スライド 1

3.3 CRYSTAL QUALITY
• SOI物質の生成
⇒完全なSi単結晶の層で構成されることが望ましい
しかし、
Si層中には常に欠陥や不完全なものが存在する
このsectionではSi層の特性を評価する技術について
学ぶ
☆crystal orientation
☆ degree of crystallinity
☆ crystal defect density
3.3.1 Crystal orientation
• SOI物質の構成
(100)の標準配向のSiの薄膜を生成する方法がとられている
この配向は次のとき得られる
①Siの薄膜が(100)のSi substrateから表面のSi層に
buried insulatorの構成によって分離されて生成されるとき
②Siの薄膜がepitaxiallyに単結晶のsubstrateから成長させて
生成されるとき
・normalな格子パラメータを持つ
・(100)のSiの配向に近い
• Siの薄膜が融解物から絶縁層のamorphousの上に
再結晶するとき
（例：laser, e-beamの再結晶、ZMR)
⇒・結晶の配向のコントロールはより困難
・(100)配向からのかなりのずれがみられる
さらに、
標準配向が(100)であると
平面上で誤った配向が起こる
• 結晶配向はclassical techniquesによって決
まる
TEM中でのX線回折、電子回折
・electron channeling pattern(ECP)technique
(pseudo-Kikuchi)
・特別なサンプルの準備なしでSEMを実行でき
るのでよく使われる
・固定された焦点がぼやけた電子ビームがサン
プルに入射する
• 電子の反射は
入射ビームに比例してlocalの結晶配向に依存
する
Si中の入射電子のchannelingの度合いに依存
反射された電子：標準結晶配向を示すpattern
cross patternの方向：平面上の配向を決定
patternのゆがみ:結晶軸の空間的な歪み
SOI薄膜結晶配向の評価方法
• etch-pit grid technique
⇒ZMR processを最適化するのに使用
Si層上で酸化物の層が形成され、沈殿する
mask stepやHF etchを使うと円形の穴が酸化物の層上に開く
直径2～3μm
直径がサンプルの格子配列の配置になるまで繰り返し行われる
20μm
• resistは分離され、酸化物中の穴はSi etchingのmaskとして
使われる
• SiはKOH溶液中でetchingされる
Siを<111>配位よりも<100>配位にetchingする
pyramidの断面の形をしたpatternはSi上にetchingされる
標準配向が(100)の時、
pits: 正方形
sides of pits: <111>平面
pit diagonals: [100] directions
☆薄膜の配向が(100)でない
⇒Si薄膜の平面と<111>Si平面との交差によって
ゆがんだpolyhedral patternができる
☆近接した２つのpatternの間の形の違い
⇒結晶粒の境界の存在、結晶軸の回転を導く
☆変形なしでの２つのpattern間の対角成分の不良
⇒subgrain 境界の存在を示す
3.3.2 Degree of crystallinity
• SiのoverlayerがSOIの
構成のprocess中でダ
メージを受けた場合
• Siのepitaxial成長が行
われた場合
形成された層の
single-crystallinityを調べることは興味深い
degree of crystallinity を決定する2つの手段
(1)Rutherford backscattering (RBS)
(2)UV reflectance
(1)RBS
• destructive technique
質量M2の原子からなるサンプル中の質量M1の軽いイオン(He+イオ
ン)のimpingementに基づく
ターゲットに到達する前にイオンはあるエネルギーE0まで加速される
2MeV
それらのイオンはtarget原子や原子核と電気的な相互作用をして
エネルギーを失う。
ほとんどはtarget中で止まる。
• しかし、軽いイオンの小さな揺らぎはE1=KE0のエネル
ギーを持ち、Θを超えて後方散乱する
kinetic factor
反跳原子のエネルギーの検出はtarget原子の質量M2で決
まる
弾性衝突が起こる確率、
異なる散乱断面積によっ
て表せる
散乱イベント中で角度Θとなる確率
Ω：detector angle(検出器の立体角)
• average scattering cross-section
• stopping cross-section
x : targetの表面の
下の深さ
N : target原子の体
積密度
targetを通り抜ける粒子の電気的衝突や小さな角での原子核との
衝突によるエネルギーlossを占める
信号は波高分析器によって検出される
The output of a measurement session consists of a series of counts
backscattering yield
☆測定dataをinterpret
channel numberをエネルギースケールに変換
エネルギー幅Eをchannelに一致するように決定
Eは深さxiでの厚さτi のiに対応しなければならない
表面での後方散乱する粒子のエネルギーE=KE0
深さxでの別の後方散乱する粒子が
targetから放射するエネルギーE=Ex
これらのエネルギーの差は次のように表せる。 stopping cross-section
constant
factor
Θ1:target中でのtrack前の角 Θ2:target中でのtrack後の角
cristallinity RBSについての情報に加え、
スペクトルは混合物の構成についての情報も与えてくれる
(SixOyなど)
RBSスペクトル測定は２つの異なる方法で行われる
(1)結晶方位が入射イオンビームに対して平行
(2)結晶配位がランダムに配位されている
(1)の場合
イオンは格子を通過した時のchannelingによって
結晶中の深いところを通る。
“aligned ”スペクトルが得られる。
サンプル:amorphous、ランダムな配位
⇒channelingは起こらず、”non-aligned”スペクトルが
得られる
lower backscattering yieldを持つ
イオンはサンプルのより深いところを通過し、衝突後逃げる確率が低いため。
• 結晶の不完全性の存在
⇒aligned target のbackscattering yieldを増加
backscattering yieldが最小のとき
⇒χmin: measure of the lattice disorder
χminが低い
結晶性が良い
単結晶(100) bulk silicon
⇒ χmin＝3～4%
SIMOXのサンプルから
得られたRBSスペクトル
•
表面に最も近いlayerか
ら有効な情報が得られる
backscattered イオンの
エネルギーが最も高い
(a) Si overlayer
・non-alignedスペクトルは
high yield
・Si layerの厚さがわかる
・ χminを通過した
alignedスペクトルは
その結晶のqualityの情報を
与える
(b) buried oxide
aligned
non-aligned
スペクトル
layerの厚さの情報を
含む
layerの構成(Si原子中の酸素の割合)
non-aligned スペクトルのyieldは(a), (c)の部分よりも(b)の
