1 / 27

3.3.3 Defects in the silicon film

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

bo-hartman
Download Presentation

3.3.3 Defects in the silicon film

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 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Siwafer(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 SOI-seminar-0921

  2. (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 SOI-seminar-0921

  3. (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 etchtimeが十分に長い ⇒SOI filmの底のBOXもetchされる SOI-seminar-0921

  4. 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20μｍ 　　　　　　　　　　　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 SOI-seminar-0921

  5. 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 SOI-seminar-0921

  6. 3.3.3.2 Chemical decoration of defects • SOI defects decoration で使われるetchmixtures (Table3-2) 酸化剤 (CrO3, K2Cr2O7,,HNO3) とHFの混合物からなっている SOI-seminar-0921

  7. <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 SOI-seminar-0921

  8. < 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は defect-free Siではetchされない SOI-seminar-0921

  9. ・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 SOI-seminar-0921

  10. 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” SOI-seminar-0921

  11. 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-seminar-0921

  12. 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 SOI-seminar-0921

  13. 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 SOI-seminar-0921

  14. 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 SOI-seminar-0921

  15. 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 SOI-seminar-0921

  16. <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 SOI-seminar-0921

  17. 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 SOI-seminar-0921

  18. <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 SOI-seminar-0921

  19. 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 SOI-seminar-0921

  20. 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 SOI-seminar-0921

  21. 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++SO42- Cu2++2e-→Cu (s) 銅のstainはTexwipeで作られる 1つのpipeから電流を受けて、Texwipe内で起こる SOI-seminar-0921

  22. <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 SOI-seminar-0921

  23. <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 SOI-seminar-0921

  24. 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 SOI-seminar-0921

  25. 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 energyγ 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 SOI-seminar-0921

  26. <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 δL F S SOI-seminar-0921

  27. 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: Vickerstoolに与える力　 2c:crackの長さ β: geometrical factor ν: Poisson ratio, E:Young’s modulus SOI-seminar-0921

More Related