結晶の乱れ：欠陥と不純物

ウェーハの結晶に生じる乱れ（欠陥）と、意図しない不純物が、半導体の性能に与える影響を説明する。原子が抜ける、線状にずれる、面状にずれるといった欠陥の種類、酸素や金属の不純物、欠陥の発生を抑え、減らす考え方を扱う。

理想の結晶と、現実の結晶

シリコンの単結晶では、原子が規則正しく並んでいる。これが理想の姿である。しかし、現実の結晶には、並びの乱れや、混じってしまった別の原子が、わずかに含まれる。

結晶の乱れを、欠陥と呼ぶ。欠陥や不純物は、トランジスタの性能や信頼性に影響する。このページでは、その種類と、影響、減らす考え方を見ていく。

欠陥の種類

欠陥は、形によって、いくつかに分けられる。

一つは、一つの原子の大きさほどの欠陥である。原子が一つ抜けた場所（空孔）や、並びの間に余分な原子が入り込んだ場所である。

二つめは、線のように連なる欠陥である。結晶の並びが、線に沿ってずれている状態で、転位と呼ばれる。三つめは、面のように広がる欠陥で、並びの積み重なり方が、ある面から変わってしまった状態である。

不純物

結晶には、意図しない原子が混じることもある。たとえば、結晶を作る容器から入る酸素や炭素、工程の途中で付く金属である。

金属の不純物は、特に問題になる。ごく少量でも、電気の性質を変えたり、電気を漏らす原因になったりする。そのため、金属の汚れは、前工程で厳しく管理される。

酸素は、悪い面ばかりではない。結晶の中の酸素は、条件によっては、金属の不純物を捕まえる働きをする。この性質は、前のページで学んだゲッタリングに使われることがある。

欠陥が、どう影響するか

欠陥があると、電気を運ぶ粒（電子や正孔）が、そこで捕まったり、消えたりする。電気が漏れたり、トランジスタの性質がばらついたり、長く使うと性能が落ちたりする。

影響は、欠陥の場所にも左右される。トランジスタが働く表面の近くにあると、特に問題になる。一方で、ウェーハの内部の深い場所にあるものは、影響が小さい場合もある。

欠陥を、減らす

欠陥を減らす第一歩は、結晶を作る段階での工夫である。結晶をゆっくり、安定した条件で成長させると、欠陥が少なくなる。結晶を引き上げる速さや、温度の分布を、細かく制御する。

また、ウェーハの表面に、結晶の膜をさらに育てる方法（エピタキシャル成長）を使うと、表面近くの結晶を、きれいな状態にできる。

工程で、新たに生じる欠陥

結晶を作ったあとの工程でも、欠陥は生じる。たとえば、イオン注入では、勢いよくぶつかる粒が、結晶を乱す。この乱れは、あとで熱処理をして、できるだけ元に戻す。急な温度の変化で、ウェーハに力がかかり、欠陥が増えることもある。

このページのまとめ