JP4775680B2

JP4775680B2 - シリコン結晶中の結晶欠陥観察用試料作製方法及び薄片試料

Info

Publication number: JP4775680B2
Application number: JP2001146943A
Authority: JP
Inventors: 正弘加藤; 功横川
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: JP2002343841A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン結晶中に存在する欠陥を透過型顕微鏡（ＴＥＭ）で観察するための試料を作製する際に、結晶表面の浅い領域のみを剥離させ、簡便に薄片試料を作製する方法及び薄片試料に関する。
【０００２】
【関連技術】
半導体集積回路等のデバイス材料として、主にシリコン結晶ウェーハが用いられている。このようなシリコン単結晶ウェーハに結晶欠陥が存在すると、半導体デバイス作製時に各種の動作不良を引き起こしてしまう。従って、シリコン結晶ウェーハに存在する欠陥の実態を知ることは極めて重要である。
【０００３】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）はこのような欠陥の実態を観察するもっとも有効な手段の一つとして知られている。透過型電子顕微鏡は、極めて高倍率で結晶内部の欠陥の実態を直接観察することができる点で優れている。一般に、透過型顕微鏡でシリコン結晶を観察する際には０．１〜１μｍ程度の薄片試料を用いる必要がある。
【０００４】
このような薄片試料を作製するには、シリコン結晶試料の片面あるいは両面を機械的、化学的に研磨し、徐々に薄くしていく方法が一般的に用いられている。あるいはイオンを試料面に対して低角度で照射し、表面をエッチングしながら徐々に薄くする方法が用いられる。
【０００５】
ところが、これらの従来法による試料作製では試料の研磨を行うのに多くの時間がかかり、また得られる試料での観察可能な面積も非常に狭かった。また薄い状態で研磨を終了させる必要があり、技術的に難しいという問題もあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、シリコン結晶中の結晶欠陥観察用透過型電子顕微鏡用の薄片試料を、一度に大量に作製することができるとともに簡便に広い面積で作製することを可能とした試料作製方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本方法は、シリコン結晶中の欠陥を透過型電子顕微鏡で観察するための試料作製方法であって、結晶表面の浅い領域のみを剥離させて薄片化し薄片試料とすることを特徴とする。
【０００８】
このように、シリコン結晶の表面層の厚さ０．１〜１μｍ程度のみを剥離させることにより、研磨やエッチングといった時間のかかる除去作業が低減され、しかも広い試料面積が得られる。
【０００９】
また、本発明方法の第１の態様は、シリコン結晶中の欠陥を透過型電子顕微鏡で観察するための試料作製方法であって、結晶表面に加速した水素イオン又は希ガスイオンを照射し、その後４００℃以上の熱処理を加える事で表面の浅い領域のみを剥離させて薄片化し薄片試料とすることを特徴とする。
【００１０】
このように、水素イオン又は希ガスイオンを表面に照射することで、最表面はダメージなく、少し深い領域に水素濃度の高い領域が形成される。この試料に熱処理を加えることで、水素濃度の高い領域が剥離し、薄片試料が形成される。これは薄い半導体材料フィルムの製造技術（特開平５−２１１１２８号公報参照）を、透過型電子顕微鏡用試料作製方法に応用したものである。
【００１１】
また、本発明方法の第２の態様は、本発明方法の第１の態様で作製した薄片試料の剥離面に対して加速イオンを５〜３０度の角度で追加照射し、剥離面のダメージ除去及び更なる薄片化を行うことを特徴とする。
【００１２】
このように追加的にイオンエッチング（加速イオン、例えばアルゴンイオンの照射）を行うことにより、剥離面に残留するダメージを除去すると同時に、試料厚さを更に薄片化することができる。この際、加速イオンの照射角度が小さすぎるとエッチングに時間がかかり過ぎ、照射角度が大きすぎると試料面に新たに導入されるダメージ深さが深くなってしまう。照射角度を５〜３０度の範囲とすることで、新たに導入されるダメージ領域を浅くし、しかもエッチングスピードを速くすることができる。
【００１３】
