エピタキシャル成長とは？ ウェーハの上に、きれいにそろったシリコンの層をどう育てるのか

エピタキシャル成長（エピタキシー。業界では略して「エピ」）は、ウェーハの上に新しい結晶の層を育てる工程です。新しい原子が下のウェーハの並びに合わせて1層ずつ積み重なり、下と同じようにきれいにそろいます。いちばん多いのはシリコンのウェーハにシリコンの層を育てるもので、ほかの材料を育てることもあります。語源はギリシャ語で、epiは「上に」、taxisは「並べること」という意味です。

「きれいにそろう」とはどういうこと？

チップをつくるウェーハは単結晶シリコンです。ウェーハ全体のシリコン原子が同じ向きで、きちんとした格子をつくって並んでいます（ウェーハのでき方は「ウェーハはなぜ丸いのか」へ）。

同じレンガで積んだ壁を思い浮かべてください。いちばん下の数段をまっすぐに積み、その上の段はどれも下の段の目地に合わせて積んでいけば、壁全体が同じようにそろいます。エピタキシャル成長も同じです。ウェーハがいちばん下の数段で、新しい原子はその格子に合わせて上へつながり、できあがるとウェーハと1つの結晶になります。

ふつうの成膜とどう違う？

チップの中のほとんどの膜は、原子が下に合わせて並ぶ必要がありません（ふつうの膜のつけ方は「成膜とは？」へ）。

	原子の並び方	たとえると	例
アモルファス（非晶質）	決まった並び方がない	地面に崩れたレンガの山	二酸化シリコンや窒化シリコンなどの絶縁膜
多結晶	小さなかたまりがたくさんあり、それぞれはそろっているが、向きがばらばら	小さな壁をいくつも寄せ集め、目地が合っていない	トランジスタのゲートによく使う多結晶シリコン
エピタキシャル（単結晶）	層全体が同じ向きで、下に続いて並ぶ	下の目地に合わせて上までずっと積む	エピウェーハの上のシリコンの層

同じシリコンでも、むき出しの単結晶シリコンの上なら、条件が合えば格子に続いてエピタキシャル層になります。酸化膜の上では、手本になる格子がないので多結晶になります。エピタキシャル成長でいちばん多い方法も、熱いウェーハの表面でガスを反応させる化学気相成長（CVD）です。ただし、原子が並ぶ時間を持てるように条件を合わせます。

エピタキシャル成長はどう進む？ 一歩ずつ

シリコンのウェーハにシリコンの層を育てる場合で見ていきます。

ステップ1：きれいに洗う

• 何をする：薬液で表面のパーティクル、有機物、金属を落とし、水で流して乾かします（「ウェーハ洗浄とは？」へ）。
• なぜ：新しい原子は表面のいちばん上の並びに合わせてつながるので、表面がお手本になります。
• しないと：何かが付いているところでは原子がうまくつながらず、並びがずれます。ずれは上にも伸びていきます。壁の中に曲がったレンガが1つあると、その上に積む段も最上段まで曲がるのと同じです。

ステップ2：自然酸化膜を取る

• 何をする：シリコンは空気や水に触れると、表面に原子数個分の厚さしかない酸化膜が自然にできます。ごく薄い希フッ酸に短く浸して溶かし、装置に入れてから、水素の中で軽く加熱して残りも追い出すことがよくあります。
• なぜ：酸化膜は格子に並んでいません。レンガの壁に薄くセメントを塗ったようなもので、新しい原子から下の目地が見えなくなります。
• しないと：欠陥がずっと多くなり、そろわないこともあります。だから洗ったあとは長く置けません。置くと酸化膜がまたできてしまいます。これがQタイムです。

ステップ3：チャンバーに入れて加熱する

• 何をする：ウェーハをエピタキシャル成長装置の密閉したチャンバーに入れ、だいたい1,000℃前後、方法によってはもっと高い温度にします。
• なぜ：表面に降りた原子は、十分に熱くないと動けません。少し動いて、下と合う位置を見つける必要があります。
• しないと：冷たすぎると、原子は降りた場所でそのまま止まり、多結晶やアモルファスになります。ただ高温にすると、前に打ち込んだ原子が横へ広がるので（熱履歴）、低めの温度を使う工程もあります。

ステップ4：シリコンを含むガスを流し、1層ずつ育てる

• 何をする：シランや、塩素を含むシリコン化合物などのガスを、水素に乗せて流すことが多いです（「半導体工場ではどんなガスを使う？」へ）。ガスは熱い表面で分解してシリコン原子を残します。1層並ぶと次の層、という具合に、ふつうは1マイクロメートル未満から数マイクロメートルの厚さまで育てます（1マイクロメートルは1ミリの1000分の1）。
• なぜ：原子は1つずつ降りてくるので、どれも下とそろう位置に収まるチャンスがあります。
• しないと：温度、ガスの量、時間のバランスが合わないと、厚さがずれ、原子もそろう時間がありません。

