| 研究課題/領域番号 |
25390069
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 研究機関 | 岡山県立大学 |
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研究代表者 |
末岡 浩治 岡山県立大学, 情報工学部, 教授 (30364095)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 半導体 / シリコン単結晶 / 点欠陥 / 熱応力 / 大口径化 |
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| 研究概要 |
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．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
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．
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| 今後の研究の推進方策 |
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．
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| 次年度の研究費の使用計画 |
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