3.3 CRYSTAL QUALITY

1. 3.3 CRYSTAL QUALITY • SOI物質の生成 ⇒完全なSi単結晶の層で構成されることが望ましい しかし、 Si層中には常に欠陥や不完全なものが存在する このsectionではSi層の特性を評価する技術について 学ぶ ☆crystal orientation ☆ degree of crystallinity ☆ crystal defect density

2. 3.3.1 Crystal orientation • SOI物質の構成 (100)の標準配向のSiの薄膜を生成する方法がとられている この配向は次のとき得られる ①Siの薄膜が(100)のSi substrateから表面のSi層に buried insulatorの構成によって分離されて生成されるとき ②Siの薄膜がepitaxiallyに単結晶のsubstrateから成長させて生成されるとき ・normalな格子パラメータを持つ ・(100)のSiの配向に近い

3. Siの薄膜が融解物から絶縁層のamorphousの上に再結晶するときSiの薄膜が融解物から絶縁層のamorphousの上に再結晶するとき （例：laser, e-beamの再結晶、ZMR) ⇒・結晶の配向のコントロールはより困難 　 ・(100)配向からのかなりのずれがみられる さらに、 標準配向が(100)であると 　　　　　　　　　　　　　平面上で誤った配向が起こる

4. TEM中でのX線回折、電子回折 • 結晶配向はclassical techniquesによって決まる ・electron channeling pattern (ECP) technique (pseudo-Kikuchi) ・特別なサンプルの準備なしでSEMを実行できるのでよく使われる ・固定された焦点がぼやけた電子ビームがサンプルに入射する

5. 固定された焦点がぼやけた電子ビームがサンプルに入射する固定された焦点がぼやけた電子ビームがサンプルに入射する • 電子の反射は 入射ビームに比例してlocalの結晶配向に依存する Si中の入射電子のchannelingの度合いに依存 反射された電子：標準結晶配向を示すpattern cross patternの方向：平面上の配向を決定 patternのゆがみ:結晶軸の空間的な歪み

6. SOI薄膜結晶配向の評価方法 • etch-pit grid technique ⇒ZMR processを最適化するのに使用 Si層上で酸化物の層が形成され、沈殿する mask stepやHF etchを使うと円形の穴が酸化物の層上に開く 直径2～3μm 直径がサンプルの格子配列の配置になるまで繰り返し行われる 20μm

7. resistは分離され、酸化物中の穴はSi etchingのmaskとして使われる • SiはKOH溶液中でetchingされる Siを<111>配位よりも<100>配位にetchingする pyramidの断面の形をしたpatternはSi上にetchingされる 標準配向が(100)の時、 pits: 正方形 sides of pits: <111>平面 pit diagonals: [100] directions

8. ☆薄膜の配向が(100)でない ⇒Si薄膜の平面と<111>Si平面との交差によって ゆがんだpolyhedral patternができる ☆近接した２つのpatternの間の形の違い ⇒結晶粒の境界の存在、結晶軸の回転を導く ☆変形なしでの２つのpattern間の対角成分の不良 ⇒subgrain 境界の存在を示す

9. 3.3.2 Degree of crystallinity • SiのoverlayerがSOIの構成のprocess中でダメージを受けた場合 • Siのepitaxial成長が行われた場合 形成された層の single-crystallinityを調べることは興味深い degree of crystallinity を決定する2つの手段 (1)Rutherford backscattering (RBS) (2)UV reflectance

10. (1)RBS • destructive technique 質量M2の原子からなるサンプル中の質量M1の軽いイオン(He+イオン)のimpingementに基づく ターゲットに到達する前にイオンはあるエネルギーE0まで加速される それらのイオンはtarget原子や原子核と電気的な相互作用をして エネルギーを失う。 ほとんどはtarget中で止まる。 2MeV

11. しかし、軽いイオンの小さな揺らぎはE1=KE0のエネルギーを持ち、Θを超えて後方散乱するしかし、軽いイオンの小さな揺らぎはE1=KE0のエネルギーを持ち、Θを超えて後方散乱する 反跳原子のエネルギーの検出はtarget原子の質量M2で決まる 弾性衝突が起こる確率、 散乱イベント中で角度Θとなる確率 kinetic factor 異なる散乱断面積によって表せる Ω：detector angle(検出器の立体角)

12. x : targetの表面の下の深さ N : target原子の体積密度 • average scattering cross-section • stopping cross-section targetを通り抜ける粒子の電気的衝突や小さな角での原子核との衝突によるエネルギーlossを占める 信号は波高分析器によって検出される The output of a measurement session consists of a series of counts backscattering yield ☆測定dataをinterpret channel numberをエネルギースケールに変換 エネルギー幅Eをchannelに一致するように決定

13. Eは深さxiでの厚さτiのslab iに対応しなければならない 表面での後方散乱する粒子のエネルギーE=KE0 深さxでの別の後方散乱する粒子が targetから放射するエネルギーE=Ex これらのエネルギーの差は次のように表せる。 stopping cross-section factor constant Θ1:target中でのtrack前の角 Θ2:target中でのtrack後の角 cristallinity RBSについての情報に加え、 スペクトルは混合物の構成についての情報も与えてくれる (SixOyなど)

