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オンデマンド出版(POD)
半導体の結晶欠陥制御の科学と技術―シリコン編

コードNO153P
発 刊1993年6月
監 修
角野 浩二
東北大学 金属材料研究所 教授
価 格 POD(オンデマンド)価格 本体41,300円+税
体 裁 A4判並製 368頁
試 読不可
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キャンセル・返品不可
半導体シリコン材料の現象の本質に迫り、シリコン結晶欠陥の解明と制御に挑戦する科学・技術書

■ 主要構成

第1章 シリコン中の結晶欠陥とそのふるまい
第2章 シリコンデバイスと結晶欠陥
第3章 シリコン結晶の育成と成長欠陥
第4章 シリコン中の軽元素不純物とプロセス誘起欠陥
第5章 シリコン中の重金属不純物のふるまい
第6章 シリコンウェハ処理と結晶欠陥
第7章 シリコンのエピタキシャル成長と結晶欠陥
第8章 シリコン中のキャリア・ライフタイムと結晶欠陥


【発刊にあたって】

半導体デバイスは半導体の構造敏感な電気的あるいは光学的性質を利用したものである。 構造敏感な性質は必然的に結晶欠陥の強い影響を受ける。 欠陥をいかに制御できるかが電子デバイスの性能とその生産性を支配する決定的要因となる。

本書は現在半導体デバイス材料の中心をなすシリコン中の構造欠陥や不純物の基本的な性質、それらがデバイス機能に与える影響、シリコン結晶中に発生したり取り込まれる過程、また、それらを制御する方法について基礎から応用にわたり広範な解説を行ったものである。 執筆者はいずれもそれぞれの分野でわが国を代表するエキスパートである。

シリコン材料の技術は日進月歩であるが、本書の特徴は、単なる一過性の具体的技術の羅列ではなく、将来の研究や技術開発の指針となるよう、欠陥制御の立場からどのような事柄が何故重要であるか、また、問題を解決するためには基本的に何が明らかにされなければならないか、そして、現時点ではそのような問題が具体的にどのように扱われているか、さらに、それらの技術の将来展望などに関し、比較的少数のベテランの科学者と技術者が解説を試みた点にある。

半導体デバイス材料の開発にとって欠陥の制御がキー・テクノロジーであることは技術者であれば誰もが承知していることであるが、それに関する啓蒙的な書物が皆無なのが現状である。 本書がそのような空白を埋めるとともに、わが国のシリコン材料技術の現時点での指標となるものと確信する。 本書の内容はまた、シリコン材料を扱っている研究者にとどまらず、化合物半導体を扱っている人たちにとっても貴重であると思われる。

