JP3952643B2 - 結晶欠陥の検出方法及び結晶欠陥の観察方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体結晶中に存在する微小な欠陥の検出方法及び観察方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体結晶中に存在する微小な欠陥を検出・観察する方法としては、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）法がある。
【０００３】
このＴＥＭ法は、研磨法、化学的エッチング法及びイオンエッチング法を用いて厚さ数μｍ以下の薄片化した試料に、加速した電子線（加速電圧数百〜数千ｋＶ）を入射し、透過した電子線を利用して結像するという方法であり、結晶の組織観察や構造解析に古くから利用されている。
【０００４】
このＴＥＭは、分解能が非常に高いため、結晶中の微小な欠陥の観察などにも利用されている。例えば、ｐ／ｐ^＋エピタキシャルウエーハで基板に生じる欠陥は、非常に微小（１０ｎｍ程度）なものである。従って、このような微小欠陥の検出、観察及び密度測定は、前記ＴＥＭ以外ではできないのが現状となっている。
【０００５】
通常、ＴＥＭによる観察は、数万〜数十万倍の倍率で行う。欠陥の形状を観察する場合、前記微小な欠陥であっても、倍率を大きくすれば観察を行うことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、結晶欠陥の密度を測定する場合、倍率を大きくすると、視野内に観察される欠陥の数が少なくなるため、密度測定において、その精度が低下するという問題を生じる。
【０００７】
また、結晶内の平均的な欠陥密度を精度よく測定するためには、倍率を小さくして、観察視野内により多くの欠陥が存在する条件で測定を行うことが望ましい。
【０００８】
前述のような微小な欠陥の場合、１０万倍の高倍率（１０^−９ｍ（１ｎｍ）から１０^−４ｍ（０．１ｍｍ））、観察エリアとして、１０００ｎｍ×１０００ｎｍ）で観察を行った場合は、前記エリア中の欠陥は、確認できる最小限度の大きさ又は、確認できないような小さいサイズにしか拡大されない。
【０００９】
従って、前述のような極微小の欠陥の検出及び欠陥密度の測定を行う場合、現状においては、正確な測定が困難である。
【００１０】
一方、非常に微小な欠陥を含むすべての欠陥の検出が可能となるように、高倍率で観察を行うと観察領域が狭くなり、密度測定において、測定精度が悪いという問題を生じる。
【００１１】
また、極微小な欠陥は、高倍率であっても、検出することができない場合もある。
【００１２】
従って、極微小な欠陥を検出する場合は、検出が可能となるように、極微小の欠陥を顕在化することが必要となる。
【００１３】
例えば、半導体結晶中の結晶欠陥を顕在化する方法として、銅析出法（Ｃｕデコレーション法）がある。
【００１４】
しかし、この方法は、９００℃から１０００℃で、数十分熱処理を行うことが必要となるため、欠陥の形態変化を生じたり、欠陥が消失してしまったりするという問題がある。また、半導体基板の表面にデバイスのパターンを形成した基板に前記方法を用いると、前記パターンの部分に塗布した銅が析出してしまい、欠陥が顕在化されにくいという問題がある。
【００１５】
そこで、本発明は前記問題点に鑑みて、簡便かつ実際の欠陥に近い状態で欠陥の評価が可能な半導体結晶中の欠陥の検出方法、検出に用いる試料の作製方法及び欠陥観察方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本願第１請求項に記載した発明は、試料となる半導体結晶表面の観察を行いたい領域に局所的に銅を付着させた後、前記結晶表面に電子線を照射して、前記銅を結晶欠陥表面に局所的に析出顕在化させ、結晶欠陥の検出を行う結晶欠陥の検出方法である。
【００１７】
このように、試料となる半導体結晶表面に、例えば、銅、金、白金、銀、ニッケル、リチウム等のうち少なくとも一つを付着させ、前記半導体結晶に電子線を照射すると、半導体結晶中に前記金属が導入されて、結晶中の微小な欠陥に析出し、微小な欠陥が顕在化されて、欠陥の検出が容易となる。
【００１８】
前記金属の付着は、例えば、前記金属のうち少なくとも一つの金属イオン水溶液を半導体基板表面に塗布する方法や、前記金属を半導体基板表面に蒸着すること等が考えられる。
【００１９】
本願第２請求項に記載した発明は、デバイスパターン形成後の半導体結晶表面の観察を行いたい領域に局所的に前記銅を付着させた後、前記結晶表面に電子線を照射して、前記銅を結晶欠陥表面に局所的に析出顕在化させ、結晶欠陥の検出を行う結晶欠陥の検出方法である。
【００２０】
