エピタキシャル成長とCVDの違い：結晶・下地・温度・用途を比較
エピタキシャル成長は、単結晶基板の上に、基板の結晶方位をそろえて単結晶の膜を成長させる技術です。シリコンのエピタキシャル成長の多くはCVD(化学気相成長)で行われるので、両者は対立するものではなく、エピタキシャル成長は「下地の結晶を引き継いで単結晶を育てるCVD」と考えることができます(MBEのようにCVD以外の方法もあります)。この表では、単結晶を育てるエピタキシャル成長と、ポリシリコンやアモルファスシリコン、酸化膜や窒化膜などの単結晶でない膜を堆積する一般のCVDを比べます。
| 項目 | エピタキシャル成長 | CVD(一般の成膜) |
|---|---|---|
| できる膜の結晶 | 下地の結晶の並びと方位を引き継いだ単結晶 | 多結晶(ポリシリコン)やアモルファス。酸化シリコンや窒化シリコンの膜もアモルファス |
| 下地の条件 | 結晶の並びを写し取る、清浄な単結晶の表面が必要。異なる材料を育てるヘテロエピタキシーでは、格子定数や熱膨張係数の違いが問題になる | 単結晶である必要はない。酸化膜や金属の上、段差のあるパターンの上など、ガスが届く表面なら堆積する |
| 成長前の表面処理 | 厳密。厚さ約1 nmの自然酸化膜や炭素が残ると、積層欠陥などの起点になる。シリコンでは希フッ酸の洗浄に加え、水素中で約1,100 ℃に加熱する水素ベークで酸化膜を除くのが一般的 | 下地と結晶をつなぐ必要がないので、エピタキシャル成長ほど厳密な酸化膜の除去は一般に求められない |
| 温度の傾向 | シリコンは原料で変わり、トリクロロシランで約1,100〜1,150 ℃、ジクロロシランで約1,000〜1,100 ℃、シランなら600〜900 ℃程度。SiCでは約1,500〜1,650 ℃ | 方法で幅が広い。LPCVDは約600〜800 ℃、プラズマCVDは約300〜400 ℃。シランによるシリコン膜は約580 ℃より低いとアモルファス、それより高いと多結晶になる |
| 代表的な膜 | シリコンのエピ層、SiGe、SiC、GaNやGaAsなどの化合物半導体の層 | ポリシリコン、アモルファスシリコン、酸化シリコン(TEOSなど)、窒化シリコン、タングステン |
| ドーピングの制御 | 成長と同時にホスフィンやジボランを流すインサイチュドーピングで、層ごとに濃度を変え、深さ方向に急峻な変化をつくれる。高濃度の基板からのオートドーピングに注意する | ポリシリコンはインサイチュドーピングで導電性の膜にできる。絶縁膜では、ドーピングは主な目的ではない |
| 主な用途 | パワーデバイスの低濃度ドリフト層、CMOS用のエピウエハ(p/p+など)、CMOSイメージセンサの基板、トランジスタのせり上げソース・ドレイン、SiGe HBTのベース、LEDやレーザーの多層構造 | 層間絶縁膜、STIの埋め込み、スペーサー、ハードマスク、ポリシリコンのゲートや抵抗、タングステンのプラグ |
| 重視する品質 | 積層欠陥や転位などの結晶欠陥、エピ層の膜厚と抵抗率(不純物濃度)。ヘテロエピタキシーでは臨界膜厚を超えるとミスフィット転位が入る | 膜厚の均一性、段差被覆性、膜の密度や水素などの不純物、膜の応力 |
| 装置 | 300 mmウエハのシリコンでは、ランプで加熱する枚葉式の反応炉が主流。化合物半導体ではMOCVDが広く使われ、研究などではMBEも使う | 多数のウエハを縦型炉で一度に処理するLPCVD、プラズマCVD、溝を埋めるHDP-CVDなど |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。