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2013 Fiscal Year Research-status Report

450 mm直径Si単結晶育成における点欠陥の精密制御に関する基礎研究

Research Project

Project/Area Number 25390069
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Research InstitutionOkayama Prefectural University

Principal Investigator

末岡 浩治  岡山県立大学, 情報工学部, 教授 (30364095)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords半導体 / シリコン単結晶 / 点欠陥 / 熱応力 / 大口径化
Research Abstract

本研究の全体的な構想は,半導体Si単結晶育成において,熱応力の影響を考慮した点欠陥挙動シミュレータを開発し,産業界における450 mm直径の無欠陥Si単結晶の実現に貢献することである.平成25年度は,第一原理計算法を用い,熱応力がSi結晶中の点欠陥の形成・拡散エンタルピーに与える影響を定量的に求めることを目的として研究を行った.
応力の影響が大きくなるSi結晶中心付近の固液界面近傍において,応力状態は平面圧縮応力に近いことから,まず,平面圧縮応力が点欠陥の形成エネルギーと緩和体積に与える影響について計算した.その結果,(1)点欠陥の形成エンタルピーに与える影響は,平面応力の方が等方性応力よりも大きいこと,(2)点欠陥の拡散エンタルピーは応力にあまり依存しないこと,などを明らかにした.すなわち,同じ平均応力の場合,平面圧縮応力は等方性圧縮応力よりもVoronkovの臨界v/Gを低下させる.
平成25年度は,さらに結晶外周部の固液界面付近における応力状態に近い1軸圧縮応力の計算を計画していたが,途中で,図らずもSi結晶メーカから300 mm結晶を用いた熱応力実験結果が報告された(Nakamura et al., ECS Solid State Letters, 3, N5 (2014)).そこで,この実験結果と本研究で実施した第一原理計算の比較を優先した.その結果,平面応力の計算結果により,臨界v/Gの応力依存性を見事に説明できることがわかった.その結果を論文投稿(K. Sueoka et al., ECS Solid State Letters)したところ,掲載可の回答を得た.また,本研究に関する国際会議招待講演を2件依頼された.
さらに,応力効果を考慮した欠陥数値シミュレータの開発のために,既存シミュレータ(CZ-Sim)の改良にも着手し始めた.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成25年度は,第一原理計算法を用い,熱応力がSi結晶中の点欠陥の形成・拡散エンタルピーに与える影響を定量的に求めることを目的とした.具体的には,(1)等方性応力,平面応力,1軸性応力状態をそれぞれ考慮した計算モデルを作成する.(2) CASTEPにより,完全結晶モデルおよび点欠陥を含むモデルの各々について構造最適化を行い,安定原子配置と点欠陥の緩和体積の応力依存性を求める.(3) (2)で得られた原子配置を維持したまま,Wien2kによりセルの全エネルギーを計算することで,点欠陥の形成・拡散エンタルピーを求める内容である.(1)と(2)について,等方性応力と平面応力の場合は終了した.しかし,1軸性応力の計算とWien2kの計算は実施に至らなかった.この点は予定より遅れている.
なお,今年度の途中で,図らずもSi結晶メーカから300 mm結晶を用いた実験結果が報告された(Nakamura et al., ECS Solid State Letters, 3, N5 (2014)).そこで,この実験結果と本研究で実施した第一原理計算の比較を優先した.その結果,平面応力の計算結果により,臨界v/Gの応力依存性を見事に説明できることがわかった.その結果を論文投稿(K. Sueoka et al., ECS Solid State Letters)したところ,掲載可の回答を得た.実験による計算結果の検証を平成27年度に予定していたが,幸いなことに産業界から実験結果が報告され,本計算結果の信頼性が検証できたことになる.
以上を総括して,予定していた計算が後回しになったものの,実験による計算結果の検証ができたことから,達成度として(2)おおむね順調に進展している,と自己評価する.

Strategy for Future Research Activity

平成26年度には,結晶外周部の固液界面付近における応力状態に近い1軸性圧縮応力の計算を行う.さらに,熱応力の影響を考慮したSi単結晶育成における点欠陥とGrown-in欠陥の数値シミュレータの開発を開始する.本研究ではシミュレータを最初から作ることはせず,既存のシミュレータを改良することで研究期間の短縮化を図る.なお,用いるシミュレータはウェーブフロント社製のCZ-Simであり,このシミュレータは,共同研究先のグローバルウェーハズ・ジャパン社が保有している.
さて,450 mm Si結晶はCzochralski法で育成するため,必ず格子間酸素を含んでいる.この酸素は原子空孔の濃度を上昇させることが知られている.また,Grown-in欠陥抑制のため,窒素や炭素,水素などを添加する場合もある.さらに,電気抵抗率を制御するため,BやPなどのドーパントも添加する.たとえばBは格子間シリコン濃度を上昇させ,Pは原子空孔濃度を上昇させる.従って,熱応力のみならず,これらの不純物が点欠陥に与える影響を考慮したシミュレーション技術の開発が,450 mm Si結晶で求められる精密な点欠陥制御技術に不可欠となる.このような技術動向から,当初計画には含まれていないが,これらの添加物が点欠陥濃度に与える影響についても平成26年度途中から検討を始めることとした.なお,ドーパントが点欠陥濃度に与える影響については検討を開始し,結果の一部を学術論文(K. Sueoka et al., J. Appl. Phys.,114, 153510 (2013))にまとめている.
最終的に,不純物や添加物を含む,熱応力下で育成される450 mm Si結晶について,点欠陥の精密制御技術の確立を目指す.

