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| タイトル： | 公開特許公報(A)_半導体単結晶中の欠陥検査方法 |
| 出願番号： | 2010099466 |
| 年次： | 2011 |
| IPC分類： | G01N 29/04,G01N 29/06,G01N 29/28 |
特許情報キャッシュ
土屋 忠厳 JP 2011227018 公開特許公報(A) 20111110 2010099466 20100423 半導体単結晶中の欠陥検査方法 日立電線株式会社 000005120 油井 透 100090136 清野 仁 100105256 福岡 昌浩 100145872 土屋 忠厳 G01N 29/04 20060101AFI20111014BHJP G01N 29/06 20060101ALI20111014BHJP G01N 29/28 20060101ALI20111014BHJP JPG01N29/04 503G01N29/06G01N29/08 506G01N29/28 9 1 ＯＬ 9 2G047 2G047AA08 2G047BA03 2G047BC07 2G047DB12 2G047EA20 2G047GE01 2G047GF11 本発明は、半導体デバイスの各種特性に悪影響を及ぼす結晶欠陥の検査・観察・評価を行う、半導体単結晶中の欠陥検査方法に関する。 半導体単結晶中に結晶欠陥が生じている場合、その半導体単結晶を用いて作製された電子デバイスの特性や寿命が低下する虞がある。そこで、半導体単結晶における結晶欠陥の発生を低減させるべく鋭意技術的努力が続けられている。 また、特に多結晶あるいは結晶転位の密集したリネージと呼ばれる欠陥は、デバイス特性を著しく低下させる。このため、元より斯様な欠陥を発生させない努力はもちろんのこと、結晶製造後の検査、選別も重要となっている。 従来技術では、成長した単結晶インゴットから切り出したウェハの表面に鏡面研磨を施し、溶融ＫＯＨ（水酸化カリウム）を用いた表面エッチングによって欠陥を可視化することで、結晶欠陥や不良部分等の検査・選別を行っていた。 その他にも、Ｘ線回折法、透過電子顕微鏡法、フォトルミネセンス法、カソードルミネセンス法なども、いわゆる研究室レベルでは結晶欠陥を検査する方法として用いられている。 また、検査対象に対して超音波を当て（入射させ）、その反射波に基づいて検査対象内部の欠陥等を検出するという、超音波方式の非破壊検査方法が提案されている。これは、超音波探傷法とも呼ばれ、主として材料中の中空欠陥（いわゆるボイド）やクラック、異物等を検出するものである。 ところが、この超音波を用いた検査方法では、母材と同種の材質からなる欠陥については、理論的に、検出することが極めて困難ないしは不可能である。よって、上記のような半導体単結晶中の結晶欠陥についても、超音波による検出は不可能であると、従来は考えられていた。 超音波を用いた半導体単結晶中の欠陥検出方法については、例えば、特許文献１にて提案された検査方法がある。しかし、これは肉厚測定や孔食、すなわちボイドやクラックの探傷・検査方法であって、微細な結晶欠陥を検出できるものではなかった。特許第４１３１５９８号公報 そこで、本発明者は、種々の実験の試行および技術的考察等を鋭意行った結果、７８ＭＨｚ以上の周波数域の超高周波の超音波を検査対象の単結晶に当てて、その散乱波によって検査対象の単結晶における結晶欠陥の散乱像を得ることで、単結晶中の結晶欠陥を検出できることを確認した。 金属などの多結晶やアモルファス、あるいはガラスなどは、結晶性を有していない。あるいは、結晶を有している場合でも、それは無数のグレインが存在する、配向性の希薄な多結晶である。従って、それらの材料では、結晶に存在する音速の異方性はすべての方向に平均化されてしまうので、超高周波の超音波を用いて結晶欠陥を観測することは、理論的に困難ないしは不可能である。超音波の反射（散乱）は、音速（厳密には音響インピーダンス）の異なる材質の界面で生じるから、音速の全く異なる中空のボイドやクラック、あるいは異物が存在しなければ、超音波の反射（散乱）を明確に捉えることができないのである。