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3.3.3 Defects in the silicon film
3.3.3.1 Most common defect
The most common defects in SOI layer
COPs, dislocation, HF defects
(1)COPs
(crystal-originated particle or crystal-originated pit)
・すべてのSi wafer(bulk, SOI waferを含む)の基板の欠陥
・八面体の空間
・SOI薄膜中、COPsはtopとbottomのSi膜を交わる
⇒bottomからtopのSi膜をつなぎあわせる“pipe”が形成
COPsはepitaxial layer上では起こらない
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(2)Dislocations
SOI物質中で見つかる主な欠陥
<SIMOXの場合>
Si/buried oxide interfaceからSiのoverlayerの表面に垂直にあ
るズレをつなぎあわせる
dislocationの存在はyieldなどの問題を引き起こす可能性がある
金属の不純物:diffuse to dislocations upon annealing
dislocation :gate oxideのweak pointを生じさせる
low breakdown voltageが観測
<Early study>
SIMOX上のgate oxideの成長のintegrityはSi bulk上のoxide成
長のintegrityに匹敵
SOI technology: dislocation density や金属不純物の準位の改
良が必要
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(3) HF defects
Si薄膜中のsilicides, silicatesの金属混合物からなる
純粋なSiとは違い、HF（フッ化水素）と反応
waferがHFに浸されると、小さな穴がSi薄膜中で形成
etch timeが十分に長い
⇒SOI filmの底のBOXもetchされる
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TEM:
・crystal defectの分析において有効な techniqueの1つ
・限られた大きさのサンプルで分析可能
<TEM cross-section>
サンプルの直径：幅20μｍ
深さ0.7μm
に限られる
⇒maximum observable area: 10-7cm-2
minimum measurable defect density :107defects/cm2
平面方向：より大きなサンプル領域で測定可
sample holderの大きさの領域で分析可
(7mm2grid)
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• 倍率が10,000を下回るとdislocationの測定が困難
この場合
測定領域：10-5cm2
minimum observable defect density: 105 defects/cm2
<TEM測定>
lengthy, delicate sampleが必要
<Defect decoration technique>
optical microscopyと組み合わせて利用
☆サンプルの特性やdefectsの条件を満たすとき、
TEMのほうがよく使われる
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3.3.3.2 Chemical decoration of defects
• SOI defects decoration で使われるetch mixtures
(Table3-2)
酸化剤
(CrO3,
K2Cr2O7,,HNO3)
とHFの混合物からなっ
ている
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<Defect decoration>
Siに関してはhigher etch rateによる欠陥
<Decoration>
high-disorder defect(層と層の境界）に最も効果的
etch rate of Si :1μm/min
(Dash ,Secco , Stirl, Wright etch solution)
Schimmel etch rate:これらよりかなり低い
SOI薄膜のdecoration of dislocationはclassical etch
mixtureを使うのは不可能。
<理由>
すべてのSiは効率的なdecoration of defectができる前に取り除かれてしまう
ため
Lower etch rate：etch溶液を水で希釈することにより実
現可
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< electrochemical etching >
・もう１つのdecoration technique
・5%に希釈されたHFはSOI薄膜中での結晶欠陥を明ら
かにする
・n-type (Nd≒1015cm-3)doseのSiのoverlayerが必要
ohmic接触はサンプルのfront side、back sideで起こる
<方法>
5%のHF中で10～30分間行われる
3つの電極を使う
①、②Siを3Vでコントロールするもの(±)
③Ca/CuF2 reference電極
decoration techniqueは defect-free Siではetchされない
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・dislocation of defect
・metal contamination-related defect
・oxidation-induced stacking faults
Si薄膜中に穴を開ける
optical microscopy:観察とdecoration後の穴の数を
数えるのに使われる
<etch rate>
Secco etch⇒SOI薄膜に使う場合、高すぎる
optical microscopyでの観察した際、欠陥が明らかになる前に
すべてのSi薄膜がetchされてしまう。
Secco solutionの希釈でetch rateを減らしている
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SeccoとHF etchのcombination
⇒SOI薄膜の欠陥を発見しやすくしている
Seccoの希釈
⇒Si layer中でのdecorate defectを見つけるのに初めて使われた
Secco etchによって穴が開けられる段階では
顕微鏡の観察では十分な対比が得られない
⇒サンプルはHF中に浸される
⇒酸はSi膜中の穴を貫通させ、buried oxideをetchする
⇒oxide上でetchされ、円形の模様はSi layerを貫通して見える
より精巧な方法
“transferred layer etch”
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3.3.3.3 Defection of defects by light scattering
欠陥：wafer表面でのlaser光の散乱を使うことで検出可
<Defect-mapping system>
製造工程でのwaferをモニタするのに使われる
scattering centerを検出するように設計されている
Si film中での欠陥、粒子による欠陥
これらのcenterではbackground scattering noise
に対して区別されている
<測定system>
waferの”haze”と呼
bare Si waferに換算
ばれている
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SOI waferはSiと異なる反射率を持つ
<SOI waferの反射率>
・BOXやSi filmの厚さに比例
・Siの反射率よりも高くしたり、低くしたりできる
“shiny” “dark”
SOI waferの反射率
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bare Si waferとの補正を使うと、
laser scattering defect systemは
①shiny waferの欠陥は大きく、
dark waferの欠陥は小さく見積もってしまう
②background hazeの準位はwaferの反射率に反比例
これらの問題を避けるためにUV laserの使用が提案
• Si中のUV lightのabsorption depthはとても小さい
• 内部反射や反射率のfilmの厚さの依存性はUV laserの使用
によって推測可能
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3.3.3.4 Other defect assessment techniques