監修 角野 浩二

■ 内容目次

第1章 シリコン中の結晶欠陥とそのふるまい
<角野 浩二/末澤 正志>
  1. 序論
    1.1 結晶欠陥の定義
    1.2 結晶欠陥の起源
    1.3 欠陥反応と欠陥制御
  2. シリコンの結晶欠陥とその特徴
    2.1 シリコン中の点欠陥
    2.2 シリコン中の転位
    1. 転位の定義
    2. シリコン結晶中の転位の幾何学的特徴
    3. 転位の主な性質
    2.3 シリコン中の積層欠陥
  3. シリコン結晶の固有欠陥のふるまい
    3.1 熱平衡状態にある点欠陥
    1. 点欠陥およびその集合体の熱平衡濃度
    2. 点欠陥形成と移動に関するパラメータ
    3.2 固有欠陥と自己拡散
    3.3 固有欠陥の形成と移動のパラメータの理論計算
    3.4 固有欠陥の電子構造
    3.5 成長欠陥と凍結欠陥
  4. シリコン中の不純物のふるまい
    4.1 ドーパントと電子構造
    4.2 深い電子準位を有する不純物
    1. 深い電子準位の持つ意味
    2. カルコゲン不純物
    3. 遷移金属不純物
    4.3 不純物集合体と点欠陥・不純物複合体
    1. 不純物酸素の集合体としての熱ドナー
    2. 点欠陥―不純物複合体
    4.4 不純物の拡散
    1. ドーパントの拡散
    2. シリコンの酸化条件下におけるドーパント拡散の促進と遅滞
    3. シリコン中の遷移金属の拡散
    4.5 不純物析出とゲッタリング
    1. 不純物の固溶度と析出
    2. 結晶欠陥における優先析出と不純物ゲッタリング
    3. 不純物ゲッタリングの機構
    4. ゲッタリングのカイネティックス
  5. 高温・応力下でのシリコンのふるまい
    5.1 塑性変形と転位
    5.2 シリコン中での転位の動きの特徴
    1. 転位の運動速度
    2. 転位の運動に対する不純物の効果
    5.3 不純物ゲッタリングによる転位の不動化
    5.4 転位発生のメカニズムと不純物の効果
    5.5 シリコンの機械的性質とその特徴
    1. 高純度シリコンの機械的性質
    2. 変形特性に対する不純物の効果
    5.6 シリコンの塑性変形の転位動力学的理論
    1. 不純物による転位の不動化がない場合
    2. 不純物による転位の不動化の効果
    5.7 シリコンウェハの機械的安定性と不純物酸素の役割
    5.8 不純物析出による軟化
第2章 シリコンデバイスと結晶欠陥
<津屋 英樹>
  1. デバイス特性と結晶欠陥
    1.1 デバイスの分類と基本構造
    1.2 デバイス高性能化の進展
    1.3 デバイスの不良モード
    1. DRAM
    2. SRAM
    3. バイポーラ
    4. CCD
  2. 欠陥発生要因
    2.1 デバイス構造からくる要因
    1. パターン端部に発生する局所応力と理論的解析
    2. LOCOSの応力によるデバイス特性の劣化
    3. トレンチ分離の応力によるデバイス特性の劣化
    4. LDDによるリーク電流の増大
    5. トレンチキャパシタによるホールド特性の劣化
    6. 高濃度のドーピング不純物領域が関与する欠陥
    2.2 プロセス起因による欠陥の発生
    1. 不純物汚染によるデバイス特性への影響と欠陥の発生
    2. 熱応力による欠陥の発生
    3. 膜の真性応力による欠陥
    4. イオン注入による欠陥
    5. ドライエッチングプロセスによる欠陥
    6. シリコン基板による酸化膜耐圧の劣化
  3. 不純物制御技術
    3.1 ゲッタリング技術
    1. EG法
    2. IG法
    3. 新しいゲッタリング法
    3.2 ウェハ洗浄技術
第3章 シリコン結晶の育成と成長欠陥
<平田 洋/干川 圭吾>
  1. シリコン結晶育成と成長欠陥概要
    1.1 CZ法結晶育成プロセス
    1.2 CZ法結晶成長の基礎現象
    1. 熱の流れと結晶成長
    2. 偏析現象
    3. 正規凝固則
    4. 融液中の対流現象
    1.3 CZ法結晶成長技術の進展
    1. 無転位化と大形化
    2. 磁界印加技術
    3. シミュレーション技術
    1.4 結晶成長時に導入される結晶不完全性:成長欠陥
    1. 成長欠陥の定義
    2. 成長欠陥の種類と特徴
  2. 酸素の混入と制御
    2.1 酸素混入機構
    1. 石英の溶解速度
    2. 酸素の移動機構
    3. 酸素濃度決定要因
    2.2 酸素濃度制御
    1. 酸素濃度制御指針
    2. 通常のCZ法における酸素濃度制御
    3. 磁界による酸素濃度制御
  3. 添加不純物の分布と均一化
    3.1 不純物の分布と発生要因
    3.2 成長方向マクロ分布
    1. マルチ引上げ法
    2. 連続充填引上げ法
    3. 磁界印加による実効偏析係数制御
    3.3 面内マクロ分布
    1. 拡散境界層の不均一
    2. 界面形状凹凸に起因する不均一
    3.4 ミクロ不均一分布
    1. ミクロ不均一発生要因
    2. 結晶・るつぼ回転の効果
    3. 磁界印加による均一化
第4章 シリコン中の軽元素不純物とプロセス誘起欠陥
<渡辺 正晴/原 明人/鹿島 一日児>
  1. 基礎データ
    1.1 相図・熱力学定数
    1.2 固溶限と拡散係数
    1.3 格子定数
  2. サーマルドナー
    2.1 抵抗率変化と形成速度
    2.2 モデル
    2.3 IR、ESR/ENDORによる解析
    2.4 DLTS
  3. 電気特性
    3.1 ディープレベルおよびライフタイム
  4. 評価法
    4.1 元素分析
    1. 光吸収
    2. 放射化分析
    3. 2次イオン重量分析法
    4.2 欠陥分析
    1. 透過電子顕微鏡
    2. 赤外線トモグラフ
    3. X線トポグラフ
    4. エッチング法
    5. 電子スピン共鳴法と電子核二重共鳴
    6. ライフタイム
    7. Deep level transient spectroscopy法
    8. Photothermal ionization spectroscopy法
    9. フォトルミネッセンス
  5. 酸素析出とOSF
    5.1 酸素析出物の構造
    5.2 酸素析出物の発生機構
    1. 均一核形成
    2. 不均一核形成