しかし、単結晶では、結晶方位が明確に揃っているので、結晶方位の異なる部分が存在したり、結晶格子に著しい乱れが存在したりすれば、そこでは本来の結晶方向の音速とは異なる音速で超音波が伝播する。そうすると、音速に違いのある媒体の界面では明確な反射（散乱）が生じるので、結晶格子の乱れた部分では超音波が散乱され、それに基づいて、結晶欠陥を検出することができる。 そのような有害な結晶欠陥の一つに、リネージと呼ばれる結晶欠陥がある。これは、ｍｍ（ミリメートル）サイズ以上の比較的マクロな欠陥であるが、中空のボイドやクラック、あるいは異物ではないため、従来は検出できないものと考えられていた。実際に、このリネージと呼ばれる結晶欠陥に対して、例えば通常使用される１０ＭＨｚ程度の超音波を入射しても、全く何も検出されない。これは、この欠陥が比較的マクロな欠陥に見えていながら、個々には１〜１０μｍ程度の非常にミクロな欠陥であって、これが高密度に密集しているために、比較的マクロな大きさに見えるためではないかと推測される。 本発明者は、ミクロなサイズの欠陥を観察するためには、被検査物に当てる（入射させる）超音波の周波数を増すことにより、結晶中の音波の波長が短くなり、音波の散乱強度を増大させられるのではないかと考え、結晶欠陥の検出に用いる超音波の高周波化を検討した。そして、７８ＭＨｚ以上のような超高周波の超音波を使用することにより、表面を鏡面加工しない半導体単結晶ウェハに対して非接触で結晶欠陥を検出することができることを、種々の実験等の試行および技術的考察等を鋭意行った結果、確認した。 このような、本発明者によって案出された超音波散乱法では、超音波を被検査物内へと確実に導入するために、その被検査物を液体中に浸漬する必要がある。 ところが、被検査物を浸漬させる液体が、水もしくは純水であると、７８ＭＨｚ以上のような超高周波の超音波が当てられることに起因して、半導体単結晶ウェハのような被検査物の表面に変色や変質が生じ、その被検査物の製品としての品質を損なう虞があるということが判明した。 本発明の目的は、半導体単結晶ウェハのような被検査物の表面に変色や変質等を生じせしめることなしに、有害な微細結晶欠陥の有無を検査することを可能とした、半導体単結晶中の欠陥検査方法を提供することにある。 本発明の半導体単結晶中の欠陥検査方法は、単結晶の被検査物を、炭化水素系液体、アルコール系液体、またはケトン系液体に浸漬し、前記被検査物に対して当該被検査物内での超音波の波長が６０μｍ以下または周波数が７８ＭＨｚ以上の超音波を入射させ、当該被検査物内で反射された超音波に基づいて当該被検査物内の結晶欠陥の有無を検査することを特徴としている。 また、単結晶の被検査物を、難燃性液体に浸漬し、前記被検査物に対して当該被検査物内での超音波の波長が６０μｍ以下または周波数が７８ＭＨｚ以上の超音波を入射させ、当該被検査物内で反射された超音波に基づいて当該被検査物内の結晶欠陥の有無を検査することを特徴としている。 本発明の半導体単結晶中の欠陥検査方法によれば、半導体単結晶ウェハのような被検査物の表面に変色や変質などの欠陥を検査時に新たに生じせしめることなく、その被検査物内における有害な微細結晶欠陥を確実に観察・検査することが可能となる。本発明の実施の形態に係る半導体単結晶中の欠陥検査方法を実施する検査装置系を模式的に示す図である。本発明の実施例に係る半導体単結晶中の欠陥検査方法で周波数１２５ＭＨｚの超音波による検査を行って得られた観察像の一例を示す写真複写図である。 以下、本発明の実施の形態に係る半導体単結晶中の欠陥検査方法について、図面を参照して説明する。 この半導体単結晶中の欠陥検査方法は、図１に示したような検査装置系によって実施することができる。 その検査装置系は、検査槽１と、探触子２と、試料台３とを備えている。試料台３の上には、例えば半導体単結晶ウェハのような被検査物４が載置される。そして被検査物４は、試料台３と共に、検査槽１内に満たされた検査用液体５中に浸漬される。 