単結晶の欠陥密度測定方法
【課題】単結晶の欠陥の種類の判別を機械的に高い効率で行なうことができる欠陥密度測定方法を提供する。
【解決手段】単結晶の欠陥密度を欠陥の種類毎に測定する方法であって、下記の工程：
単結晶の観察面をエッチングして個々の欠陥にエッチピットを形成する工程、
同一観察視野中の複数のエッチピットについて一括して、個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率を測定する工程、および
個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率の基準値に対する大小関係により各エッチピットの種類を判定する工程を含む欠陥密度測定方法。
【解決手段】単結晶の欠陥密度を欠陥の種類毎に測定する方法であって、下記の工程：
単結晶の観察面をエッチングして個々の欠陥にエッチピットを形成する工程、
同一観察視野中の複数のエッチピットについて一括して、個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率を測定する工程、および
個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率の基準値に対する大小関係により各エッチピットの種類を判定する工程を含む欠陥密度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶の欠陥密度を測定する方法に関し、詳しくは、単結晶の欠陥の種類毎に欠陥密度を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板あるいはその上のエピタキシャル膜の格子欠陥は、半導体装置等の電子デバイスの特性に影響を及ぼすため、欠陥の種類と密度は基板の品質評価にとって極めて重要である。
【０００３】
単結晶の欠陥密度を測定する方法は、特許文献１〜１１等に種々開示されている。
【０００４】
特許文献１には、ＳｉＣ基板あるいはエピタキシャル膜の検査面に対して光（フォトルミネッセンス光、エレクトロルミネッセンス光等）を照射し、検査面全体に存在する結晶欠陥（転位（刃状転位、らせん転位、基底面転位（刃状・らせん））、積層欠陥）の種類と密度をマッピングすることが提案されている。しかし、結晶欠陥の種類は欠陥形状の画像解析により判別する旨の記載がされているが、取得した光学情報をどのような画像解析基準に基づいて欠陥種類を判別するかについて具体的には何ら示されておらず、不明である。
【０００５】
特許文献２には、アルカリエッチングおよび異方性ドライエッチングを併用し、基板の表面および内部転位を検出する基板評価方法が提示され、特許文献３には、白色光源からの白色光を測定対象面と参照面とに照射しながら、これら２つの面の相対距離を変動させて干渉縞の変化を生じさせ、測定対象面の表面形状を測定する方法が提示されている。特許文献４には、エッチング処理された結晶面の拡大フルカラー画像を色分解してＲＧＢ（赤・緑・青）の色分解画像を生成し、この色分解画像の画素の濃度を基準濃度と比較することでエッチピット部（結晶欠陥部）の密度を測定する方法が、特許文献５には、フォトルミネッセンス法により、非破壊・非接触で半導体試料の結晶構造欠陥の２次元分布評価を行なうことが、特許文献６には、結晶面を複数の単位面積に区切り、この単位面積毎の結晶転位数をカウントした分布マップが、それぞれ開示されている。
【０００６】
しかし、いずれも欠陥の種類毎に欠陥密度を測定する方法は明示されていない。
【０００７】
また、特許文献７にはＸ線解析強度を欠陥数に換算する方法、特許文献８には照射した断続光より試料に接する気体を膨張／収縮させることで生じた音響波を光音響分光装置を用いて測定する方法、特許文献９にはレーザー光が照射された半導体ウェハ表層から反射された散乱光を受光し、この散乱光像から表層欠陥を検出する方法、特許文献１０にはレリー散乱に基づくデータ処理を用いた散乱光の測定方法が、それぞれ開示されている。
【０００８】
しかし、いずれも欠陥を直接観察しているわけではないので、欠陥数までは読み取ることが可能であったとしても、欠陥の種類を分離し種類毎にカウントすることはできない。
【０００９】
更に、特許文献１１には、光学顕微鏡像から各種表面欠陥の密度測定を行なう方法が開示されている。しかし、光学顕微鏡画像という２次元情報のため、異物と欠陥との判別が困難である。
【００１０】
これまで、欠陥種類の判別は光学顕微鏡の視野内で目視判定によって行なってきた。判別精度は実用レベルであるが、半導体ウェハのような大面積に対して行なうには余りに手間と時間がかかり過ぎて実用的でない。
【００１１】
そのため、欠陥種類の判別を機械的に高い効率で行なうことができる、欠陥密度測定方法が求められてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−３１８０３１号公報
【特許文献２】特開２００８−２８１７８号公報
【特許文献３】特開２００１−６６１２２号公報
【特許文献４】特開２００１−６８５１９号公報
【特許文献５】特開２００６−１４７８４８号公報
【特許文献６】特開平８−８３１５号公報
【特許文献７】特開平１−１３８４４９号公報
【特許文献８】特公平３−３９４６号公報
【特許文献９】特開平９−２１７５６号公報
【特許文献１０】特開２００１−２７２３４０号公報