    5.3 酸素析出物の成長機構
    5.4 As-grown中の析出欠陥
    1. 巨大析出物
    5.5 酸素析出に対する480℃低温処理の有効性
    5.6 OSF(Oxidation−Induced Stacking Fault;酸化誘起積層欠陥)
    1. OSFの成長と収縮
    2. OSFと引上げ速度および温度変動
    3. リング状OSF
    5.7 その他
  6. 物理特性とプロセス誘起欠陥
    6.1 酸化膜耐圧、TDDB
    6.2 機械的強度・転位の発生
第5章 シリコン中の重金属不純物のふるまい
<角田 成夫/佐野 正和/重松 達彦/藤野 允克>
  1. シリコン表面およびバルク中の重金属の検出技術
    1.1 表面の重金属の検出技術
    1. 原子吸光法
    2. 全反射蛍光X線法
    3. 2次イオン重量分析法
    1.2 バルク中の重金属の検出技術
    1.3 電気的検出技術
    1. DLTS
    2. ライフタイム測定法
  2. シリコン結晶の特性に及ぼす重金属の影響
    2.1 重金属の挙動
    2.2 結晶欠陥への影響
    1. 重金属による結晶欠陥
    2. Fe、Ni、Cuの結晶欠陥の発生
    3. 表面析出欠陥の実体
    4. 金属元素による挙動の差異
    5. OSFの発生挙動
    6. 重金属元素の挙動の要約
    2.3 電気的特性への影響
    1. 酸化膜絶縁破壊特性への影響
    2. 接合リーク
    3. ライフタイム
  3. ゲッタリング効果の定量評価
第6章 シリコンウェハ処理と結晶欠陥
<清水 博文>
  1. ウェハ処理と酸化誘起積層欠陥(OISF)
    1.1 OISFの構造
    1.2 核形成と成長
    1. 機械的損傷が核形成場所になる場合
    2. grown-in欠陥が核形成の場所になる場合
    1.3 OISF成長の現象論
    1.4 OISFの収縮と消滅
    1.5 OISFのgrowth-retrogrowthのkinetics
    1. Si-SiO2界面における格子間Si原子の形成
    2. 格子間Si原子の拡散とOISFの成長
    1.6 ウェハ洗浄と酸化膜欠陥
  2. 熱応力転位とウェハ反り
    2.1 薄い円板に生じる熱応力
    2.2 過渡的な温度変化によりウェハ列に生じる熱応力
    2.3 ウェハ面内の熱応力の計算(1)
    2.4 ウェハ面内の熱応力の計算(2)(徐熱・徐冷)
    1. ウェハ面内の温度分布
    2. 有限要素法による熱応力の計算
    2.5 ウェハの塑性変形
    1. ウェハにおけるスリップの発生
    2. ウェハ反りの形状
    3. 熱応力転位の抑制
    2.6 CZシリコンの酸素濃度と反り
    1. 酸素原子による転位の固着効果と反り
    2. 表面処理と転位の発生
    3. CZシリコンの析出軟化
    4. デバイスプロセスにおけるウェハ反り
    5. 反り変形の機構
    2.7 熱応力転位発生予測シミュレーション
    1. 分解剪断応力
  3. 薄膜エッジ誘起応力による結晶欠陥
    3.1 SiO2
    3.2 Si3N4膜とSi3N4/SiO22層膜
    1. Si3N4膜エッジ応力による転位の発生
    2. 薄膜エッジ誘起応力の計算例
    3. SiO2膜によるSi3N4膜の応力緩和
    3.3 Si3N4/SiO22層膜(LOCOS構造)
第7章 シリコンのエピタキシャル成長と結晶欠陥
<鈴木 誉也>
  1. 表面形状欠陥
    1.1 波紋状表面
    1.2 成長突起
    1.3 ピラミッド突起
    1.4 その他の不定形突起
    1.5 表面形状欠陥の制御
    1. 基板面方位
    2. 基板の表面清浄化処理
    3. 成長条件
  2. 転位
    2.1 基板からの伝播転位
    2.2 熱応力(スリップ)転位とその制御
    1. 熱応力転位の発生
    2. スリップ転位発生の制御
    2.3 ミスフィット転位とその制御
    1. ミスフィット転位の発生
    2. ミスフィット転位の制御
  3. エピ積層欠陥
    3.1 エピ積層欠陥の構造
    3.2 エピ積層欠陥の成因
    3.3 積層欠陥の制御
    1. 基板ウェハの処理
    2. 基板面方位
    3. エピ成長条件
    4. 熱処理による消失
  4. 微小欠陥
  5. バイポーラLSI用エピ層の欠陥制御
    5.1 バイポーラLSI用エピ層の欠陥
    5.2 エピ欠陥制御
    1. Extrinsic gettering
    2. Intrinsic gettering
  6. MOS LSI用エピ層の欠陥制御
    6.1 MOS LSI用エピ層の欠陥
    6.2 エピ欠陥制御
第8章 シリコン中のキャリア・ライフタイムと結晶欠陥
<藤田 哲男/中静 恒夫/内藤 俊太/篠山 誠二>
  1. ライフタイムの意味とその測定法
    1.1 再結合過程のメカニズム
    1.2 ライフタイムの意味
    1. バルクのライフタイム
    2. 表面再結合速度
    1.3 ライフタイムの測定原理
    1. μPCD法の測定原理
    2. MOSC-t法
  2. ライフタイム測定の影響因子
    2.1 μPCD法によるライフタイム測定の影響因子
    1. 表面再結合速度がτeffに及ぼす影響
    2. 酸化膜厚依存性
    3. ドーパント濃度依存性
    4. n型とp型との比較
    2.2 MOS C-t法によるライフタイム測定の影響因子
    1. 測定バイアス依存性
    2. 周辺効果の影響
    3. 直列抵抗成分の影響
  3. 結晶欠陥とライフタイム
    3.1 シリコンウェハの結晶欠陥
    1. 酸素析出物
    2. 酸化誘起積層欠陥
    3. EG処理による結晶欠陥
    3.2 酸素析出物とライフタイムの関係
    1. 酸素析出物の形成とライフタイムの変化
    3.3 OSFとライフタイムの関係
    3.4 EG処理による結晶欠陥とライフタイム
    1. サンドブラストウェハのライフタイム
    2. ポリシリコンバックシールウェハのライフタイム
  4. 金属汚染とライフタイム
    4.1 汚染金属の種類および濃度とτeffの関係
    4.2 ドーパントの種類とτeffの関係
    4.3 τgによるゲッタリング効果の評価
    1. τgによるEGウェハの評価
    2. τgによるIGウェハの評価


