半導体Si結晶育成中の点欠陥挙動に与える熱応力とドーパントの効果

摘要

LSIの基板として格子間Si原子（I）と原子空孔（V）を完全に対消滅させた300mm直径の無欠陥Si ウェーハが実用されている．現在，さらなる大口径化が検討されており，次世代は450mm直径ウェーハになると予想されている．この大口径化に伴い，育成中のSi単結晶に生じる熱圧縮応力がIとVの濃度バランスに影響する可能性が指摘されている．また，Siウェーハには電気抵抗率の制御や欠陥制御の目的で，III～V族のドーパントを添加する．このドーパントは，その種類と濃度に応じて点欠陥挙動に影響を与えることが知られているが，実験結果の統一的な説明にはこれまで成功していない．このような技術背景において，本研究では半導体Si結晶育成中の点欠陥挙動に与える熱応力とドーパントの効果について，第一原理計算によりそのメカニズムを明らかにすることを目的とした．得られた主要な結果は次のとおりである．（1）20MPa程度の熱圧縮応力により，無欠陥Si結晶はV優勢に傾く．（2）固液界面から取り込まれたドーパント近傍における点欠陥の形成エネルギ変化により，p型（B），n型（P, As，Sb，Bi），中性（C，Ge，Sn）ドーパントの各々について，点欠陥挙動に影響を与えるドーパント濃度を定量的に説明できる．