シリコン(Si)エピタキシー作製技術

シリコン(Si)エピタキシー調製技術

エピタキシャル成長とは何ですか?

・単結晶材料だけでは、成長する各種半導体デバイスの生産ニーズに対応できません。 1959 年末には、薄い層が単結晶材料成長技術 - エピタキシャル成長が開発されました。

エピタキシャル成長とは、切断、研削、研磨などを一定の条件で丁寧に加工した単結晶基板上に、要求を満たす材料の層を成長させることです。成長した単一生成物層は基板格子の延長であるため、成長した材料層はエピタキシャル層と呼ばれます。

エピタキシャル層の性質による分類

·均一なエピタキシー: のエピタキシャル層基板材料と同じであるため、材料の一貫性が維持され、高品質の製品構造と電気特性の実現に役立ちます。

·異種エピタキシー: のエピタキシャル層基板の材質とは異なります。適切な基板を選択することで成長条件を最適化し、材料の応用範囲を拡大できますが、格子不整合や熱膨張差による課題を克服する必要があります。

デバイスの位置による分類

ポジティブエピタキシー: 結晶成長中に基板材料上にエピタキシャル層を形成することを指し、デバイスはエピタキシャル層上に作成されます。

逆エピタキシー: ポジティブエピタキシーとは対照的に、デバイスは基板上に直接製造され、エピタキシャル層はデバイス構造上に形成されます。

用途の違い: 半導体製造における 2 つの用途は、必要な材料特性とデバイス設計要件によって異なり、それぞれが異なるプロセス フローと技術要件に適しています。

エピタキシャル成長法による分類

· 直接エピタキシーとは、真空蒸着、スパッタリング、昇華など、加熱、電子衝撃、または外部電場を使用して、成長する材料原子に十分なエネルギーを獲得させ、基板表面に直接移動して堆積させてエピタキシャル成長を完了する方法です。ただし、この方法には機器に関する厳しい要件があります。膜の抵抗率と厚さの再現性が低いため、シリコンエピタキシャル製造には使用されていません。

· 間接エピタキシーは、化学反応を利用して基板表面にエピタキシャル層を堆積および成長させることであり、広く化学蒸着 (CVD) と呼ばれます。しかし、CVD法で成長させた薄膜は必ずしも単一の製品とは限りません。したがって、厳密に言えば単層膜を成長させるCVDのみがエピタキシャル成長となります。この方法は設備が簡単であり、エピタキシャル層のさまざまなパラメータの制御が容易であり、再現性が良好です。現在、シリコンのエピタキシャル成長は主にこの方法が用いられている。

その他のカテゴリー

·エピタキシャル材料の原子を基板に輸送する方法に応じて、真空エピタキシー、気相エピタキシー、液相エピタキシー(LPE)などに分類できます。

・相変化過程によれば、エピタキシーは次のように分類できます。気相エピタキシー, 液相エピタキシー、 そして固相エピタキシー.

エピタキシャルプロセスで解決する問題

・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が困難に直面した時代でした。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。前者ではコレクタ領域の材料の抵抗率が高いことが要求され、後者ではコレクタ領域の材料の抵抗率が低いことが要求され、両者は矛盾する。コレクタ領域の材料の厚さを薄くすることによって直列抵抗が減少すると、シリコンウェーハは薄すぎて脆くなり、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。エピタキシャル技術はこの問題を解決することに成功しました。

解決：

・極めて低い抵抗率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製造します。高抵抗率のエピタキシャル層は管の高耐圧を確保し、低抵抗率の基板は基板の抵抗と飽和電圧降下を低減し、このようにして両者の矛盾を解決します。

また、1V族、1V族、GaAsなどの化合物半導体材料の気相成長、液相成長、分子線成長、有機金属化合物気相成長などのエピタキシャル技術も大きく発展しています。そして、ほとんどのマイクロ波や電子機器の製造に不可欠なプロセス技術となっています。光電子デバイス.

特に、分子線と分子線の応用に成功しました。金属有機蒸気超薄層、超格子、量子井戸、歪み超格子、および原子レベルの薄層エピタキシーでの相エピタキシーは、半導体研究の新しい分野である「バンドエンジニアリング」の発展の基礎を築きました。

エピタキシャル成長の特徴

（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) エピタキシャル層を P(N) 基板上に成長させて、PN 接合を直接形成できます。拡散によって単一基板上に 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ることで、指定された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条件を作り出すことができます。

（４）エピタキシャル成長中に必要に応じてドーピングの種類や濃度を変更することができる。濃度の変化は突然である場合もあれば、徐々に変化する場合もあります。

(5) さまざまな成分を含む不均質、多層、多成分化合物の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る。成長速度は制御可能であり、原子スケールの厚さのエピタキシャル成長を達成できます。

エピタキシャル成長の要件

(1) 表面は平坦で明るく、輝点、穴、かぶり汚れ、スリップラインなどの表面欠陥がないこと。

(2) 結晶の完全性が良好で、転位および積層欠陥密度が低い。のためにシリコンエピタキシー、転位密度は 1000/cm2 未満、積層欠陥密度は 10/cm2 未満、クロム酸エッチング液で腐食した後も表面は明るいままである必要があります。

（３）エピタキシャル層のバックグラウンド不純物濃度は低く、必要な補償は少なくすべきである。原料の純度は高く、システムは十分に密閉され、環境は清潔で、エピタキシャル層への外来不純物の混入を避けるために操作は厳格である必要があります。

(4) 不均一エピタキシーの場合、エピタキシャル層と基板の組成は急激に変化する必要があり（遅い組成変化の要件を除く）、エピタキシャル層と基板の間の組成の相互拡散は最小限に抑えられる必要があります。

（５）エピタキシャル層が要件を満たす均一な抵抗率を有するように、ドーピング濃度は厳密に制御され、均一に分布されなければならない。の抵抗率が必要です。エピタキシャルウェーハ同じ炉内の異なる炉で成長したものは一貫している必要があります。

(6) エピタキシャル層の厚さは、均一性と再現性が良く、要件を満たしている必要があります。

（７）埋め込み層を有する基板上にエピタキシャル成長させた後、埋め込み層のパターン歪みは非常に小さい。

(8) デバイスの大量生産を容易にし、コストを削減するために、エピタキシャルウェーハの直径はできるだけ大きくする必要があります。

(9) 熱安定性化合物半導体エピタキシャル層ヘテロ接合エピタキシーは優れています。