検査槽１内の検査用液体５に浸漬された被検査物４に対して、探触子２から発せられた６０μｍ以下の波長または７８ＭＨｚ以上の周波数の超音波６が入射する。そしてその超音波６は、被検査物４内で反射され、探触子２へと戻って捕捉される。その補足された反射波に基づいて、被検査物４内における結晶欠陥７の有無を検査することができる。 検査用液体５としては、ヘキサン、ベンゼン、またはトルエンのような炭化水素系液体が好適である。もしくは、メタノール、エタノール、プロパノール、もしくはブタノールのようなアルコール系液体が好適である。もしくは、アセトンのようなケトン系液体が好適である。あるいは、ハロゲン系液体、またはフロン系不活性液体のような難燃性液体を用いることも望ましい。もしくは、塩化メチレン、またはクロロホルムのような難燃性液体を用いることも望ましい。 被検査物４としては、シリコン（Ｓｉ）単結晶からなるものは勿論のこと、砒化ガリウム単結晶からなるもの、あるいは半絶縁性砒化ガリウムウェハとすることなども可能である。 本発明者は、種々の実験等の試行および技術的考察等を鋭意行った結果、７８ＭＨｚ以上の周波数域の超高周波な超音波６を検査対象物４に当てて（入射して）、そのとき検査対象物４内で反射された散乱波（反射波）に基づいて、被検査物４の単結晶における結晶欠陥７の散乱像を得ることで、単結晶中の結晶欠陥７を検出できることを確認し、本発明の実施の形態に係る半導体単結晶中の欠陥検査方法の基本的構成を案出するに至ったのであった。 すなわち、ミクロなサイズの欠陥を検出もしくは観測するためには、被検査物４に当てる超音波６の周波数を７８ＭＨｚ以上のような超高周波とすることにより、表面を鏡面加工しない半導体単結晶ウェハのような被検査物４における結晶欠陥７を非接触で検出することができることを、種々の実験等の試行および技術的考察等を鋭意行って、確認したのであった。 このような本発明者によって案出された超音波散乱法では、超音波を被検査物４内に導入するために、その被検査物４を液体中に浸漬する必要がある。 ところが、被検査物４を浸漬させるための検査用液体５を、水もしくは純水とした場合、７８ＭＨｚ以上のような超高周波の超音波を当てることに起因して、半導体単結晶ウェハのような被検査物４の表面に変色や変質等が生じ、その被検査物４の製品としての品質を損なう虞があるということが判明した。 そこで、そのような不都合な現象の発生を回避するための技術的手段を、種々の実験および考察等を行って、検討・案出した。 上記のような被検査物４の表面の変色や変質の原因は、検査用液体５として水や純水を用いた場合には、超音波６の持つ波動エネルギが被検査物４の表面に化学的反応を生じさせ、延いてはその被検査物４の表面に酸化物が発生することや何らかの損傷が生じることに因るものではないかと、本発明者は推察した。 そして、その推察に基づいて、検査用液体５として水や純水以外の種々の液体を試した。その結果、ヘキサンやベンゼン、トルエンのような炭化水素系液体、またはメタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノールのようなアルコール系液体、もしくはアセトンやメチルエチルケトンのようなケトン類、あるいは塩化メチレンやクロロホルムのような難燃性のハロゲン系液体やフロン系不活性液体（商品名フロリナート）等を検査用液体５として用いることで、被検査物４の表面に変色や変質などを生じることなしに、十分な確実性・信頼性を以て結晶欠陥７の検出が可能となることを確認したのであった。 ここで、検査用液体５として純水を使用した場合には、水を用いた場合よりも表面の変色が少ない。これは、水中の塩素などの不純物活性イオンに被検査物４の表面の変質を加速せしめる作用があるためではないかと推測される。但し、純水を用いた場合でも、被検査物４の表面に変色が発生することもあるので、検査用液体５として水を用いること自体が好ましくないものと考えられる。 そして、検査用液体５として親水性の溶剤を用いる場合、例えば保存中や使用中に、その検査用液体５中に水分が溶け込むことがあり得るが、所定量を超えた水分が多く溶け込んでしまうと、その親水性の溶媒それ自体の特性を損ねてしまう虞もある。