【特許文献１１】特開平９−１９９５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、単結晶の欠陥の種類の判別を機械的に高い効率で行なうことができる、欠陥密度測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、第１発明によれば、単結晶の欠陥密度を欠陥の種類毎に測定する方法であって、下記の工程：
単結晶の観察面をエッチングして個々の欠陥にエッチピットを形成する工程、
同一観察視野中の複数のエッチピットについて一括して、個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率を測定する工程、および
個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率の基準値に対する大小関係により各エッチピットの種類を判定する工程
を含むことを特徴とする単結晶の欠陥密度測定方法が提供される。
【００１５】
また、第２発明によれば、単結晶の欠陥密度を欠陥の種類毎に測定する方法であって、下記の工程：
単結晶の観察面をエッチングして個々の欠陥にエッチピットを形成する工程、
同一観察視野中の複数のエッチピットについて一括して、個々のエッチピットの（１）最大深さ、平均深さ、深さ曲率、および（２）観察面での平面形状重心位置および最大深さ位置を測定する工程、
個々のエッチピットの（１）最大深さ、平均深さ、深さ曲率の基準値に対する大小関係および（２）平面形状重心位置に対する最大深さ位置の向きにより各エッチピットの種類を判定する工程
を含むことを特徴とする単結晶の欠陥密度測定方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の方法は、エッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率の測定および平面形状重心位置、最大深さ位置の測定は、いずれも干渉顕微鏡、共焦点レーザー顕微鏡などにより機械的に行なうことができ、顕微鏡内蔵または別体のコンピュータにより各測定値を自動的にデータ処理して欠陥種類を個々の欠陥毎に判定することができるので、半導体ウェハのような大面積についても極めて効率的に欠陥種類毎の欠陥密度を測定することができ、高い実用性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、ＳｉＣ基板上のＳｉＣエピタキシャル膜に観察された典型的なエッチピットの（ａ）光学顕微鏡像および（ｂ）干渉顕微鏡像を示す写真である。
【図２】図２は、（ａ）刃状転位、（ｂ）らせん転位、（ｃ）基底面転位の各エッチピットに現われる典型的な干渉縞を示す干渉顕微鏡写真である。
【図３】図３は、欠陥の分類を示すための、（ａ）ＳｉＣ単結晶内の各欠陥の方位を示す模式図、（ｂ）ＳｉＣの単結晶基板上に成長したＣＶＤエピタキシャル膜とそれぞれの内部における各種欠陥を示す模式図、（ｃ）各欠陥の特徴をまとめた表である。
【図４】図４は、エッチピットのサイズおよび平面形状に基づき目視により分類した欠陥（Ｄ、Ｓ、Ｅ、Ｂ）毎に、個々エッチピットの（ａ）最大深さ、（ｂ）平均深さ、（ｃ）深さ曲率をプロットしたグラフである。
【図５】図５は、エッチピットの（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。
【図６】図６は、ＳｉＣ基板に観察された典型的なエッチピットの（ａ）光学顕微鏡像および（ｂ）干渉顕微鏡像を示す写真である。
【図７】図７は、図６（ｂ）に示した重なり合ったエッチピットを模式的に示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。
【図８】図８は、エッチピットの平面図において重心位置、最大深さ位置に関する座標軸を示す模式図である。
【図９】図９は、ウェハ上での欠陥密度の分布状態をマッピングした一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（１）エッチピットの形成
結晶の種類に応じて最適のエッチング液を用いることができる。ＳｉＣ単結晶にはＫＯＨ融液、ＧａＡｓ単結晶にはＨ２ＳＯ４とＨ２Ｏ２の混合液が用いられる。これらのエッチング液に結晶を浸漬し、結晶表面に存在する転位欠陥箇所を溶解させてエッチピットを形成する。
【００１９】
（２）干渉顕微鏡による非接触３次元測定
本発明の望ましい実施形態においては、干渉顕微鏡によりエッチピットの３次元形状を測定する。
【００２０】
干渉顕微鏡は、試料の表面に白色光を照射し、その反射光と参照面からの反射光を干渉させ、干渉顕微鏡の対物レンズを垂直（高さ、エッチピット深さ）方向に移動させたとき、試料光路と参照面光路の距離が一致する箇所で干渉波形の振幅が最大となる。深さ表示分解能は０．０１ｎｍに達する機器が現在市販されている。干渉波形のピーク位置から、試料表面での高さが求められ、同じ操作をＣＣＤカメラの全画素について行なうことにより、試料表面の３次元形状を一視野内で一括して求めることができる。この操作により、一視野内の複数のエッチピットについて、深さ方向の情報を一括して得ることができる。
【００２１】
以下に、実施例により本発明を詳細に説明する。
【実施例】
【００２２】
〔実施例１〕
試料として、ＳｉＣ基板（Ｓｉ面、オフ角度８°）にＣＶＤ装置で１０μｍ厚のＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させたものを用いた。