部分のほうが低い
<理由>
Siの濃度はSi overlayerやsubstrate上のSiよりも
SiO2 buried layerのほうが低いため
alignedスペクトルはSiよりもSiO2のほうが高いyieldを持つ
<理由> SiO2はamorphousであるため
(c) Si substrate
(d) influence of the buried oxide on the ions
backscattered from the substrate
(d)の部分で得られるピーク
⇒buried oxide中にO2が存在するための信号によるもの
酸素原子によるイオンのbackscatteredエネルギーは相
対的に低くなる
<理由>
O2はSiに比べ軽い分子であるため
UV reflectance
•
•
•
•
crystallinity of SOIのサンプルを評価するもう１つの手段
non-destructive
SOI waferの特性を調べるのに用いられる
薄膜中のmicrotwin density、
SOS回路のfabrication yield
SIMOX waferのSi overlayerのqualityの評価
SOSの場合⇒λ=280nmで測定
UV reflectance
parameterに対応
λ=280,365nm⇒Siの単結晶のUV reflectanceスペクト
ルは極大値をとる
X点とBrillouin zoneのΓ-L軸に沿ったoptical interband transitionの
ため
• λ=280nmでは
reflectanceは吸収係数K > 106cm-1によって決まる
通過した深さが10nmより小さい
表面付近の不完全なcrystallinity
reflectance peakの広がり、
最大値の縮小によって生じる
SIMOX waferの場合
⇒波長にはSi overlayerのqualityについての情報が含まれて
いる
SIMOXのUV測定
• 物質のthree morphological特性の情報を与える
(1)全てのreflectivity reduction
薄膜中の混合物の存在に関係する
(bulk silicon reference sampleに例えられる)
この混合物は炭素やSiOxの存在のためにある
(2)表面のroughnessによって起こるRayleigh scattering
短い波長(200nm <λ<250nm)において
B:表面のrms roughnessに依存した定数
Bλ-4としてreflectivityの減少に影響
(3)Siのoverlayerのamorphizationでのreflectance peak
λ=280,367nmより小さい
最大値での形状や大きさ ⇒試料中のcryatallinityの大きさの基準を
与える
混合物についての半量的な情報、
UV reflectance測定
表面でのroughness やcryatallinity
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
(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
(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
TEM:
・crystal defectの分析においてpowerful 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
に限られる
深さ0.7μm
⇒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)
• 倍率が10,000を下回るとdislocationの測定が困難
observation session yields 10 micrographs,
each with a 10,000X magnification
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
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
<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
< 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 ≠ etch defect-free Si
・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での観察による対比から欠陥が明らかにな
る前にすべてのSi薄膜がetchされてしまうため。
Secco solutionの希釈はetch rateを減らしている
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”
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>
原理は工業的に利用可
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はbackground scattering noise
に対して区別されている
waferの”haze”と呼
<測定system>
ばれている
bare Si waferに換算
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
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
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
サンプル中での熱の回折格子を作る
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
<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
可視光
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で再結合
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
<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
3.3.3.5 Stress in the silicon film
<Raman microprobe technique>
Si film中でSOI fabrication process, device process
によって生じる圧力を測定
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上の圧力の大き
最大半値幅(FWHM)
さの情報を与える
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
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
<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
<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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