本発明の薄片試料は、シリコン結晶中の結晶欠陥観察用薄片試料であって、本発明方法によって結晶表面の浅い領域のみを剥離させて作製されるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について添付図面中、図１〜４に基づいて説明するが、本発明の技術思想から逸脱しない限り図示例以外にも種々の変形が可能なことはいうまでもない。
【００１５】
図１は本発明方法の手順の１例を示す模式図である。同図に示されるごとく、まず、シリコン単結晶ウェーハ等の試料Ｗに対して水素イオン（Ｈ⁺，Ｈ₂ ⁺，Ｈ^-など）又は希ガスイオン（Ｈｅ⁺，Ｈｅ²⁺など）、ここではＨ⁺を照射して試料Ｗの体積内に微小気泡層Ｂを形成し〔図１（ａ）〕、水素イオン照射後の試料Ｗ表面に、金属製、例えば鉄製のメッシュＭ等を耐熱性の接着剤Ｒで接着させ〔図１（ｂ）〕、次いで必要に応じて剥離熱処理を行うことによって該微小気泡層Ｂにおいて該試料Ｗの表面側の薄片を剥離し〔図１（ｃ）〕、薄片化試料Ｗ_Lを作製することができる。
【００１６】
すなわち、試料Ｗに対する水素イオンＨ⁺の照射によって試料Ｗの体積内に形成された高濃度の水素を含む領域、即ち微小気泡層Ｂは簡単な熱処理で剥離しやすくなっている。この剥離される薄片層を保持するために、あらかじめ試料Ｗの表面を耐熱性の接着剤Ｒで金属製メッシュＭに固定しておき、剥離熱処理を行う。このようにすることで、ＴＥＭ観察に適した薄片化試料Ｗ_Lが簡単に作製される。
【００１７】
薄片化試料Ｗ_Lの厚さは注入イオンの注入エネルギーを変化させることにより変更することができ、ＴＥＭ観察用試料としては０．１〜１μｍが好適である。また、剥離熱処理は、４００℃以上の温度で行えばよいが、例えば４００〜６００℃で１０〜１２０分程度行うのが好適である。
【００１８】
一方、イオン注入量を増加させることにより、剥離熱処理を行うことなく、機械的に、又は自重により剥離することもできる。
【００１９】
本発明方法における薄片を剥離させる手順としては図１の手順以外にも種々の態様が可能であり、さらに説明する。図２は本発明方法の手順の他の例を示す模式図である。同図に示されるごとく、まず、シリコン単結晶ウェーハ等の試料Ｗに対して水素イオンＨ⁺を照射して試料Ｗの体積内に微小気泡層Ｂを形成し、一方酸化膜Ｆを形成したダミーのシリコン片Ｄを用意し〔図２（ａ）〕、このダミーシリコン片Ｄを水素イオン照射後の試料Ｗの表面に貼り合わせて密着させ〔図２（ｂ）〕、次いで剥離熱処理を行うことにより微小気泡層Ｂにおいて該試料Ｗの表面側の薄片Ｗ_Lを剥離する〔図２（ｃ）〕。
【００２０】
この場合、剥離した薄片Ｗ_Lは酸化膜付ダミーシリコン片Ｄに癒着した状態となっているが、これをフッ酸等に浸すことで、酸化膜Ｆ部分が溶解し、薄片Ｗ_L部分を分離させることができる〔図２（ｄ）〕。この薄片Ｗ_Lを金属製メッシュＭですくい取ることで、ＴＥＭ観察に適した薄片試料Ｗ_Lを作製することができる〔図２（ｅ）〕。
【００２１】
図３は本発明方法の手順の別の例を示す模式図である。同図に示されるごとく、まず、シリコン単結晶ウェーハ等の試料Ｗの表面側に酸化膜Ｆを形成するとともに水素イオン照射して試料Ｗの体積内に微小気泡層Ｂを形成し、一方ダミーシリコン片Ｅを用意し〔図３（ａ）〕、このダミーシリコン片Ｅを水素イオン照射後の試料Ｗの表面に貼り合わせて密着させ〔図３（ｂ）〕、次いで剥離熱処理を行うことにより微小気泡層Ｂにおいて該試料Ｗの表面側の薄片Ｗ_Lを剥離する〔図３（ｃ）〕。
【００２２】
この場合、剥離した薄片Ｗ_Lは酸化膜Ｆを介してダミーシリコン片Ｅに癒着した状態となっているが、これをフッ酸等に浸すことで、酸化膜Ｆ部分が溶解し、薄片Ｗ_L部分を分離させることができる〔図３（ｄ）〕。この薄片Ｗ_Lを金属製メッシュＭですくい取ることで、薄片化試料Ｗ_Lを同様に作製することができる〔図３（ｅ）〕。
【００２３】
上記した本発明方法の手順によって作製された薄片試料Ｗ_Lは、そのままでも好適に用いられるが、必要に応じて、図４に示したごとく、薄片試料Ｗ_Lの剥離面Ｔに対して加速イオン、例えばアルゴンイオンを照射角度αが５〜３０度の範囲で追加照射するのが好ましい。
【００２４】
このように追加的な加速イオンの照射（イオンエッチング）を行うことにより、剥離面Ｔに残留するダメージを除去することができる上、薄片試料Ｗ_Lの厚さを更に薄くすることができる。この照射の際に、加速イオンの照射角度αが小さすぎるとエッチングに時間がかかりすぎ、照射角度αが大きすぎると薄片試料Ｗ_Lの剥離面Ｔに新たに導入されるダメージ深さが深すぎてしまう。照射角度αを５〜３０度の範囲とすることで新たに導入されるダメージ領域を浅くし、しかもエッチングスピードを遅くすることが可能となる。