【００２３】
ＫＯＨ試薬を白金坩堝に入れ、温度調節器の付いた電気炉中で加熱した。加熱に伴いＫＯＨが融解し、融液の温度が４９０℃で安定したのを確認した後、別途予熱しておいた試料を白金製の治具を用いて融液中に浸漬させた。３分経過後に試料を取り出し、十分に水洗浄した後、乾燥させ、光学顕微鏡および干渉顕微鏡による観察に供した。
【００２４】
図１（ａ）に典型的なエッチピットの光学顕微鏡像を、図１（ｂ）に干渉顕微鏡像を示す。図１（ｂ）は図１（ａ）の枠で囲んだ領域を観察したものである。測定倍率は５０倍であった。
【００２５】
図１（ｂ）で観察される各ピットの内壁には、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような干渉縞が、最大深さ位置を取り巻く環状の等高線として現われている。図２の例では（ａ）刃状転位、（ｂ）らせん転位、（ｃ）基底面転位である。図から明らかなように、３種類の転位は、最大深さ位置（環状等高線の中心）の向きにより、（ａ）刃状転位および（ｂ）らせん転位のグループと、（ｃ）基底面転位とが分類される。すなわち、基底面転位の最大深さ位置は他の転位とは逆向きである。更に、（ａ）刃状転位と（ｂ）らせん転位とはサイズによって識別される。すなわち、刃状転位よりらせん転位の方が大きい。
【００２６】
図３に、マイクロパイプを含め、結晶欠陥の分類を示す。図３（ａ）は４Ｈ−ＳｉＣ結晶内の各欠陥の方位、図３（ｂ）は４Ｈ−ＳｉＣ基板（オフ角度８°）１０上にエピタキシャル成長した４Ｈ−ＳｉＣ膜２０内の結晶欠陥、図３（ｃ）は各欠陥を分類して説明する表である。図３（ｂ）の上部に、エピタキシャル層の表面に現われる各エッチピットの平面形状を模式的に示した。
【００２７】
基底面転位とは、ＳｉＣエピタキシャル膜内の転位（らせん転位または刃状転位）がＳｉＣ基板の表面に反射して再びＳｉＣ膜の表面に現われたものであり、らせん転位／刃状転位という分類とは別の分類であるが、ＳｉＣ単結晶の特性に悪影響が大きいので、基底面転位という分類は実用面から必要かつ重要である。上記反射により最大深さ位置が他の転位とは逆向きなことで区別できる。
【００２８】
干渉顕微鏡の視野内でエッチピットを目視分類した。ピットサイズの大中小でＤ、Ｓ、Ｅに分類し、最大深さ位置の向きでＢに分類した。これらの分類は、Ｄ：らせん転位（バーガースベクトル＝２Ｃ）、Ｓ：らせん転位（バーガースベクトル＝Ｃ）、Ｅ：刃状転位、Ｂ：基底面転位に対応する。
【００２９】
同じ試料について７視野を測定し、エッチピットのサイズおよび平面形状に基づき目視により分類した欠陥（Ｄ、Ｓ、Ｅ、Ｂ）毎に、個々エッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率をそれぞれ図４（ａ）〜（ｃ）にプロットした。結果をまとめて表１に示した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
図４（ａ）の最大深さからＥ（刃状転位）が分離可能、図４（ｂ）の平均深さと図４（ｃ）の深さ曲率とからＤ／Ｓ（らせん転位）が分離可能、これら以外がＢ（基底面転位）として分離可能である。Ｄ、Ｓは共にらせん転位であるが、Ｄはバーガースベクトルが２、Ｓはバーガースベクトルが１である。バーガースベクトルが３以上ではマイクロパイプであり、この試料には認められなかった。
【００３２】
最大深さ、平均深さ、深さ曲率は下記のようにして求める。
【００３３】
≪最大深さ、平均深さの求めかた≫
《１》基準深さを求める
試料の観察視野全体について全ての画素の深さのヒストグラムを作成し、最頻値を基準深さとする。
【００３４】
《２》画素の選別
基準深さに閾値を加えた深さで足切りして、クリアした画素のみを抽出する。
【００３５】
これにより、個々のエッチピットは、離散した画素塊として認識される。
【００３６】
《３》最大深さ、平均深さの算出
個々のエッチピットについて、最大深さ、平均深さが下記により算出される。
【００３７】
（最大深さ）＝（画素塊に含まれる深さの最大値）−（基準深さ）
（平均深さ）＝（画素塊に含まれる深さの平均値）−（基準深さ）
≪深さ曲率の求めかた≫
図５（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）に示したように、試料表面（Ｘ−Ｙ平面）におけるエッチピットの輪郭の幾何学的な重心（ｘｇ、ｙｇ）を原点として、試料表面上の座標軸Ｒと、試料深さ方向の座標Ｈとにより、図５（ｂ）のようにエッチピット内面の立体的な輪郭を、原点（ｘｇ、ｙｇ）を通るエッチピット縦断面（深さＨに平行）上の２次曲線により近似する。原点（ｘｇ、ｙｇ）を中心にした種々の回転角θの縦断面について同様の近似２次曲線を求める。例えば、θをπ／４毎にシフトさせた場合、近似２次曲線は下記のように表わすことができる。
【００３８】
θｊ＝（π／４）ｊ （ｊ＝０、１、２、４） ・・・（１）
Ｈ（Ｒ）＝ａｊＲ２＋ｂｊＲ＋ｃ ・・・（２）
式（２）は下記のように変形できる。
【００３９】
Ｈ（Ｒ）＝ａｊ（Ｒ＋α）２＋β ・・・（２）’
したがって、曲率に直接関係する係数をａｊと考えることができるので、重心（ｘｇ、ｙｇ）周りの深さ曲率ρを以下のように定義して用いた。
【００４０】
【数１】
【００４１】
すなわち、深さ曲率ρは、下に凸のエッチピットの「丸み」を表わしている。係数ａｊが大きくなるほど近似２次曲線の頭部は鋭利になる。
【００４２】