このため、親水性の溶剤を用いる場合には、その保存時や使用時における水分の浸入を防止するなどの配慮や品質管理を行うことが、より望ましい。 また、溶媒には可燃性のものが多く、火災防止の観点からも、取り扱いには注意を要する。その点では、塩化メチレンやクロロホルムなどのハロゲン系液体や、フロリナート（商品名）に代表されるフロン系液体は、難燃性であるという望ましい特質を有しているので、その点からも、検査用液体５として用いるのに好ましい液体である。 なお、上記のほとんどの溶媒は、所定量以上吸入すると人体に有害となり得る虞のある物質であるから、被検査物４の取り扱い時や結晶欠陥検査の作業時にそのときの作業者等が所定量以上を吸入することのないように、例えば局所排気などに注意することが望ましい。 また、上記溶媒を混ぜて使用した場合も、被検査物４の変色を防止する効果は個々の溶剤によるものであるから、上記と同様に十分な効果を得ることができる。 上記の実施の形態で説明した検査装置系を作製し、それを用いて、本発明の実施例に係る半導体単結晶中の欠陥検査方法を実施した。 ヘキサン、ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、アセトン、メチルエチルケトン、塩化メチレン、クロロホルム、フロリナート（商品名）、水（飲料水）、純水を、検査用液体５として用い、その各検査用液体５に被検査物４を浸漬した場合のそれぞれについて、７８ＭＨｚ以上の周波数の超音波６を用いて、被検査物４内の結晶欠陥７を検出する実験を行った。 被検査物４としては、ＬＥＣ（液体封止チョクラルスキー）法で成長させた砒化ガリウム単結晶を用いた。より具体的には、直径１００ｍｍの結晶インゴットから約１ｍｍ厚でウェハを切り出し、その表面を鏡面加工して、被検査物４を得た。その後、その被検査物４であるウェハ内の結晶欠陥７を、超音波６の反射波に基づいて得られる観察像によって観察・検査した。 その観察にあたっては、被検査物４であるウェハの表面における強い反射光の悪影響を避けるため、主としてウェハ裏面からの反射ピークを用いた。これは、検出しようとしている結晶欠陥７が結晶粒界もしくは亜粒界、または粒界に沿って存在する転位群であり、ウェハを上下に貫通しているものも多いことが想定されることを考慮したためである。結晶欠陥７による散乱波よりも、これらによって散乱されずに残って、裏面で反射されてきた波の方が、往復の間の散乱による影響が積分で利いているので、相対的に検出感度は高くなる。さらに、表面と裏面との間で多重に反射された超音波を利用すれば、同じ部分で複数回散乱されるので、さらに感度を増すことができる。このような実験の結果、図２に示したような１２５ＭＨｚでの観察像が得られた。 既述のような種々の液体について、超音波６を用いて被検査物４の表面状態を観察した。その結果を、表１に纏めて示す。 観察は、蛍光灯下と集光器下でそれぞれ目視にて行い、明らかに変色が認められた溶媒と、変色が観察されなかった溶媒とに区別した。 検査用液体５として、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、アセトン、メチルエチルケトン、塩化メチレン、クロロホルム、フロリナート（商品名）などの有機溶媒を用いた場合には、被検査物４の表面には変色が生じないことが確認された。他方、それとは対照的に、水、純水、エタノールと水との混合液（５０ｖｏｌ％）を検査用液体５として用いた場合には、被検査物４の表面に変色が生じた。 この実験結果から、検査用液体５として、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、アセトン、メチルエチルケトン、塩化メチレン、クロロホルム、フロリナート（商品名）などの有機溶媒を用いることで、被検査物４の表面に変色や変質などの欠陥を検査時に新たに生じせしめることなく、その被検査物４内における有害な結晶欠陥７を確実に観察・検査することが可能となることが確認された。 