• Impulsive Stimulated Thermal Scattering (ISTS)
⇒SOI waferのdefect densityを評価するのに使用
<特徴>
・contactless
・non-destructive
・opto-acoustic(光エネルギー音波に変換)
交差した励起ビームの対からのlaser光のパルス
SOI layerの表面で
(λ=532nm)
干渉縞を作る
laserのエネルギーの吸収は
サンプル中で熱膨張する
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順々に急な熱膨張によって生じるacoustic wave
を作り出す
同時に、
サンプルは強さの低いlight beamやサンプルから反射される
回折した信号によって分析される
時間依存性を持ち、
acoustic wave physicsのモデルによって分析される
SOI wafer上で、
最初の熱励起後の回折された信号が指数的に減衰するとき、
信号のピークの大きさはdefect densityに対応
この手法は
Secco etch pit microscopic observationに対して補正され、
10%以内の再現性を持つ
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<Photoluminescence (PL)>
電子の光励起
波長の観測
励起後の光子再放射の強さ
に基づく
<PL測定>
・液体He（4.2K）と室温(300K)の間の温度で行われる
・電子はlaser beamによって価電子帯から伝導帯へ
飛び上がる
・プローブできる深さ領域⇒laserの波長に依存
5～10nmから1～3μm
UV laser
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可視光
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生成後、
・バンドの端と端で電子は再結合
・電子は1つまたはいくつかの深さの準位を通過
電子がradiative recombination centersとしてふるまう
⇒欠陥は直接的に明らかになる
光励起によるcarrierのほとんど
⇒欠陥準位を経て、non-radiativelyに再結合
non-radiative process
⇒効果的な再結合のlifetimeを決定
バンドとバンドの再結合でのphotoluminescenceの信号
の大きさはlifetimeに比例
⇒信号の大きさの変化は欠陥分布に影響をもたらす
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<deep-level photoemission signal>
生成のlifetimeやdeep-level defect濃度に比例
⇒deep-levelでの放出の大きさの変化は固有の欠陥
分布の情報を与える
<PL system>
SOI waferのmap defectに使用
<dislocation, stacking faults, metal precipitates>
欠陥のまわりでlifetimeの減損が局在化されるところ
で観測される
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3.3.3.5 Stress in the silicon film
<Raman microprobe technique>
Si film中でSOI fabrication process, device process
によって生じるstressを測定
Ar laser（λ=457.9nm）のビームをサンプルに照射
測定領域：0.6μm
小さい！
反射されたビームのスペクトル
比較
virgin bulk Siによって与えられるスペクトル
スペクトルのピークのシフト
Si film上のstressの大き
半値幅(FWHM)
さの情報を与える
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3.3.4 Defect in the buried oxide
<buried oxide>
“pipes”と呼ばれる欠陥を含むSIMOXからできている
<Si filament>
buried oxideを通ってSOI layerからsubstrate につながっ
ている
pipe map分布はFig3-9のように作られ、直径も推定される
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CuSO4に浸され、SOI waferと
銅電極にはさまれる
waferの端のSi filmはTexwipeと接触
waferのbackはAl電極と接触
電圧がかかっていると、電流はpipesに沿ってBOXを
通過して流れる
<電解反応>
CuSO4→Cu2++SO421つのpipeから電流を受けて、
Texwipe内で起こる
Cu2++2e-→Cu (s)
銅のstainはTexwipeで作られる
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<stainの直径>
各pipeに流れる電流に比例
⇒pipeの幅が広いほど、stainの大きさは大きい
pipeが円筒だと考えたときの直径dは次のように表せる
ohm’s lawより
d
pipe
(3.4.1)
I: pipeを流れる電流
ρ：Siの抵抗率
tBOX: BOXの厚さ
V : 印加電圧
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<calculation>
２つの電子から、
１つの観測可能な銅stainを作り出すときの
pipeの直径の最小値が5nmだと推測できる
SOI waferを通る電流によっても同様な結果が得られる
copper nitriteとメタノールを
混ぜた溶液に浸されている
copper stainが直接waferに沈殿している場合、
SOI wafer自身でpipeの直径を推測できる
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3.3.5 Bond quality and bonding energy
☆wafer間のbondのqualityやstrengthの評価は重要。
Wafer bonding：BESOI, Smart-Cut, Eltran のpreparation
に使われる技術
infrared transmission imaging: bouned wafer間のvoidの存在
を探すのに使用
<IR-imagingのset-up>
白熱灯と赤外線カメラを使用
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bond strength：[erg/cm2] or [J/m2]の単位で測定
＊1 erg/cm2 = 10-3 J/m2
bond energyの測定：(1)crack propagation technique
bond energy γ
tb:bladeの厚さ
L : crackの長さ[m]
tw :各waferの厚さ[m]
長所：行うのが簡単
短所：Lに揺らぎがあるときγが不確かになる
E :silicon Young’s
modulus[166GPa]
例）Lが10%の不確かさ⇒γは50%のerror
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<Young modulus> :硬さを表す値
L
δL
F
S
断面積S,長さLの弾性体を力
Fで引っ張ったときに
長さδLだけ伸びたとする。
このとき、
＜応力＞
σ=F/S
＜歪＞
ε=δL/L
<Young率>
E=σ/ε
単位 [Pa] or [N/m2]
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bond energy測定：(2)classical Vickers indentation Technique
Vickers indenter: diamond-tipped, square-based pyramidal
hardness of metal,壊れやすい物質(ceramics, glass)の測定に使用
bond interfaceに沿った
crackの長さ
⇒bond energyの測定
Kic∝
toughness of the material
P: Vickers toolに与える力
2c:crackの長さ
β: geometrical factor
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ν: Poisson
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ratio, E:Young’s modulus

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