ウェーハの表面を整える：エピタキシャルウェーハとSOI

トランジスタが働くウェーハの表面の品質が大切な理由と、表面に結晶の膜を育てるエピタキシャルウェーハ、絶縁膜をはさんだSOIウェーハ、金属の汚れを内部に閉じ込めるゲッタリング、ウェーハを大きくする理由を説明する。

トランジスタが使うのは、表面のごく薄い部分

前のページでは、単結晶インゴットを育てる方法を学んだ。インゴットは薄い円板に切り分けられ、表面を鏡のように磨いてウェーハになる。切り分けて磨く流れは、製造工程の分野の「ウェーハ」のページで扱っている。

ウェーハには、ある程度の厚さがある。これは、製造の途中で割れたり反ったりしないように、丈夫さを保つためである。ところが、トランジスタが働くのは、そのうち表面のごく薄い部分だけである。分野「デバイス」で学んだチャネルも、ゲートの真下の表面にできる。

そのため、ウェーハでは、表面の近くの品質が特に大切になる。表面に結晶の乱れや汚れがあると、そこに作ったトランジスタが正しく働かない。ウェーハを作る会社は、表面を整えるために、いくつもの工夫をしている。このページでは、その代表的なものを見ていく。

エピタキシャルウェーハ：表面に新しい結晶を育てる

磨いたウェーハの表面に、同じ並びの単結晶の薄い膜を育てたものを「エピタキシャルウェーハ」と呼ぶ。膜を育てることを「エピタキシャル成長」と呼ぶ。

膜は、シリコンを含むガスを、熱したウェーハの表面に流して作る。ガスが表面で分かれ、シリコンの原子が表面に積もっていく。このとき、原子は下のウェーハの原子の並びにならって並ぶので、ウェーハと同じ向きの単結晶の膜になる。引き上げ法で、種結晶の並びにならって結晶が育つのと、考え方は同じである。

エピタキシャル成長には、主に二つの利点がある。

一つ目は、表面の結晶の品質を高くできることである。インゴットを育てるときには、結晶の中に小さな乱れや、るつぼから入った酸素などが含まれる。新しく育てた膜には、こうしたものが少ない。

二つ目は、膜に混ぜるドーパントの量を、下のウェーハとは別に決められることである。たとえば、下のウェーハには電気を通しやすくするドーパントを多く入れ、表面の膜には少なく入れる、といった組み合わせができる。パワー半導体で、高い電圧を受け止める層を作るのにも使われる。

SOIウェーハ：絶縁膜をはさむ

もう一つの代表的な種類が、「SOIウェーハ」である。SOIは、絶縁体の上のシリコン（Silicon On Insulator）を表す。

SOIウェーハは、三つの層でできている。下には、支えとなる厚いシリコンがある。その上に、シリコンの酸化物の薄い絶縁膜が埋め込まれている。さらにその上に、トランジスタを作る薄い単結晶のシリコンの層がある。

普通のウェーハでは、トランジスタの下にもシリコンが続いている。そのため、ねらっていない向きに電気が漏れたり、トランジスタとウェーハの間に余分な電気の出入りが生じて、動きが遅くなったりすることがある。SOIウェーハでは、トランジスタの下に絶縁膜があるので、こうした漏れや余分な出入りを抑えられる。

作り方の一つは、二枚のウェーハを使う方法である。一方の表面に絶縁膜を作り、もう一方と貼り合わせる。その後、片方を薄く削ったり、決まった深さで割ったりして、絶縁膜の上に薄いシリコンの層だけを残す。

SOIウェーハは、普通のウェーハより作るのに手間がかかる。そのため、消費電力を抑えたい用途や、高い周波数の信号を扱う部品、センサーなど、利点が生きる用途で選ばれる。

汚れを内部に閉じ込める：ゲッタリング

製造の途中で、ウェーハにごくわずかな金属が入り込むことがある。金属は、表面のトランジスタの近くにあると、電気の漏れなどの原因になる。

そこで、ウェーハの内部に、金属を引き寄せて捕まえる場所を、わざと作っておく方法がある。これを「ゲッタリング」と呼ぶ。

たとえば、引き上げ法で育てた結晶に含まれる酸素は、熱を加えると、ウェーハの内部で小さな固まりになる。この固まりのまわりには、金属が集まりやすい。表面の近くには固まりを作らず、内部にだけ作るように熱の加え方を工夫すると、トランジスタが働く表面はきれいなまま、金属を内部に閉じ込められる。前のページで、るつぼから入る酸素は「場合によっては役に立つ」と書いたのは、このためである。

ウェーハを大きくする理由

ウェーハの大きさは、時代とともに大きくなってきた。

ウェーハが大きいほど、一枚からとれるチップの数が増える。多くの工程は、ウェーハを一枚ずつ、あるいはまとめて処理するので、一枚あたりの手間がほぼ同じなら、チップ一つあたりの費用を下げやすい。また、円の縁の近くでは、四角いチップが欠けてしまう部分が出るが、ウェーハが大きいほど、その無駄の割合は小さくなる。

一方で、ウェーハを大きくするには、それに合わせて、結晶を育てる装置から製造装置、運ぶ容器までを作り直す必要がある。大きな結晶を欠陥なく育て、全面を均一に平らにする難しさも増す。そのため、大きさを変えるのは、業界全体で足並みをそろえて進める大きな変化になる。

このページのまとめ

トランジスタが働くのはウェーハの表面のごく薄い部分なので、表面の品質が大切である。エピタキシャルウェーハは、表面に同じ並びの単結晶の膜を育てて、品質を高め、ドーパントの量を別に決められるようにしたものである。SOIウェーハは、トランジスタの下に絶縁膜をはさみ、漏れや余分な電気の出入りを抑える。ゲッタリングは、金属の汚れを内部に閉じ込める。ウェーハを大きくすると、チップ一つあたりの費用を下げやすい。