Grown-in欠陥（成長時導入欠陥）とは

Grown-in欠陥とは、シリコン単結晶の育成中、冷却の過程で過剰な点欠陥が集まってできる微小欠陥の総称です。引き上げ速度Vと温度勾配Gの比V/Gが約0.13mm²/(min·K)より大きいと空孔が集まったCOP、小さいと格子間シリコンが集まった転位クラスタができ、その境界付近にはOSFリングが現れます。V/Gを臨界値付近に保てば無欠陥結晶が得られます。

COP・FPD・LSTD は、同じ空孔型のボイドを検出方法の違いで呼び分けた名前です。

成長界面では、空孔と格子間シリコンがそれぞれほぼ平衡の濃度で結晶に取り込まれます。 その後、結晶が界面から遠ざかる（温度が下がる）につれて、2種類の点欠陥は互いに出会って再結合し、数を減らしていきます。 このとき、結晶の移動によって点欠陥が運ばれる効果は引き上げ速度 V に比例し、 温度勾配によって点欠陥が界面側へ拡散して戻る効果は G に比例します。 2つの効果の比 V/G によって、再結合の後にどちらの点欠陥が残るかが決まる、というのがボロンコフの理論です。

ξ = V / G,　ξ_crit ≈ 0.13 mm²/(min·K)

たとえば界面近くの温度勾配が G = 3 K/mm なら、臨界の引き上げ速度は V ≈ 0.13 × 3 ≈ 0.4 mm/min です。 これより速く引けば空孔側（COP）、遅く引けば格子間シリコン側（転位クラスタ）になります。

実際の結晶では、外周のほうが冷えやすく G が大きいため、V が一定でも V/G は中心で大きく外周で小さくなります。 ウェハ全面を無欠陥にするには、V の制御に加えて、径方向の G をそろえるように炉内の熱遮蔽や温度分布を設計する必要があります。

空孔が集まってボイドになるのは、結晶がおよそ1,100℃付近を通過するときです。 この温度域を速く通過させると、空孔が遠くまで移動できないうちに固まるため、小さなボイドが多数でき、 ゆっくり通過させると、少数の大きなボイドができます。 ゲート絶縁膜への影響は大きなボイドほど深刻なため、空孔優勢の結晶では冷却速度を上げて COP を小さくする方法が使われてきました。

各方式の詳細はCOP・アニールウェハ・エピタキシャルウェハの解説を参照してください。

あわせて読みたい

シリコンウェハ製造（結晶成長・スライス・研磨） のトピックで関連する用語です。