低い抵抗率を必要とするため、矛盾が生じます。直列抵抗を減らすためにコレクタ領域の厚さを減らすと、シリコンウェーハが加工するには薄すぎて壊れやすくなり、抵抗率を下げると最初の要件と矛盾します。エピタキシャル技術の開発により、この問題は見事に解決されました。解決策は、低抵抗率の基板上に高抵抗率のエピタキシャル層を成長させることでした。このデバイスはエピタキシャル層上に製造されているため、トランジスタの高耐圧が保証される一方、低抵抗基板によりベース抵抗が低減され、飽和電圧が低下するため、2 つの要件間の矛盾が解決されます。
さらに、気相および液相エピタキシーを含む、GaAs、GaN などの III-V および II-VI 化合物半導体のエピタキシャル技術も大幅に進歩しました。これらの技術は、多くのマイクロ波、光電子、およびパワーデバイスの製造に不可欠なものとなっています。特に、分子線エピタキシー (MBE) や有機金属化学蒸着 (MOCVD) などの技術は、薄層、超格子、量子井戸、歪み超格子、原子スケールの薄いエピタキシャル層に適用され、強固な基盤を築きました。 「バンドエンジニアリング」などの新たな半導体分野の開拓。
実際のアプリケーションでは、ほとんどのワイドバンドギャップ半導体デバイスはエピタキシャル層上に製造され、炭化ケイ素 (SiC) などの材料は基板としてのみ使用されます。したがって、ワイドバンドギャップ半導体産業では、エピタキシャル層の制御が重要な要素となります。
エピタキシー技術: 7 つの主要な特長
1. エピタキシーは、低 (または高) 抵抗率の基板上に高 (または低) 抵抗率の層を成長させることができます。
2. エピタキシーにより、P (または N) 型基板上に N (または P) 型エピタキシャル層を成長させることができ、拡散を使用して単結晶基板上に PN 接合を作成するときに発生する補償の問題なしで PN 接合を直接形成できます。
3. マスク技術と組み合わせると、特定の領域で選択的エピタキシャル成長を実行でき、特殊な構造を備えた集積回路やデバイスの製造が可能になります。
4. エピタキシャル成長により、ドーピングの種類と濃度の制御が可能になり、濃度を急激または段階的に変化させることができます。
5. エピタキシーでは、超薄層を含む、さまざまな組成を持つ不均質な多層の多成分化合物を成長させることができます。
6. エピタキシャル成長は、材料の融点よりも低い温度で制御可能な成長速度で行うことができるため、層の厚さの原子レベルの精度が可能になります。
7. エピタキシーにより、GaN や三元/四元化合物半導体など、結晶に引き込むことができない材料の単結晶層の成長が可能になります。
各種エピタキシャル層とエピタキシャルプロセス
要約すると、エピタキシャル層はバルク基板よりも制御が容易で完璧な結晶構造を提供するため、先端材料の開発に有益です。
投稿日時: 2024 年 12 月 24 日