本発明によれば、観察又は評価を行う局所的な領域のみに電子線を照射することができるため、半導体結晶中に欠陥以外の原因でできた歪みがある場合には、その領域を避けて電子線を照射することが可能となり、電子線を照射した部分のみ前記金属が微小欠陥に析出して、欠陥が顕在化する。例えば、デバイスパターン形成後の半導体基板であっても、検出を行いたい部分に容易に微小欠陥を検出することができる。
【００２２】
このように、銅を試料となる半導体結晶表面に付着させ、この試料に電子線を照射すると、結晶中に存在する微小欠陥が析出顕在化し、簡便に欠陥を検出することができ、また、実際に存在する欠陥に近い形状で欠陥の観察を行うことが可能となる。
【００２３】
本願第４請求項に記載した発明は、前記請求項１又は２に記載した発明において、試料となる半導体結晶表面に前記金属を研磨もしくは塗布あるいは蒸着により付着させる結晶欠陥の検出方法である。 このように、半導体基板に銅、金、白金、銀、ニッケル、リチウム等のうち少なくとも一つの金属イオン水溶液を付着させて、半導体基板の研磨を行うと、前記金属は、容易に半導体結晶中に入りこみ、その後電子線照射によって、前記金属が結晶中に存在する欠陥部分に析出顕在化し、容易に微小欠陥の検出を行うことが可能となる。また、塗布あるいは蒸着により前記金属を試料となる半導体結晶表面に容易に付着できる。
【００２４】
本願第４請求項に記載した発明は、前記請求項１又は２に記載の発明において、前記銅を半導体結晶表面に付着させた試料に、透過型電子顕微鏡により電子線を照射して、前記銅を半導体結晶欠陥表面に析出顕在化させ、結晶欠陥の検出を行う結晶欠陥の検出方法である。
【００２５】
前述のように、銅、金、白金、銀、ニッケル、リチウム等の金属を添加した試料の結晶欠陥の検出を行う場合に、透過型電子顕微鏡を用いて前記金属が添加された半導体基板に電子線を照射することができ、また、透過型電子顕微鏡を用いると、結晶中の欠陥以外の部分にできた歪みを避けて電子線の照射を行うことができるため、評価の精度を向上できる。
【００２６】
本願第５請求項に記載した発明は、前記請求項１、２又は４に記載の発明において、前記検出した半導体結晶欠陥を、透過型電子顕微鏡を用いて観察する結晶欠陥の観察方法である。
【００２７】
このように、銅を添加した試料に生じる結晶欠陥を透過型電子顕微鏡を用いて検出を行うと、一つの装置内で、銅を添加した半導体基板に電子線を照射して、結晶欠陥を顕在化し、続けて一つの装置内で、結晶欠陥密度の測定及び観察を行うことができるため、半導体結晶に生じる結晶欠陥の簡単かつ迅速な評価を行うことが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体例を図面に基づいて説明する。試料となる半導体結晶は、結晶中に存在する微小な結晶欠陥を顕在化させるため、銅を以下の方法で結晶中に導入する。
【００２９】
半導体結晶に銅を導入する方法としては、前記銅を添加した研磨液を用いて切り出した半導体基板の研磨を行う方法、その他、研磨・薄膜化後の半導体基板に前記銅を蒸着する方法又は前記銅イオン水溶液を塗布する方法、その他、半導体基板表面に前記銅を付着させた後、研磨を行う方法等を用いる。研磨液に銅を溶解させると、前記研磨液を用いて研磨を行う際に、研磨液に添加した銅が均一に半導体結晶中に入り込むため、研磨時に銅を導入することが望ましい。
【００３０】
以下、本例に用いる欠陥検出方法、試料作製方法及び観察方法を詳細に説明する。
【００３１】
まず、試料とする半導体基板は、エピ層の厚さ６μｍ、エピ層の抵抗１０〜１４Ωｃｍ、ウエーハ抵抗０．００１〜０．００３Ωｃｍのｐ／ｐ^＋（１００）エピタキシャルウエーハを半導体基板試料とした。
【００３２】
次に、超音波加工機により、ウエーハの観察したい部分を３ｍｍφのディスクに切り出し、試料の厚さを１００μｍ程度になるように、試料の表面及び裏面から機械的に研磨を行った。機械的研磨を行う際に、研磨液に銅を添加した研磨液を用いて試料となる半導体基板の研磨を行った。
【００３３】
本例においては、所定量のＣｕ・ＨＮＯ_３（０．１ｍｏｌ／Ｌ）水溶液を研磨液に添加し、この研磨液を用いて半導体基板の研磨を行った。
【００３４】
研磨を行った半導体基板試料は、ディンプリング法又は化学的エッチング法を行った後、イオンエッチング法を用いて半導体基板試料の薄膜化を行った。
【００３５】
すなわち、半導体基板試料は、ディンプリンググラインダを用いて、試料の中心部の厚さが２０μｍ〜３０μｍになるように研磨を行い、その後、イオンエッチング法により半導体基板試料を薄膜化する。
【００３６】
ここで、例えば、研磨時に銅を添加した研磨液を用いない場合は、半導体基板試料を薄膜化した後、前記銅を半導体基板表面に蒸着するか、または前記銅イオン水溶液又はアルコール溶液を前記半導体基板表面に塗布する。
【００３７】
作製した半導体基板試料は、透過型電子顕微鏡である装置にセットし、前記半導体基板試料の観察したい領域に、数百〜数千ｋＶの加速電圧で、電子線を１秒以上照射する。
【００３８】