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■ 執筆者一覧(執筆順・敬称略、肩書等は発刊時のものです)
■ 監修
角野 浩二
東北大学 金属材料研究所 教授
 
■ 執筆者
角野 浩二
東北大学 金属材料研究所 教授
末澤 正志
東北大学 金属材料研究所 助教授
津屋 英樹
日本電気(株)研究開発グループ 主席研究員
干川 圭吾
信州大学 教育学部 教授
平田 洋
日本電信電話(株)通信網総合研究所 主任研究員
渡辺 正晴
コマツ電子金属(株)技術本部 技監
鹿島 一日児
東芝セラミックス(株)シリコン事業部技術部 主査
原 明人
(株)富士通研究所 半導体研究部 第4研究室
藤野 允克
住友シチックス(株)技師長
重松 達彦
住友シチックス(株)シリコン技術本部 副本部長
佐野 正和
住友シチックス(株)シリコン技術本部 応用技術グループ長
角田 成夫
住友シチックス(株)シリコン技術本部 材料科学グループ長
清水 博文
(株)日立製作所 半導体事業部技術開発本部 プロセス技術開発部 主任技師
鈴木 誉也
(株)日立製作所 日立研究所 主管研究員
篠山 誠二
新日本製鉄(株)エレクトロニクス研究所半導体材料研究部 部長
藤田 哲男
新日本製鉄(株)エレクトロニクス研究所半導体基盤技術研究部 主任研究員
中静 恒夫
新日本製鉄(株)エレクトロニクス研究所半導体材料研究部 主任研究員
内藤 俊太
ニッテツ電子(株)製造部 課長

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