更に、上記で得られた重心位置（ｘｇ、ｙｇ）に対する最大深さ位置（ｘＭＡＸ、ｙＭＡＸ）の偏りを一つの重要なパラメータとして用いることができる。特に、偏りの向き（正負の符号）により基底面転位を他の転位に対して容易に分類できる。
【００４３】
本実施例で示したように、最大深さ、平均深さ、深さ曲率をパラメータとして、適当な基準値に対する大小関係から、目視によらず機械的に欠陥を分類できる。適当な基準値としては例えば各パラメータの平均値等を用いることができる。
【００４４】
各パラメータの基準値は、測定試料の材質やオフ角度およびエッチング条件（試薬、温度、時間）により変動するので、これらに応じて適宜設定する必要がある。
【００４５】
〔実施例２〕
試料として、ＳｉＣ基板（Ｓｉ面、オフ角度８°）を用いた。
【００４６】
ＫＯＨ試薬を用いて実施例１と同様にエッチングを行なった。ただし、エッチング温度（ＫＯＨ融液温度）を４１０℃とし、エッチング時間を１時間にした。
【００４７】
図６（ａ）に典型的なエッチピットの光学顕微鏡像を、図６（ｂ）に干渉顕微鏡像を示す。図６（ｂ）は図６（ａ）の枠で囲んだ領域である。測定倍率は５０倍であった。
【００４８】
図６（ａ）の光学顕微鏡写真には、２つのエッチピットが重なった部分が２箇所観察される（エッチピット番号２と３の重なり箇所、エッチピット番号４と５の重なり箇所）。
【００４９】
図６（ｂ）に示したように、これら重なった箇所でも干渉顕微鏡によりそれぞれ２つのエッチピットとして分離できていることが目視観察できる。この分離を次のようにして機械的に行なうことができる。
【００５０】
図７に、上記重なったピット（２と３、または、４と５）の（ａ）平面図および（ｂ）縦断面図（（ａ）の線Ｂ−Ｂ）をそれぞれ模式的に示す。図７（ｂ）に複数の破線で示したように、干渉顕微鏡で取り込んだエッチピットのデータ上で深さ方向にスライスしていき、２個のエッチピットの間に残る境界を検出したら、２値化（境界の有無判定）により２個のエッチピットに分離して識別することができる。この処理を行うことで、更に高精度で欠陥個数のカウントすなわち欠陥密度の測定が可能になる。
【００５１】
次に、エッチピットの重心位置に対する最大深さ位置の偏りを用いれば、より詳細に欠陥を分離することができる。
【００５２】
図８に、試料面でのエッチピットの平面図において、重心位置、最大深さ位置、両者を結ぶ方向の角度を模式的に示す。エッチピットの最大深さ位置は転位芯に対応する。エッチピットの重心位置に対する最大深さ位置の偏り方位の角度により、欠陥を更に詳細に分離することができる。重心位置（ｘｇ、ｙｇ）に対する最大深さ位置（ｘＭＡＸ、ｙＭＡＸ）の偏り（ΔＸ、ΔＹ）は下記のように求められる。
【００５３】
ΔＸ＝ｘＭＡＸ−ｘｇ
ΔＹ＝ｙＭＡＸ−ｙｇ
θ＝tan−１（ΔＹ／ΔＸ）
図６（ｂ）の全エッチピットについて、分類結果を表２にまとめて示す。特にこの場合、エッチピットの最大深さ位置の偏りがよく分離できていることが分かる。
【００５４】
【表２】
【００５５】
〔実施例３〕
上記のようにして欠陥を分類できると、各欠陥種類毎に例えば半導体ウェハ上の密度分布をマッピングすることができる。
【００５６】
図９に示した一例では、らせん転位ＤとＳの欠陥密度分布を同一の半導体ウェハについて視覚化したものである。このような欠陥密度分布の情報をウェハ製造プロセスにフィードバックすれば、より高品質のウェハを得るための製造条件の改良が容易になる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、単結晶の欠陥の種類の判別を機械的に高い効率で行なうことができる、欠陥密度測定方法を提供することを目的とする。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶の欠陥密度を測定する方法に関し、詳しくは、単結晶の欠陥の種類毎に欠陥密度を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板あるいはその上のエピタキシャル膜の格子欠陥は、半導体装置等の電子デバイスの特性に影響を及ぼすため、欠陥の種類と密度は基板の品質評価にとって極めて重要である。
【０００３】
単結晶の欠陥密度を測定する方法は、特許文献１〜１１等に種々開示されている。
【０００４】
特許文献１には、ＳｉＣ基板あるいはエピタキシャル膜の検査面に対して光（フォトルミネッセンス光、エレクトロルミネッセンス光等）を照射し、検査面全体に存在する結晶欠陥（転位（刃状転位、らせん転位、基底面転位（刃状・らせん））、積層欠陥）の種類と密度をマッピングすることが提案されている。しかし、結晶欠陥の種類は欠陥形状の画像解析により判別する旨の記載がされているが、取得した光学情報をどのような画像解析基準に基づいて欠陥種類を判別するかについて具体的には何ら示されておらず、不明である。
【０００５】
特許文献２には、アルカリエッチングおよび異方性ドライエッチングを併用し、基板の表面および内部転位を検出する基板評価方法が提示され、特許文献３には、白色光源からの白色光を測定対象面と参照面とに照射しながら、これら２つの面の相対距離を変動させて干渉縞の変化を生じさせ、測定対象面の表面形状を測定する方法が提示されている。特許文献４には、エッチング処理された結晶面の拡大フルカラー画像を色分解してＲＧＢ（赤・緑・青）の色分解画像を生成し、この色分解画像の画素の濃度を基準濃度と比較することでエッチピット部（結晶欠陥部）の密度を測定する方法が、特許文献５には、フォトルミネッセンス法により、非破壊・非接触で半導体試料の結晶構造欠陥の２次元分布評価を行なうことが、特許文献６には、結晶面を複数の単位面積に区切り、この単位面積毎の結晶転位数をカウントした分布マップが、それぞれ開示されている。