本例においては、試料表面の観察したい１００μｍ×１００μｍの領域に２００ｋＶの加速電圧で電子線を３０秒以上照射した。
【００３９】
電子線照射後、前記試料表面から透過型電子顕微鏡の視野を外して、電子線の照射を外し、３０秒以上電子線が当たらないようにして、欠陥部に金属を析出させ、欠陥を顕在化させた。
【００４０】
次に、透過型電子顕微鏡に前記半導体基板試料をセットしたまま、１万から１０万倍の倍率で、結晶欠陥の構造の観察を行い、次に、前記倍率よりも低倍率で、所定領域に存在する微小欠陥の密度を測定した。
【００４１】
図１は、透過型電子顕微鏡で１万から１０万の倍率で観察した結晶欠陥を示す図である。
【００４２】
また、図２は、前記欠陥部をＸ線により元素分析を行った結果を示す図である。
【００４３】
図１に示すように、試料となる半導体結晶に銅を導入した場合、欠陥部分に銅が析出し、微小な欠陥１のコントラストが明確となり、潜在的な極微小の欠陥を顕在化して、微小な欠陥の評価・観察等の分析精度を向上できる。
【００４４】
図２に示すように、Ｘ線解析において、明瞭に欠陥部分に銅のピークが検出されており、欠陥部分に銅が析出していることが確認された。
【００４５】
本例においては、半導体基板試料に銅を添加したが、銅を添加すると、極微小の欠陥が顕在化され、分析精度が向上することを確認した。
【００４６】
また、前記半導体基板の試料の作製においては、電子線を３０秒以上照射したが、電子照射時間が１秒乃至３秒程度であっても、半導体結晶中に存在する極微小の欠陥が顕在化することを確認した。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、試料となる半導体結晶表面又はデバイスパターン成形後の半導体結晶表面に銅を付着させた後、前記結晶表面に電子線を照射して前記銅を結晶欠陥表面に析出顕在化させ、結晶欠陥の検出を行う結晶欠陥の検出方法である。
【００４８】
本発明は、観察又は評価を行う局所的な領域のみに電子線を照射するため、半導体結晶中に欠陥以外の原因でできた歪みがある場合には、その領域を避けて電子線を照射することが可能となり、電子線を照射した部分のみ前記金属が析出し、欠陥が顕在化するため、デバイスパターン形成後の半導体基板であっても、検出を行いたい範囲内の欠陥に金属を析出させて、容易に微小欠陥を検出することができる。
【００４９】
本発明は、試料となる半導体基板表面に金属を蒸着又は塗布して付着する方法、半導体基板に金属イオン水溶液を付着させて、半導体基板の研磨を行う方法等の簡便な方法により、半導体基板表面に金属を付着させて、容易に検出に用いる試料を作製できる。
【００５０】
また、半導体基板表面に金属を付着した後、透過型電子顕微鏡によって半導体基板に電子線を照射すると、添加した金属によって、極微小の欠陥が析出顕在化し、その後、同一の装置である透過型電子顕微鏡を用いて顕在化された微小欠陥の観察を行うことができる。また、極微小の欠陥であっても、透過型電子顕微鏡により適した倍率で評価を行うことができるため、評価の精度が向上する。
【００５１】
このように、本発明の方法によれば、容易に極微小の欠陥を顕在化し、結晶欠陥の検出、試料の作製、結晶欠陥密度の測定及び観察を行うことができるため、結晶欠陥の簡単かつ迅速な評価を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の具体例に係り、顕在化した結晶欠陥を示す図である。
【図２】 本発明の具体例に係り、結晶欠陥部分をＸ線により元素分析したデータを示す図である。
【符号の説明】
１ 欠陥

Claims (5)

1. 試料となる半導体結晶表面に銅を付着させた後、前記結晶表面の観察を行いたい領域に局所的に電子線を照射して、前記銅を結晶欠陥表面に局所的に析出顕在化させ、結晶欠陥の検出を行うことを特徴とする結晶欠陥の検出方法。
2. デバイスパターン形成後の半導体結晶表面に前記銅を付着させた後、前記結晶表面の観察を行いたい領域に局所的に電子線を照射して、前記銅を結晶欠陥表面に局所的に析出顕在化させ、結晶欠陥の検出を行うことを特徴とする結晶欠陥の検出方法。
3. 試料となる半導体結晶表面に前記銅を研磨もしくは塗布あるいは蒸着により付着させることを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶欠陥の検出方法。
4. 前記銅を半導体結晶表面に付着させた試料に、透過型電子顕微鏡により電子線を照射して、前記銅を半導体結晶欠陥表面に析出顕在化させ、結晶欠陥の検出を行うことを特徴とする前記請求項１又は２に記載の結晶欠陥の検出方法。
5. 前記検出した半導体結晶欠陥を、透過型電子顕微鏡を用いて観察することを特徴とする前記請求項１、２又は４に記載の結晶欠陥の観察方法。

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