【００２５】
また、ここまで説明した本発明方法の各態様では、シリコン単結晶ウェーハ等の試料Ｗの最表面のみが剥離対象となっているが、あらかじめ試料Ｗの表面を必要量研磨しておくことで、試料Ｗの任意の深さにおいて薄片試料を作製することができることは勿論である。
【００２６】
もちろん、これら図示した工程は例示列挙したにとどまり、この他にも工程順の変更、一部省略等目的に応じ工程は適宜変更使用可能である。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈すべきものでないことはいうまでもない。
【００２８】
（実施例１）
初期酸素濃度１８ｐｐｍａ〔ＪＥＩＤＡ（日本電子工業振興協会）規格〕を含む直径６インチのシリコン単結晶鏡面ウェーハに、８００℃４時間の熱処理に続き、１０００℃１６時間の熱処理を施し、内部に高密度の欠陥を発生させた試料を用意した。
【００２９】
この様な欠陥を含むウェーハの表面を１００μｍ鏡面研磨し、内部欠陥が表面に露出した状態のウェーハを形成し、このウェーハの一主表面の全面に５０ｋｅＶで加速した水素イオンを１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²注入した。
【００３０】
このウェーハとは別に、表面に０．８μｍの酸化膜が形成されたダミーのシリコンウェーハ片を１枚用意し、これを先程のウェーハに密着させ、熱処理炉で５００℃、２０分間の熱処理を行った。
【００３１】
これにより、測定試料は、酸化膜が形成されたダミーのシリコンウェーハ片上に転写された。この時、転写された試料の厚さをエリプソメーターで測定したところ、約０．５μｍであることが分かり、ＴＥＭ試料として使用できる厚さになっていることを確認することが出来た。
【００３２】
その後、ダミーのシリコンウェーハ片をフッ酸水溶液に浸し、剥離した薄片試料を、ダミーのシリコンウェーハ片から分離させ、それをメッシュですくい取った。更に、この薄片試料の表面に１５度の角度でアルゴンイオンを照射することで表面を０．３μｍエッチングし、最終的に０．２μｍの厚さの透過型電子顕微鏡用観察用試料を作製した。
【００３３】
この試料を用いて透過型顕微鏡観察をおこなった結果を図５に示す。熱処理によって発生した転位が観察されている。この結果から、欠陥像は従来法で試料作製を行ったものと同等であり、本発明の試料作製方法が有効であることが確認できた。
【００３４】
尚、この実施例では、追加的なイオンエッチングを行った例を示したが、イオンエッチングのない場合でも、透過型電子顕微鏡観察に適した良好な薄片試料が得られた。
【００３５】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではない。上記した実施の形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に含包される。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、シリコン結晶中の結晶欠陥観察用透過型電子顕微鏡用の薄片試料を一度に大量に作製することができるとともに簡便に広い面積で作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の手順の１例を示す模式図である。
【図２】本発明方法の手順の他の例を示す模式図である。
【図３】本発明方法の手順の別の例を示す模式図である。
【図４】加速イオンの照射（イオンエッチング）の態様を示す説明図である。
【図５】実施例１における透過型顕微鏡による観察結果を示す写真である。
【符号の説明】
Ｂ：微小気泡層、Ｍ：金属製メッシュ、Ｗ：試料、Ｗ_L：薄片試料。

Claims

シリコン結晶中の欠陥を透過型電子顕微鏡で観察するための試料作製方法であって、結晶表面に加速した水素イオン又は希ガスイオンを照射し、その後４００℃以上の熱処理を加える事で表面の浅い領域のみを剥離させて薄片化し薄片試料とすることを特徴とする試料作製方法。
請求項１の方法で作製した薄片試料の剥離面に対して加速イオンを５〜３０度の角度で照射し、剥離面のダメージ除去及び更なる薄片化を行うことを特徴とする試料作製方法。
シリコン結晶中の結晶欠陥観察用薄片試料であって、請求項１又は２記載の方法によって、結晶表面の浅い領域のみを剥離させて作製されたことを特徴とする薄片試料。