【０００６】
しかし、いずれも欠陥の種類毎に欠陥密度を測定する方法は明示されていない。
【０００７】
また、特許文献７にはＸ線解析強度を欠陥数に換算する方法、特許文献８には照射した断続光より試料に接する気体を膨張／収縮させることで生じた音響波を光音響分光装置を用いて測定する方法、特許文献９にはレーザー光が照射された半導体ウェハ表層から反射された散乱光を受光し、この散乱光像から表層欠陥を検出する方法、特許文献１０にはレリー散乱に基づくデータ処理を用いた散乱光の測定方法が、それぞれ開示されている。
【０００８】
しかし、いずれも欠陥を直接観察しているわけではないので、欠陥数までは読み取ることが可能であったとしても、欠陥の種類を分離し種類毎にカウントすることはできない。
【０００９】
更に、特許文献１１には、光学顕微鏡像から各種表面欠陥の密度測定を行なう方法が開示されている。しかし、光学顕微鏡画像という２次元情報のため、異物と欠陥との判別が困難である。
【００１０】
これまで、欠陥種類の判別は光学顕微鏡の視野内で目視判定によって行なってきた。判別精度は実用レベルであるが、半導体ウェハのような大面積に対して行なうには余りに手間と時間がかかり過ぎて実用的でない。
【００１１】
そのため、欠陥種類の判別を機械的に高い効率で行なうことができる、欠陥密度測定方法が求められてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−３１８０３１号公報
【特許文献２】特開２００８−２８１７８号公報
【特許文献３】特開２００１−６６１２２号公報
【特許文献４】特開２００１−６８５１９号公報
【特許文献５】特開２００６−１４７８４８号公報
【特許文献６】特開平８−８３１５号公報
【特許文献７】特開平１−１３８４４９号公報
【特許文献８】特公平３−３９４６号公報
【特許文献９】特開平９−２１７５６号公報
【特許文献１０】特開２００１−２７２３４０号公報
【特許文献１１】特開平９−１９９５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、単結晶の欠陥の種類の判別を機械的に高い効率で行なうことができる、欠陥密度測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、第１発明によれば、単結晶の欠陥密度を欠陥の種類毎に測定する方法であって、下記の工程：
単結晶の観察面をエッチングして個々の欠陥にエッチピットを形成する工程、
同一観察視野中の複数のエッチピットについて一括して、個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率を測定する工程、および
個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率の基準値に対する大小関係により各エッチピットの種類を判定する工程
を含むことを特徴とする単結晶の欠陥密度測定方法が提供される。
【００１５】
また、第２発明によれば、単結晶の欠陥密度を欠陥の種類毎に測定する方法であって、下記の工程：
単結晶の観察面をエッチングして個々の欠陥にエッチピットを形成する工程、
同一観察視野中の複数のエッチピットについて一括して、個々のエッチピットの（１）最大深さ、平均深さ、深さ曲率、および（２）観察面での平面形状重心位置および最大深さ位置を測定する工程、
個々のエッチピットの（１）最大深さ、平均深さ、深さ曲率の基準値に対する大小関係および（２）平面形状重心位置に対する最大深さ位置の向きにより各エッチピットの種類を判定する工程
を含むことを特徴とする単結晶の欠陥密度測定方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の方法は、エッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率の測定および平面形状重心位置、最大深さ位置の測定は、いずれも干渉顕微鏡、共焦点レーザー顕微鏡などにより機械的に行なうことができ、顕微鏡内蔵または別体のコンピュータにより各測定値を自動的にデータ処理して欠陥種類を個々の欠陥毎に判定することができるので、半導体ウェハのような大面積についても極めて効率的に欠陥種類毎の欠陥密度を測定することができ、高い実用性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、ＳｉＣ基板上のＳｉＣエピタキシャル膜に観察された典型的なエッチピットの（ａ）光学顕微鏡像および（ｂ）干渉顕微鏡像を示す写真である。
【図２】図２は、（ａ）刃状転位、（ｂ）らせん転位、（ｃ）基底面転位の各エッチピットに現われる典型的な干渉縞を示す干渉顕微鏡写真である。
【図３】図３は、欠陥の分類を示すための、（ａ）ＳｉＣ単結晶内の各欠陥の方位を示す模式図、（ｂ）ＳｉＣの単結晶基板上に成長したＣＶＤエピタキシャル膜とそれぞれの内部における各種欠陥を示す模式図、（ｃ）各欠陥の特徴をまとめた表である。
【図４】図４は、エッチピットのサイズおよび平面形状に基づき目視により分類した欠陥（Ｄ、Ｓ、Ｅ、Ｂ）毎に、個々エッチピットの（ａ）最大深さ、（ｂ）平均深さ、（ｃ）深さ曲率をプロットしたグラフである。
