測量單晶的缺陷密度的方法
2023-07-08 20:24:56
專利名稱：測量單晶的缺陷密度的方法
技術領域：
本發明涉及一種測量單晶的缺陷密度的方法，更具體地，涉及一種測量單晶的各種類型缺陷的缺陷密度的方法。
背景技術：
半導體襯底或半導體襯底上外延膜的晶格缺陷影響電子器件例如半導體器件的特性。因此，缺陷的類型和密度就襯底品質評價而言是極其重要的指數。以下文件中描述了測量單晶的缺陷密度的不同方法。日本專利申請公開2007-318031 (JP-A-2007-318031)提出對SiC襯底或外延膜的檢查表面照射光(光致發光的光、或電致發光的光等)，以繪製出在整個檢查表面上存在的晶格缺陷(位錯例如刃型位錯、螺旋位錯和基面位錯(刃型和螺旋)、和堆垛層錯)的類型和密度。JP-A-2007-318031描述了通過缺陷形狀的圖像分析確定晶格缺陷的類型；然而其並未具體描述在何種圖像分析標準的基礎上來分析獲得的光學信息以確定缺陷類型。日本專利申請公開2008-28178 (JP-A-2008-28178)提出使用鹼性蝕刻和各向異性幹蝕刻來檢測襯底的表面和內部位錯的襯底評價方法。日本專利申請公開 2001-66122 (JP-A-2001-66122)提出一種方法，其對測量目標表面和參照表面照射來自白光源的白光，同時改變這兩個表面之間的相對距離，以改變幹涉條紋，由此測量該測量目標表面的形狀。日本專利申請公開2001-68519 (JP-A-2001-68519)描述了一種方法，其逐色分離蝕刻晶面的放大全色圖像，以產生RGB(紅色、綠色和藍色)顏色-分離圖像，然後將各顏色分離圖像的每一像素的色密度與參照色密度比較，以測量蝕刻凹陷(晶格缺陷)的密度。日本專利申請公開2006-147848 (JP-A-2006-147848)提出以非破壞性的和非接觸的方式通過光致發光方法進行半導體樣品的晶格結構缺陷的二維分布評價。日本專利申請公開
8-8315(JP-A-8-8315)描述了分布圖，其獲得的方式使得晶面以單位區域分為多個部分，並然後計數各單位區域中晶體位錯的數目。然而，所述文件均未清楚地描述測量各種類型的缺陷的缺陷密度的方法。此外，日本專利申請公開1-138449 (JP-A-1-138449)描述了將X射線分析強度轉化為缺陷數目的方法。日本專利公開3-3946描述了一種方法，其使用光聲光譜學裝置來測量通過使用間歇照射光來擴展和壓縮與樣品接觸的氣體以產生的聲波。日本專利申請公開
9-21756(JP-A-9-21756)描述了一種方法，其檢測在半導體晶片表面層上反射的漫射光，其中對半導體晶片表面層照射雷射束然後由漫射光圖像檢測表層缺陷。日本專利申請公開 2001-272340 (JP-A-2001-272340)描述了基於瑞利散射使用數據處理來測量漫射光的方法。然而，上述文件所述方法都未直接觀察缺陷。因此即使當可讀出缺陷數目時，也難以依據類型來分離缺陷類型和對每種類型的缺陷進行計數。此外，日本專利申請公開9-199560描述了由光學顯微鏡圖像測量不同的表面缺陷的密度的方法。然而，光學顯微鏡圖像為二維信息，所以難以區別異物和缺陷。
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以前，已經通過在光學顯微鏡的視野內通過視覺判斷來確定缺陷類型。該確定的精度為實用水平；然而，其耗費過多工作和時間來在大的面積例如半導體晶片上進行這種判定，所以其不實用。因此，需要能夠機械並精確地確定缺陷類型的測量缺陷密度的方法。
發明內容