14. RBSスペクトル測定は２つの異なる方法で行われるRBSスペクトル測定は２つの異なる方法で行われる (1)結晶方位が入射イオンビームに対して平行 (2)結晶配位がランダムに配位されている (1)の場合 　　イオンは格子を通過した時のchannelingによって 結晶中の深いところを通る。 “aligned ”スペクトルが得られる。 サンプル:amorphous、ランダムな配位 ⇒channelingは起こらず、”non-aligned”スペクトルが得られる lower backscattering yieldを持つ イオンはサンプルのより深いところを通過し、衝突後逃げる確率が低いため。

15. 結晶の不完全性の存在 ⇒aligned target のbackscattering yieldを増加 backscattering yieldが最小のとき ⇒χmin: measure of the lattice disorder χminが低い　　　　　　　結晶性が良い 単結晶(100) bulk silicon ⇒ χmin＝3～4%

16. SIMOXのサンプルから得られたRBSスペクトル • 表面に最も近いlayerから有効な情報が得られる backscattered イオンのエネルギーが最も高い • Si overlayer ・non-alignedスペクトルはhigh yield ・Si layerの厚さがわかる ・ χminを通過した aligedスペクトルは その結晶のqualityの情報を与える

17. layerの厚さの情報を含む スペクトル (b) buried oxide aligned non-aligned non-aligned スペクトルのyieldは(a), (c)の部分よりも(b)の部分のほうが低い <理由> Siの濃度はSi overlayerやsubstrate上のSiよりも SiO2 buried layerのほうが低いため alignedスペクトルはSiよりもSiO2のほうが高いyieldを持つ <理由> SiO2はamorphousであるため layerの構成(Si原子中の酸素の割合)

18. (c) Si substrate (d) influence of the buried oxide on the ions backscattered from the substrate (d)の部分で得られるピーク ⇒buried oxide中にO2が存在するための信号によるもの 酸素原子によるイオンのbackscatteredエネルギーは相対的に低くなる <理由> O2はSiに比べ軽い分子であるため

19. UV reflectance • crystallinity of SOIのサンプルを評価するもう１つの手段 • non-destructive • SOI waferの特性を調べるのに用いられる • 薄膜中のmicrotwin density、 SOS回路のfabrication yield SIMOX waferのSi overlayerのqualityの評価 SOSの場合⇒λ=280nmで測定 λ=280,365nm⇒Siの単結晶のUV reflectanceスペクト　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ルは極大値をとる X点とBrillouin zoneのΓ-L軸に沿ったoptical interband transitionのため UV reflectance parameterに対応

20. λ=280nmでは reflectanceは吸収係数K > 106cm-1によって決まる 　　　　　　　　　　通過した深さが10nmより小さい 表面付近の不完全なcrystallinity SIMOX waferの場合 ⇒波長にはSi overlayerのqualityについての情報が含まれている reflectance peakの広がり、 最大値の縮小によって生じる

21. SIMOXのUV測定 • 物質のthree morphological特性の情報を与える (1)全てのreflectivity reduction 薄膜中の混合物の存在に関係する (bulk silicon reference sampleに例えられる) この混合物は炭素やSiOxの存在のためにある (2)表面のroughnessによって起こるRayleigh scattering 短い波長(200nm <λ<250nm)において Bλ-4としてreflectivityの減少に影響 (3)Siのoverlayerのamorphizationでのreflectance peak λ=280,367nmより小さい 最大値での形状や大きさ　⇒試料中のcryatallinityの大きさの基準を　与える 混合物についての半量的な情報、 表面でのroughness やcryatallinity B:表面のrms roughnessに依存した定数 UV reflectance測定

22. 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

23. (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

24. (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

25. TEM: ・crystal defectの分析においてpowerful 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

26. 倍率が10,000を下回るとdislocationの測定が困難 observation session yields 10 micrographs, each with a 10,000X magnification 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

27. 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

28. <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

29. < 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　≠　etch defect-free Si

30. ・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薄膜を使う場合、高すぎる optical microscopyでの観察による対比から欠陥が明らかになる前にすべてのSi薄膜がetchされてしまうため。 Secco solutionの希釈はetch rateを減らしている

31. 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”

32. 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> 原理は工業的に利用可 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

33. 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

34. 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

35. 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 サンプル中での熱の回折格子を作る SOI layerの表面で 干渉縞を作る

36. 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

37. <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

38. 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で再結合 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

39. <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

40. 3.3.3.5 Stress in the silicon film <Raman microprobe technique> Si film中でSOI fabrication process, device processによって生じる圧力を測定 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 最大半値幅(FWHM) 比較 Si film上の圧力の大きさの情報を与える

41. 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

42. 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

43. <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

44. <calculation> ２つの電子は１つの銅原子を作り出す必要がある 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