【図５】図５は、エッチピットの（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。
【図６】図６は、ＳｉＣ基板に観察された典型的なエッチピットの（ａ）光学顕微鏡像および（ｂ）干渉顕微鏡像を示す写真である。
【図７】図７は、図６（ｂ）に示した重なり合ったエッチピットを模式的に示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。
【図８】図８は、エッチピットの平面図において重心位置、最大深さ位置に関する座標軸を示す模式図である。
【図９】図９は、ウェハ上での欠陥密度の分布状態をマッピングした一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（１）エッチピットの形成
結晶の種類に応じて最適のエッチング液を用いることができる。ＳｉＣ単結晶にはＫＯＨ融液、ＧａＡｓ単結晶にはＨ２ＳＯ４とＨ２Ｏ２の混合液が用いられる。これらのエッチング液に結晶を浸漬し、結晶表面に存在する転位欠陥箇所を溶解させてエッチピットを形成する。
【００１９】
（２）干渉顕微鏡による非接触３次元測定
本発明の望ましい実施形態においては、干渉顕微鏡によりエッチピットの３次元形状を測定する。
【００２０】
干渉顕微鏡は、試料の表面に白色光を照射し、その反射光と参照面からの反射光を干渉させ、干渉顕微鏡の対物レンズを垂直（高さ、エッチピット深さ）方向に移動させたとき、試料光路と参照面光路の距離が一致する箇所で干渉波形の振幅が最大となる。深さ表示分解能は０．０１ｎｍに達する機器が現在市販されている。干渉波形のピーク位置から、試料表面での高さが求められ、同じ操作をＣＣＤカメラの全画素について行なうことにより、試料表面の３次元形状を一視野内で一括して求めることができる。この操作により、一視野内の複数のエッチピットについて、深さ方向の情報を一括して得ることができる。
【００２１】
以下に、実施例により本発明を詳細に説明する。
【実施例】
【００２２】
〔実施例１〕
試料として、ＳｉＣ基板（Ｓｉ面、オフ角度８°）にＣＶＤ装置で１０μｍ厚のＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させたものを用いた。
【００２３】
ＫＯＨ試薬を白金坩堝に入れ、温度調節器の付いた電気炉中で加熱した。加熱に伴いＫＯＨが融解し、融液の温度が４９０℃で安定したのを確認した後、別途予熱しておいた試料を白金製の治具を用いて融液中に浸漬させた。３分経過後に試料を取り出し、十分に水洗浄した後、乾燥させ、光学顕微鏡および干渉顕微鏡による観察に供した。
【００２４】
図１（ａ）に典型的なエッチピットの光学顕微鏡像を、図１（ｂ）に干渉顕微鏡像を示す。図１（ｂ）は図１（ａ）の枠で囲んだ領域を観察したものである。測定倍率は５０倍であった。
【００２５】
図１（ｂ）で観察される各ピットの内壁には、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような干渉縞が、最大深さ位置を取り巻く環状の等高線として現われている。図２の例では（ａ）刃状転位、（ｂ）らせん転位、（ｃ）基底面転位である。図から明らかなように、３種類の転位は、最大深さ位置（環状等高線の中心）の向きにより、（ａ）刃状転位および（ｂ）らせん転位のグループと、（ｃ）基底面転位とが分類される。すなわち、基底面転位の最大深さ位置は他の転位とは逆向きである。更に、（ａ）刃状転位と（ｂ）らせん転位とはサイズによって識別される。すなわち、刃状転位よりらせん転位の方が大きい。
【００２６】
図３に、マイクロパイプを含め、結晶欠陥の分類を示す。図３（ａ）は４Ｈ−ＳｉＣ結晶内の各欠陥の方位、図３（ｂ）は４Ｈ−ＳｉＣ基板（オフ角度８°）１０上にエピタキシャル成長した４Ｈ−ＳｉＣ膜２０内の結晶欠陥、図３（ｃ）は各欠陥を分類して説明する表である。図３（ｂ）の上部に、エピタキシャル層の表面に現われる各エッチピットの平面形状を模式的に示した。
【００２７】
基底面転位とは、ＳｉＣエピタキシャル膜内の転位（らせん転位または刃状転位）がＳｉＣ基板の表面に反射して再びＳｉＣ膜の表面に現われたものであり、らせん転位／刃状転位という分類とは別の分類であるが、ＳｉＣ単結晶の特性に悪影響が大きいので、基底面転位という分類は実用面から必要かつ重要である。上記反射により最大深さ位置が他の転位とは逆向きなことで区別できる。
【００２８】
干渉顕微鏡の視野内でエッチピットを目視分類した。ピットサイズの大中小でＤ、Ｓ、Ｅに分類し、最大深さ位置の向きでＢに分類した。これらの分類は、Ｄ：らせん転位（バーガースベクトル＝２Ｃ）、Ｓ：らせん転位（バーガースベクトル＝Ｃ）、Ｅ：刃状転位、Ｂ：基底面転位に対応する。
【００２９】
同じ試料について７視野を測定し、エッチピットのサイズおよび平面形状に基づき目視により分類した欠陥（Ｄ、Ｓ、Ｅ、Ｂ）毎に、個々エッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率をそれぞれ図４（ａ）〜（ｃ）にプロットした。結果をまとめて表１に示した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
