シリコン単結晶
シリコン単結晶は、半導体デバイスや集積回路(IC)の基盤となる材料であり、現代の電子工学・情報通信社会を支える不可欠な存在である。高純度なシリコンを原料に、結晶引き上げ法などで単一方向に結晶を成長させ、高品質な結晶構造を得る。シリコンはバンドギャップが適度である上、成熟した加工・ドーピング技術、豊富な資源量などが利点となり、トランジスタやダイオード、メモリ、プロセッサ、太陽電池など、多岐にわたる電子デバイスで用いられてきた。シリコン単結晶から切り出されたシリコンウェハは、微細パターン化技術と組み合わさることで、集積度の極限を追求し、半導体産業の発展を牽引する。
これは科学博物館の目玉、メートル原器とキログラム原器と単結晶シリコン球体 pic.twitter.com/PZELKYpK9p
— ガ党ーッ!? C105 2日目 R62a (@piron_gatou_2nd) February 29, 2024
結晶成長法の種類
シリコン単結晶を得る手法として、代表的なのがチョクラルスキー法(CZ法)とフローティングゾーン法(FZ法)である。CZ法は、シリコン溶湯から種晶を回転させながら引き上げることで、大口径ウェハ用結晶を生産可能な実用的手法である。一方FZ法は、シリコン棒を高周波加熱で部分溶融し結晶化させるため、高純度な結晶が得られ、特殊用途のデバイスやパワーデバイス向けに採用される。これらの成長方法により、様々な純度・特性を有する単結晶が製造される。
【CZ法誕生秘話】
単結晶シリコンの生成方法として有名なCZ(チョクラルスキー)法ですが、発明のきっかけは、
インク瓶と間違えてペンを金属のるつぼに入れてしまったことでした。
ペン先に金属が付いてくる現象を見たチョクラルスキーは、その後1916年にCZ法を発明しました。#半導体雑学 pic.twitter.com/ZoZDAVb9bQ— ロン | 半導体系YouTuber (@Semicon_Academy) August 19, 2023
結晶品質と欠陥制御
シリコン単結晶の品質は、不純物濃度、結晶性欠陥、転位密度、酸素・炭素などの微量元素含有量によって左右される。製造工程では、これら欠陥を最小限に抑える技術が重要視され、温度制御や引き上げ速度の調整、溶融過程の最適化、ガス雰囲気制御が行われる。高品質結晶を用いることで、デバイス歩留まり・性能が向上し、微細化が進む最先端半導体プロセスにも耐えうる材料プラットフォームが実現する。
ウェハ加工プロセス
単結晶インゴットが成長した後、それを円柱状に成形し、スライスして薄いウェハへと加工する。続いて研磨、洗浄、エピタキシャル成長(必要な場合)などを経て、半導体デバイスのファブラインへ投入される。ウェハ表面の平坦度、微小欠陥密度、結晶方位の制御は、後工程での微細リソグラフィやイオン注入、拡散・CVD、配線形成などの良好な実行に欠かせない。
電通大にはダイサーがないので、学内でのシリコンウエハ小分けの際は、手割りです。(100)表面の単結晶シリコンの場合、ウエハに曲げをかけて、端をダイヤモンドペンでカリカリすると、綺麗な垂直で分割できます。分割時のシリコンのキーンという振動音が涼やかな音色なのです。気に入りの工程です。 pic.twitter.com/K5DoyOn1pQ
— 電通大菅研究室 (@kan_uec) May 26, 2024
抵抗率制御とドーピング
シリコン単結晶中に微量のボロン(B)やリン(P)、ヒ素(As)などを導入することで、p型・n型の電気特性を制御できる。抵抗率はこれらドーパント濃度に依存し、デバイス特性に直結する。インゴット成長時にドーパントを添加することや、後工程でイオン注入を行うことで、トランジスタゲート領域や電源配線層など、用途に応じた電気的プロファイルが形成可能となる。
太陽電池への応用
シリコン単結晶は、太陽電池(単結晶シリコン太陽電池)にも広く応用される。単結晶由来の高結晶品質は、キャリアの寿命や拡散長を伸ばし、高変換効率を達成する。結晶粒界による欠陥の少なさが内部光吸収効率を向上させ、安定した発電性能を長期にわたり発揮する。製造コスト低減と効率向上のため、インゴット引き上げプロセスの最適化や薄型ウェハ化技術が進められている。
エピタキシャル成長と材料改質
単結晶ウェハ上に、より純度や特性を強化したエピタキシャル層を成長させることで、高性能MOSFETやパワーデバイスに特化した材料系が得られる。こうしたエピ成長プロセスは、基底ウェハとエピ層の格子整合や不純物制御を高度に設計することで、機能向上や信頼性確保に寄与する。
将来展望
シリコン単結晶は、Si以外のワイドバンドギャップ半導体や新材料の台頭がある中でも、今後も主流材料としての地位を維持すると考えられる。微細化限界に挑戦するロジック・メモリデバイスや3D集積、パワーデバイス、光集積デバイスとの融合など、多様な方向性で発展が続く。その基盤には、結晶品質向上やコスト削減へのたゆまぬ努力があり、半導体産業とともにさらなる高みに達し続けるだろう。