3.3.3 defects in the silicon film

SOI-seminar-0921 1/27

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 20μ ｍ　　　　　　　　　　　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)

に限られる


• 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


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 10≒ 15cm-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、② Si を 3V でコントロールするもの (±)

　　　③ Ca/CuF2 reference 電極decoration technique は defect-free Si では etch されない


・ 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


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>

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>

bare Si wafer に換算

wafer の” haze” と呼ばれている


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

　　　　 (λ=532nm)

laser のエネルギーの吸収はサンプル中で熱膨張する

SOI layer の表面で

干渉縞を作る


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

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　　　　　　

時間依存性を持ち、

acoustic wave physics のモデルによって分析される


<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 ～ 3μmUV 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 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


<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 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半値幅 (FWHM)

比較

Si film 上の stress の大きさの情報を与える


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


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 B

OX を通過して流れる< 電解反応 >

CuSO4→Cu2++SO42-

Cu2++2e-→Cu (s)

銅の stain は Texwipe で作られる

CuSO4 に浸され、 SOI wafer と銅電極にはさまれる

1 つの pipe から電流を受けて、Texwipe 内で起こる


<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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　pipe

d

I: 　 pipe を流れる電流

ρ ： Si の抵抗率

tBOX: BOX の厚さ

V : 印加電圧

(3.4.1)


<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 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

copper nitrite とメタノールを混ぜた溶液に浸されてい

る


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


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]

E :silicon Young’s modulus[166GPa]

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

例） L が 10% の不確かさ⇒ γ は 50% のerror


<Young modulus> :硬さを表す値

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]

L

S

F

δL


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

ν: Poisson ratio, E:Young’s modulus

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