図４（ａ）の最大深さからＥ（刃状転位）が分離可能、図４（ｂ）の平均深さと図４（ｃ）の深さ曲率とからＤ／Ｓ（らせん転位）が分離可能、これら以外がＢ（基底面転位）として分離可能である。Ｄ、Ｓは共にらせん転位であるが、Ｄはバーガースベクトルが２、Ｓはバーガースベクトルが１である。バーガースベクトルが３以上ではマイクロパイプであり、この試料には認められなかった。
【００３２】
最大深さ、平均深さ、深さ曲率は下記のようにして求める。
【００３３】
≪最大深さ、平均深さの求めかた≫
《１》基準深さを求める
試料の観察視野全体について全ての画素の深さのヒストグラムを作成し、最頻値を基準深さとする。
【００３４】
《２》画素の選別
基準深さに閾値を加えた深さで足切りして、クリアした画素のみを抽出する。
【００３５】
これにより、個々のエッチピットは、離散した画素塊として認識される。
【００３６】
《３》最大深さ、平均深さの算出
個々のエッチピットについて、最大深さ、平均深さが下記により算出される。
【００３７】
（最大深さ）＝（画素塊に含まれる深さの最大値）−（基準深さ）
（平均深さ）＝（画素塊に含まれる深さの平均値）−（基準深さ）
≪深さ曲率の求めかた≫
図５（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）に示したように、試料表面（Ｘ−Ｙ平面）におけるエッチピットの輪郭の幾何学的な重心（ｘｇ、ｙｇ）を原点として、試料表面上の座標軸Ｒと、試料深さ方向の座標Ｈとにより、図５（ｂ）のようにエッチピット内面の立体的な輪郭を、原点（ｘｇ、ｙｇ）を通るエッチピット縦断面（深さＨに平行）上の２次曲線により近似する。原点（ｘｇ、ｙｇ）を中心にした種々の回転角θの縦断面について同様の近似２次曲線を求める。例えば、θをπ／４毎にシフトさせた場合、近似２次曲線は下記のように表わすことができる。
【００３８】
θｊ＝（π／４）ｊ （ｊ＝０、１、２、４） ・・・（１）
Ｈ（Ｒ）＝ａｊＲ２＋ｂｊＲ＋ｃ ・・・（２）
式（２）は下記のように変形できる。
【００３９】
Ｈ（Ｒ）＝ａｊ（Ｒ＋α）２＋β ・・・（２）’
したがって、曲率に直接関係する係数をａｊと考えることができるので、重心（ｘｇ、ｙｇ）周りの深さ曲率ρを以下のように定義して用いた。
【００４０】
【数１】
【００４１】
すなわち、深さ曲率ρは、下に凸のエッチピットの「丸み」を表わしている。係数ａｊが大きくなるほど近似２次曲線の頭部は鋭利になる。
【００４２】
更に、上記で得られた重心位置（ｘｇ、ｙｇ）に対する最大深さ位置（ｘＭＡＸ、ｙＭＡＸ）の偏りを一つの重要なパラメータとして用いることができる。特に、偏りの向き（正負の符号）により基底面転位を他の転位に対して容易に分類できる。
【００４３】
本実施例で示したように、最大深さ、平均深さ、深さ曲率をパラメータとして、適当な基準値に対する大小関係から、目視によらず機械的に欠陥を分類できる。適当な基準値としては例えば各パラメータの平均値等を用いることができる。
【００４４】
各パラメータの基準値は、測定試料の材質やオフ角度およびエッチング条件（試薬、温度、時間）により変動するので、これらに応じて適宜設定する必要がある。
【００４５】
〔実施例２〕
試料として、ＳｉＣ基板（Ｓｉ面、オフ角度８°）を用いた。
【００４６】
ＫＯＨ試薬を用いて実施例１と同様にエッチングを行なった。ただし、エッチング温度（ＫＯＨ融液温度）を４１０℃とし、エッチング時間を１時間にした。
【００４７】
図６（ａ）に典型的なエッチピットの光学顕微鏡像を、図６（ｂ）に干渉顕微鏡像を示す。図６（ｂ）は図６（ａ）の枠で囲んだ領域である。測定倍率は５０倍であった。
【００４８】
図６（ａ）の光学顕微鏡写真には、２つのエッチピットが重なった部分が２箇所観察される（エッチピット番号２と３の重なり箇所、エッチピット番号４と５の重なり箇所）。
【００４９】
図６（ｂ）に示したように、これら重なった箇所でも干渉顕微鏡によりそれぞれ２つのエッチピットとして分離できていることが目視観察できる。この分離を次のようにして機械的に行なうことができる。
【００５０】
図７に、上記重なったピット（２と３、または、４と５）の（ａ）平面図および（ｂ）縦断面図（（ａ）の線Ｂ−Ｂ）をそれぞれ模式的に示す。図７（ｂ）に複数の破線で示したように、干渉顕微鏡で取り込んだエッチピットのデータ上で深さ方向にスライスしていき、２個のエッチピットの間に残る境界を検出したら、２値化（境界の有無判定）により２個のエッチピットに分離して識別することができる。この処理を行うことで、更に高精度で欠陥個数のカウントすなわち欠陥密度の測定が可能になる。
【００５１】
次に、エッチピットの重心位置に対する最大深さ位置の偏りを用いれば、より詳細に欠陥を分離することができる。
【００５２】
図８に、試料面でのエッチピットの平面図において、重心位置、最大深さ位置、両者を結ぶ方向の角度を模式的に示す。エッチピットの最大深さ位置は転位芯に対応する。エッチピットの重心位置に対する最大深さ位置の偏り方位の角度により、欠陥を更に詳細に分離することができる。重心位置（ｘｇ、ｙｇ）に対する最大深さ位置（ｘＭＡＸ、ｙＭＡＸ）の偏り（ΔＸ、ΔＹ）は下記のように求められる。
【００５３】
ΔＸ＝ｘＭＡＸ−ｘｇ
ΔＹ＝ｙＭＡＸ−ｙｇ
θ＝tan−１（ΔＹ／ΔＸ）
図６（ｂ）の全エッチピットについて、分類結果を表２にまとめて示す。特にこの場合、エッチピットの最大深さ位置の偏りがよく分離できていることが分かる。
【００５４】
【表２】
【００５５】
〔実施例３〕
上記のようにして欠陥を分類できると、各欠陥種類毎に例えば半導体ウェハ上の密度分布をマッピングすることができる。