ステップ5：育てながらドーピングする

• 何をする：同時に、リンやホウ素を含むガスを少し混ぜます。リンやホウ素の原子がシリコンといっしょに格子に入り、この層がn型やp型になります（「ドーピングとは？」へ）。
• なぜ：この層のドーピングの量は、下のウェーハとまったく別に決められます。たとえば、下は多く、上は少なく。
• しないと：量がずれると、上につくるスイッチもずれます。いったん層に入った原子は取り出せないので、ガスの量は先に合わせておきます。

ステップ6：厚さを測り、欠陥を調べる

• 何をする：層の厚さとドーピングが合っているかを測り、光でウェーハ全体をスキャンして、パーティクルや並びがずれた場所を探します（「欠陥検査とは？」へ）。厚さは赤外線で測ることが多く、上下の層でドーピングが違うため、赤外線は境目でも一部が反射します。2つの反射から厚さがわかります。
• なぜ：トランジスタはこの層の中につくります。チップ全体の土台です。
• しないと：土台が曲がっていると、あとの数百の工程がむだになり、何か月もたってから電気特性を測って初めてわかることもあります。

なぜこの層をわざわざ育てる？

• トランジスタにきれいなシリコンを：ウェーハそのもののドーピングは、全体で同じです。エピタキシャル層はウェーハよりきれいで欠陥も少なく育てられ、ドーピングも別に決められます。トランジスタはいちばん上の薄い層だけにつくります（「トランジスタはどうやってつくる？」へ）。
• パワー半導体：高い電圧や大きな電流を扱うスイッチ（充電器や電気自動車に入っています）には、電気を上から下へ流すものが多くあります。下はドーピングを多くしたウェーハで電気を通しやすくし、上にはドーピングが少なめで厚めのエピタキシャル層を置いて、オフのときに高い電圧を受け止めます。厚く、ドーピングを少なくするほど高い電圧に耐えますが、オンのときの抵抗も大きくなります。
• 別の材料：窒化ガリウムのような材料は大きな結晶にするのが難しく、たいていシリコン、炭化ケイ素、サファイアのウェーハの上に育てます。これをヘテロエピタキシャル成長と呼びます。2つの材料は原子の間隔が違い、大きさの違うレンガを無理に重ねるようなもので、境目に欠陥ができやすくなります（「ニュースの「ワイドバンドギャップ半導体」とは？」へ）。青色や白色のLEDの光る層も、こうして育てます。
• 先端トランジスタのソースとドレイン：先端のトランジスタでは、ソースとドレインの部分をいったん少し掘り、エピタキシャル成長で埋め戻すことがよくあります。育てるのは、ドーピングを多くしたシリコンや、シリコンゲルマニウムなどの材料で、電流を流れやすくします。このとき、シリコンがむき出しのところだけに育ちます。

エピウェーハとは？

エピタキシャル層つきのウェーハを、エピタキシャルウェーハ（エピウェーハ）と呼びます。見た目はふつうのウェーハと同じで、厚さは1ミリもありません。違うのはいちばん上の薄い層だけです。層を育てた状態で工場に届くウェーハもあれば、ソースとドレインのように、工場で工程がそこまで進んでから育てるものもあります。

fab24hrでは

ゲームにエピタキシャル成長の装置はなく、エピウェーハも出てきません。いちばん近いのは、メインストーリー「チップの一生」の第2章「一工程ずつ」です。ウェーハ投入から1日目、あなたは開発インテグレーションエンジニアとして、架空の補聴器用チップ「Glowmere」の第1ロット12枚を、開発ラインの洗浄装置WET-R1で1槽ずつ洗い、最後に希フッ酸に短く浸して自然酸化膜を取り、きれいなシリコンを出します。ただし、ゲームで洗浄のあとに向かうのは拡散炉FURN-R1で、パッド酸化膜をつける工程です。エピタキシャル成長ではありません。2日目にCVD-R1でつける窒化シリコンも、下の格子に合わせる必要のない、ふつうの成膜です。

「工場の一日」にも成膜の役割があります。「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「量産工場」か「開発ライン」を押し、左右にスワイプしてプロセスエンジニアか開発プロセスエンジニアで止め、名前の下の「成膜」を押します。ゲームに出てくる会社・チップ・人物・装置番号は架空です。エピタキシャル成長については、公開されている一般的な資料をもとに、簡単にして書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。