なお、本実施例では、被検査物４を砒化ガリウムからなるウェハとした場合について説明したが、本発明の半導体単結晶中の欠陥検査方法は半導体単結晶ウェハのような半導体単結晶からなる被検査物４に共通して適用できる技術であるから、シリコン、サファイア、炭化珪素などのような単結晶からなるウェハ全般についても、上記の実施例で説明した砒化ガリウムの場合と同様に、本発明を適用することが可能であることは勿論である。特に、シリコン、炭化珪素は、表面が酸化しやすい傾向にある材料であるから、砒化ガリウムの場合と同様に、検査用液体５中に浸漬して結晶欠陥検査を行うようにすることが望ましいことは勿論である。 ここで、周波数７８ＭＨｚ未満の超音波については、そもそも超音波散乱法では微小欠陥の観察が難しいため、検討していない。また、低周波になると各溶媒の音響インピーダンスや溶存ガスの発性など種々の不都合が生じやすくなるので、それらの不都合を個々に検討して克服することが必要である。また、キャビテーションの発生などに起因してウェハにダメージが入ることもあり得るので、７８ＭＨｚ以上の場合と同列には議論出来ない。 以上のように、本発明の実施の形態に係る半導体単結晶中の欠陥検査方法および実施例に係る半導体単結晶中の欠陥検査方法によれば、被検査物５の表面に変色や変質が発生することを回避しつつ、十分な正確さ・明確さを以て、半導体単結晶中の微細結晶欠陥を観察・検査することが出来る。 また、再洗浄などの付加工程が不要となり、製造コストの低廉化等の面でも有利となる。１ 検査槽２ 探触子３ 試料台４ 被検査物５ 検査用液体６ 超音波７ 結晶欠陥 単結晶の被検査物を、炭化水素系液体、アルコール系液体、またはケトン系液体に浸漬し、前記被検査物に対して当該被検査物内での超音波の波長が６０μｍ以下または周波数が７８ＭＨｚ以上の超音波を入射させ、当該被検査物内で反射された超音波に基づいて当該被検査物内の結晶欠陥の有無を検査することを特徴とする半導体単結晶中の欠陥検査方法。 請求項１記載の半導体単結晶中の欠陥検査方法において、 前記炭化水素系液体が、ヘキサン、ベンゼン、またはトルエンであることを特徴とする半導体単結晶中の欠陥検査方法。 請求項１記載の半導体単結晶中の欠陥検査方法において、 前記アルコール系液体が、メタノール、エタノール、プロパノール、またはブタノールであることを特徴とする半導体単結晶中の欠陥検査方法。 請求項１記載の半導体単結晶中の欠陥検査方法において、 前記ケトン系液体が、アセトンであることを特徴とする半導体単結晶中の欠陥検査方法。 単結晶の被検査物を、難燃性液体に浸漬し、前記被検査物に対して当該被検査物内での超音波の波長が６０μｍ以下または周波数が７８ＭＨｚ以上の超音波を入射させ、当該被検査物内で反射された超音波に基づいて当該被検査物内の結晶欠陥の有無を検査することを特徴とする半導体単結晶中の欠陥検査方法。 請求項５記載の半導体単結晶中の欠陥検査方法において、 前記難燃性液体が、ハロゲン系液体、またはフロン系不活性液体であることを特徴とする半導体単結晶中の欠陥検査方法。 請求項５記載の半導体単結晶中の欠陥検査方法において、 前記難燃性液体が、塩化メチレン、またはクロロホルムであることを特徴とする半導体単結晶中の欠陥検査方法。 請求項１ないし７のうちいずれか１つの項に記載の半導体単結晶中の欠陥検査方法において、 前記被検査物が、砒化ガリウム単結晶からなるものであることを特徴とする半導体単結晶中の欠陥検査方法。 請求項１ないし７のうちいずれか１つの項に記載の半導体単結晶中の欠陥検査方法において、 前記被検査物が、半絶縁性砒化ガリウムウェハであることを特徴とする半導体単結晶中の欠陥検査方法。 【課題】 半導体単結晶ウェハのような被検査物の表面に変色などの欠陥を生じせしめることなく、有害な微細結晶欠陥を確実に観察・検査することが可能な、半導体単結晶中の欠陥検査方法を提供する。【解決手段】 単結晶の被検査物４を、炭化水素系液体、アルコール系液体、またはケトン系の検査用液体５に浸漬し、前記被検査物４に対して当該被検査物４内での波長が６０μｍ以下または周波数が７８ＭＨｚ以上の超音波６を入射させ、当該被検査物４内で反射された超音波６に基づいて当該被検査物４内の結晶欠陥７の有無を検査する。【選択図】 図１