点欠陥(空孔・格子間原子)とは

Point Defect

最終更新:2026-09-14単結晶製造装置(CZ/FZ引上げ)材料

点欠陥(空孔・格子間原子)とは?

点欠陥とは、結晶中の原子1個分の位置に生じる乱れで、格子点が空いた空孔、隙間に入り込んだ格子間原子、別の原子が入った置換型不純物などがあります。熱平衡でも温度とともに指数関数的に増える点が他の欠陥と異なります。シリコン中のドーパントの拡散を媒介するため、イオン注入や酸化で点欠陥が過剰になると、ホウ素の拡散が大きく加速されます。

定義・解説

点欠陥とは、結晶中の原子1個(またはごく少数)の位置に生じる乱れのことです。代表的なものに、本来原子があるべき格子点が空いている空孔(vacancy)、格子点の間の隙間に余分な原子が入り込んだ格子間原子(interstitial)、異なる種類の原子が格子点を占める置換型不純物があります。

点欠陥は、熱平衡の状態でも一定の割合で必ず存在する点が、転位など他の結晶欠陥と異なります。点欠陥を1つ作るのに必要なエネルギー(形成エネルギー)を E_f とすると、その濃度は exp(−E_f/kT) に比例し、温度とともに急激に増えます。シリコンの融点付近で取り込まれた空孔や格子間シリコンが、結晶を冷やす過程で消えきらずに過飽和となることが、COPなどの成長時導入欠陥の原因になります。

半導体製造で点欠陥が重要なのは、ドーパントの拡散を媒介するためです。シリコン中のホウ素やリンは主に格子間シリコンと対になって移動し、アンチモンは主に空孔を介して移動します。そのため、酸化やイオン注入で格子間シリコンが過剰になると、ホウ素の拡散が一時的に大きく加速されます。この過渡的増速拡散は、浅い接合を作るうえでの大きな障害になっています。

イオン注入は、点欠陥を大量に作る工程でもあります。高速のイオンがシリコン原子を格子点から弾き出し、空孔と格子間原子の対(フレンケル対)を次々に生み出します。注入量が多いと結晶が壊れてアモルファス化し、熱処理で再結晶化する際に、アモルファス層の端に残った格子間原子が転位ループ(EOR欠陥)を作ります。注入後のアニールは、ドーパントの活性化と同時に、これらの損傷を回復させる工程です。

点欠陥はバンドギャップ中に準位を作り、キャリアの捕獲や再結合の中心になります。特に鉄・銅・ニッケルなどの金属不純物は深い準位を作って少数キャリアのライフタイムを大きく縮めるため、極めて低い濃度での管理が求められます。化合物半導体では原子の欠損や入れ替わり(アンチサイト欠陥)が電気的性質を左右し、GaAsの半絶縁性はEL2と呼ばれる深い準位の点欠陥が関わって実現されています。

図解

結晶格子中の点欠陥の模式図。空孔、格子間原子、置換型不純物、格子間型不純物、フレンケル対の5種類を示す。
点欠陥の5つの型 ─ 空孔と格子間原子はドーパントの拡散を媒介し、集まるとより大きな欠陥になる

点欠陥の種類と影響

種類構造シリコンでの例主な影響
空孔格子点から原子が抜けた穴単空孔、空孔対アンチモンなどの拡散を媒介。集まるとボイド(COP)に
自己格子間原子格子の隙間に入った同種の原子格子間シリコンホウ素・リンの拡散を媒介。集まると転位ループや OSF に
フレンケル対空孔と格子間原子の組イオン注入による損傷熱処理で再結合して消える
置換型不純物格子点を別の原子が占めるB・P・As(ドーパント)活性化するとキャリアを供給する
格子間型不純物隙間に入った別の原子格子間酸素、Fe・Cu酸素は析出物に、金属は深い準位を作る
複合欠陥点欠陥と不純物が結合したもの空孔と酸素の複合体、Fe-B 対ライフタイムの低下、特性の変動