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

1
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  • Research Products

    (12 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (5 results) (of which Invited: 2 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Impact of Plane Thermal Stress near the Melt/Solid Interface on the v/G Criterion for Defect-Free Large Diameter Single Crystal Si Growth2014

    • Author(s)
      Koji Sueoka, Eiji Kamiyama, Jan Vanhellemont and Kozo Nakamura
    • Journal Title

      ECS Solid State Letters

      Volume: 3 Pages: P69-P72

    • DOI

      10.1149/2.002406ssl

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Density functional theory study on the impact of heavy doping on Si intrinsic point defect properties and implications for single crystal growth from a melt2013

    • Author(s)
      Koji Sueoka, Eiji Kamiyama and Jan Vanhellemont
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 114 Pages: 153150-1 - 19

    • DOI

      10.1063/1.4825222

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Theoretical study of the impact of stress on the behavior of intrinsic point defects in large-diameter defect-free Si crystals2013

    • Author(s)
      Koji Sueoka, Eiji Kamiyama and Jan Vanhellemont
    • Journal Title

      Journal of Crystal Growth

      Volume: 363 Pages: 97 - 104

    • DOI

      10.1016/j.jcrysgro.2012.10.014

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Silicon Single Crystal Growth from a Melt: On the Impact of Dopants on the v/G Criterion2013

    • Author(s)
      Jan Vanhellemont, Eiji Kamiyama and Koji Sueoka
    • Journal Title

      ECS Journal of Solid State Science and Technology

      Volume: 2 Pages: 166 - 179

    • DOI

      10.1149/2.024304jss

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thermal stress induced void formation during 450mm defect free silicon crystal growth and implications for wafer inspection2013

    • Author(s)
      Eiji Kamiyama, Jan Vanhellemont, Koji Sueoka, Koji Araki and Koji Izunome
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 102 Pages: 082108-1 - 4

    • DOI

      10.1063/1.4793662

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Stress and Doping Impact on Intrinsic Point Defect Behavior in Growing Single Crystal Silicon2014

    • Author(s)
      Koji Sueoka, Eiji Kamiyama and Jan Vanhellemont
    • Organizer
      The Electrochemical Society 2014 Fall Meeting, Symposium P3
    • Place of Presentation
      Cancun, Mexico
    • Year and Date
      20141005-20141010
    • Invited
  • [Presentation] Stress and Doping Impact on Intrinsic Point Defect Behavior in Growing Single Crystal Silicon2014

    • Author(s)
      Koji Sueoka, Eiji Kamiyama and Jan Vanhellemont
    • Organizer
      European Materials Research Society 2014 Spring Meeting, Symposium X
    • Place of Presentation
      Lille, France
    • Year and Date
      20140526-20140530
    • Invited
  • [Presentation] 固液界面近傍の熱応力が育成中Si 単結晶の臨界v/G 値に与える影響2014

    • Author(s)
      末岡浩治,神山栄治
    • Organizer
      第61回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      青山学院大学(神奈川県相模原市)
    • Year and Date
      20140317-20140320
  • [Presentation] 無欠陥条件Si 結晶成長中の熱応力起因によるボイド形成2014

    • Author(s)
      神山栄治,末岡浩治
    • Organizer
      第61回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      青山学院大学(神奈川県相模原市)
    • Year and Date
      20140317-20140320
  • [Presentation] Theoretical study of the impact of stress on the behavior of intrinsic point defects in large-diameter defect-free Si crystals2013

    • Author(s)
      Koji Sueoka, Eiji Kamiyama and Jan Vanhellemont
    • Organizer
      Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology 2013
    • Place of Presentation
      Oxford, England
    • Year and Date
      20130922-20130927
  • [Book] Silicon, Germanium, and Their Alloys: Growth, Defects, Impurities, and Nanocrystals (分担執筆)2014

    • Author(s)
      Eiji Kamiyama, Jan Vanhellemont and Koji Sueoka
    • Total Pages
      未定
    • Publisher
      CRC Press, a Taylor & Francis Company
  • [Remarks] 岡山県立大学 情報工学部 情報通信工学科 応用物理学研究室 2013年度の研究内容

    • URL

      http://www-apl.c.oka-pu.ac.jp/labpanel.pdf

URL: 

Published: 2015-05-28  

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