【００５６】
図９に示した一例では、らせん転位ＤとＳの欠陥密度分布を同一の半導体ウェハについて視覚化したものである。このような欠陥密度分布の情報をウェハ製造プロセスにフィードバックすれば、より高品質のウェハを得るための製造条件の改良が容易になる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、単結晶の欠陥の種類の判別を機械的に高い効率で行なうことができる、欠陥密度測定方法を提供することを目的とする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶の欠陥密度を欠陥の種類毎に測定する方法であって、下記の工程：
単結晶の観察面をエッチングして個々の欠陥にエッチピットを形成する工程、
同一観察視野中の複数のエッチピットについて一括して、個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率を測定する工程、および
個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率の基準値に対する大小関係により各エッチピットの種類を判定する工程
を含むことを特徴とする単結晶の欠陥密度測定方法。
【請求項２】
単結晶の欠陥密度を欠陥の種類毎に測定する方法であって、下記の工程：
単結晶の観察面をエッチングして個々の欠陥にエッチピットを形成する工程、
同一観察視野中の複数のエッチピットについて一括して、個々のエッチピットの（１）最大深さ、平均深さ、深さ曲率、および（２）観察面での平面形状重心位置および最大深さ位置を測定する工程、
個々のエッチピットの（１）最大深さ、平均深さ、深さ曲率の基準値に対する大小関係および（２）平面形状重心位置に対する最大深さ位置の向きにより各エッチピットの種類を判定する工程
を含むことを特徴とする単結晶の欠陥密度測定方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、エッチピットを深さ方向に面状に切断して２値化処理することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１または２において、上記エッチピットの測定は光干渉法により行なうことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法を複数の視野について順次行ない、観察面内における欠陥種類毎の欠陥密度分布をマッピングする方法。
【請求項１】
単結晶の欠陥密度を欠陥の種類毎に測定する方法であって、下記の工程：
単結晶の観察面をエッチングして個々の欠陥にエッチピットを形成する工程、
同一観察視野中の複数のエッチピットについて一括して、個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率を測定する工程、および
個々のエッチピットの最大深さ、平均深さ、深さ曲率の基準値に対する大小関係により各エッチピットの種類を判定する工程
を含むことを特徴とする単結晶の欠陥密度測定方法。
【請求項２】
単結晶の欠陥密度を欠陥の種類毎に測定する方法であって、下記の工程：
単結晶の観察面をエッチングして個々の欠陥にエッチピットを形成する工程、
同一観察視野中の複数のエッチピットについて一括して、個々のエッチピットの（１）最大深さ、平均深さ、深さ曲率、および（２）観察面での平面形状重心位置および最大深さ位置を測定する工程、
個々のエッチピットの（１）最大深さ、平均深さ、深さ曲率の基準値に対する大小関係および（２）平面形状重心位置に対する最大深さ位置の向きにより各エッチピットの種類を判定する工程
を含むことを特徴とする単結晶の欠陥密度測定方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、エッチピットを深さ方向に面状に切断して２値化処理することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１または２において、上記エッチピットの測定は光干渉法により行なうことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法を複数の視野について順次行ない、観察面内における欠陥種類毎の欠陥密度分布をマッピングする方法。
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【図２】
【図６】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【図２】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２２３８１２（Ｐ２０１０−２２３８１２Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７２３４０（Ｐ２００９−７２３４０）
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００２１９３１４）東レエンジニアリング株式会社 (505)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００２１９３１４）東レエンジニアリング株式会社 (505)
【Ｆターム（参考）】
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