点欠陥の濃度は温度で決まる

点欠陥は熱平衡でも存在し、その濃度は形成エネルギー Ef と温度 T で決まります。

Ceq ∝ exp(−Ef / kT)

温度による違いの大きさを見るため、仮に Ef = 3 eV として、1,400℃(1,673 K)と1,000℃(1,273 K)の濃度を比べると、 exp[(3 / 8.62×10⁻⁵) × (1/1,273 − 1/1,673)] ≈ 700 倍になります。 融点近くで取り込まれた点欠陥は、結晶が冷えると平衡濃度の何百倍もの過飽和になり、 行き場を失って集まり、ボイドや転位ループになります。これがGrown-in欠陥の出発点です。

ドーパントの拡散は点欠陥が決める

ドーパント原子は単独ではほとんど動けず、点欠陥と組むことで移動します。 格子間シリコンを介する割合を fI とすると、点欠陥の濃度が平衡値(*)からずれたときの実効的な拡散係数は次式で表されます。

D = D* · [ fI · (CI / CI*) + (1 − fI) · (CV / CV*) ]

ドーパント主な拡散の担い手酸化中(格子間シリコンが過剰)の拡散
ホウ素(B)格子間シリコン速くなる(酸化増速拡散)
リン(P)格子間シリコン速くなる
ヒ素(As)空孔と格子間シリコンの両方やや速くなる
アンチモン(Sb)空孔遅くなる(格子間シリコンが空孔と再結合して空孔が減るため)

イオン注入の直後は格子間シリコンが大量に余っているため、CI / CI* が非常に大きくなり、 ホウ素の拡散が一時的に大きく加速されます(過渡的増速拡散)。 過剰な格子間シリコンが消えるまでの短い時間だけ起きる現象なので、スパイクアニールフラッシュランプアニールのような短時間の熱処理で、 拡散を抑えながら活性化だけを進めます。

イオン注入の損傷と EOR 欠陥

イオン注入では、1個のイオンが止まるまでに数百から数千のシリコン原子を弾き出します。 注入量が少なければ損傷は点欠陥の集まりにとどまり、熱処理でほとんどが回復します。 注入量が多いと損傷が重なって結晶が壊れ、表面からある深さまでがアモルファスになります。

アモルファス層は熱処理で下の結晶を種にして再結晶化しますが、アモルファス層と結晶の境界のすぐ下には、 弾き出された格子間シリコンが取り残されます。これが集まってできる転位ループが EOR(End of Range)欠陥で、 接合の近くに残るとリーク電流の原因になります。プリアモルファス化注入では、この EOR 欠陥が接合から離れた位置にできるよう、注入の深さを設計します。

あわせて読みたい

Grown-in欠陥とは →ドーパント活性化とは →結晶欠陥(格子欠陥)とは →

よくある質問(FAQ)

空孔と格子間原子の違いは何ですか?
空孔は本来原子があるべき格子点から原子が抜けた「穴」、格子間原子は格子点どうしの隙間に余分に入り込んだ原子です。シリコンでは両方が同時に存在し、互いに出会うと再結合して消えます。どちらが多いかによって、結晶成長時にできる欠陥の種類やドーパントの拡散の速さが変わります。
点欠陥はドーパントの拡散にどう関係しますか?
ドーパント原子は単独ではほとんど動けず、点欠陥と組むことで結晶中を移動します。シリコン中のホウ素やリンは主に格子間シリコンと、アンチモンは主に空孔と組んで拡散します。そのため酸化やイオン注入で格子間シリコンが増えると、ホウ素やリンの拡散は速くなり、アンチモンの拡散は遅くなります。
イオン注入でできた点欠陥はどうなりますか?
注入直後は空孔と格子間原子が大量に存在しますが、その多くは熱処理で互いに再結合して消えます。残った過剰な格子間原子は集まって棒状の欠陥や転位ループになり、さらに熱処理を加えると解消していきます。この過程でドーパントの拡散が一時的に加速されるため、浅い接合を作るには短時間の熱処理が使われます。

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