本發明提供測量缺陷密度的方法，其能夠機械地並有效地確定單晶的缺陷類型。本發明的第一方面涉及測量產生於單晶中的各種類型缺陷的多個缺陷的密度的方法。所述方法包括蝕刻作為單晶的表面的觀察表面，以在各缺陷處形成蝕刻凹陷；計算在觀察表面上預定區域內存在的多個缺陷處形成的每個蝕刻凹陷的最大深度、平均深度和深度曲率；和將所測量的最大深度、平均深度和深度曲率與各自的參考值進行比較，以確定預定區域內的各缺陷的類型。利用上述結構，各蝕刻凹陷的最大深度、平均深度和深度曲率以及各蝕刻凹陷的平面形狀的重心位置和最大深度位置可通過幹涉顯微鏡、共焦雷射掃描顯微鏡等機械地測量。因此，測量值可自動地進行數據處理，以通過引入顯微鏡中的計算機或外部計算機來確定各缺陷的缺陷類型。因此，能夠非常有效地測量在大的區域例如半導體晶片上的各缺陷類型的缺陷密度，所以其非常實用。根據上述方面的方法可還包括計算預定區域內各蝕刻凹陷的平面形狀的重心位置；和計算在預定區域內形成的各蝕刻凹陷的最大深度位置，其中預定區域內各缺陷的類型可基於所測量的最大深度位置相對於所計算的各蝕刻凹陷的平面形狀的重心位置的朝向來確定。在根據上述方面的方法中，各蝕刻凹陷的平面形狀的重心位置可為由觀察表面上蝕刻凹陷的輪廓計算的幾何重心。根據上述方面的方法可還包括對垂直於預定區域內各蝕刻凹陷深度方向的橫截面進行二值化處理，以識別蝕刻凹陷。在根據上述方面的方法中，當獨立於預定區域內蝕刻凹陷的橫截面的外周輪廓的輪廓存在於所述蝕刻凹陷的外周輪廓內時，該蝕刻凹陷可被識別為兩個蝕刻凹陷。在根據上述方面的方法中，最大深度、平均深度和深度曲率可通過光學幹涉測量。在根據上述方面的方法中，各蝕刻凹陷的深度曲率可為垂直於觀察表面的橫截面的曲率或可為與橫截面近似的二次曲線的曲率。根據上述方面的方法可在多個預定區域上進行以繪製出觀察表面內各種類型缺陷的缺陷密度分布。
通過參考附圖對示例性實施方案的以下描述，本發明的上述和其它目的、特徵和優勢將變得明顯，附圖中相似的附圖標記表示相似的要素，其中圖IA和圖IB為分別顯示在SiC襯底上的SiC外延膜中觀察到的典型蝕刻凹陷的光學顯微鏡圖象和幹涉顯微鏡圖像的照片；圖2A、圖2B和圖2C為分別顯示在刃型位錯、螺旋位錯和基面位錯的各蝕刻凹陷處出現的典型幹涉條紋的幹涉顯微鏡照片；圖3A為顯示SiC單晶中各缺陷朝向的示意圖，圖:3B為顯示在SiC單晶襯底上生長的CVD外延膜的示意圖，圖3C為用於顯示缺陷分類的匯集各缺陷特徵的表格；圖4A、圖4B和圖4C為對於基於蝕刻凹陷的尺寸和平面形狀在視覺上分類的各缺陷(D、S、E、B)，分別繪出各蝕刻凹陷的最大深度、平均深度和深度曲率的圖；圖5A和圖5B分別為蝕刻凹陷的平面圖和橫截面圖；圖6A和圖6B為分別顯示在SiC襯底中觀察到的典型蝕刻凹陷的光學顯微鏡圖象和幹涉顯微鏡圖像的照片；圖7A和圖7B分別為示意地顯示圖6B中所示的交疊的蝕刻凹陷的平面圖和橫截面圖；圖8為顯示與蝕刻凹陷的平面圖中的重心和最大深度位置相關的坐標軸的示意圖；和圖9為顯示其中繪製的晶片上缺陷密度分布的實例的示意圖。
具體實施例方式以下，將詳述本發明的實施方案。在以下實施方案中，使用與晶體類型相關的最優蝕刻劑以形成蝕刻凹陷。對於SiC單晶，使用熔融Κ0Η。對於GaAs單晶，使用H2SO4和H2R 的混合溶液。將晶體浸於這些蝕刻劑中以溶解存在於晶體表面上的位錯缺陷，以形成蝕刻凹陷。在以下實施方案中，使用幹涉顯微鏡通過作為非接觸三維測量的幹涉顯微鏡來測量蝕刻凹陷的三維形狀。幹涉顯微鏡照射白光到樣品表面，並在來自樣品表面的反射光和來自參照表面的反射光之間產生幹涉。當幹涉顯微鏡的物鏡沿垂直(高度，蝕刻凹陷深度)方向移動時，在樣品光程距離與參照表面光程距離一致的部位處，幹涉波形的振幅最大。深度顯示解析度達到O.Olnm。通過幹涉波形的峰位計算樣品表面上的高度。在C⑶相機的所有像素中進行相同操作。如此，每次可在一個視野內獲得樣品表面的三維形狀。通過上述操作，每次可在一個視野中獲得多個蝕刻凹陷的深度信息。首先，將描述第一實施方案。本實施方案使用的樣品使得通過CVD裝置在SiC襯底(矽表面，斜角8度)上外延生長厚度為ΙΟμπι的SiC膜。將KOH試劑放進鉬坩堝中，並在帶有調溫器的電爐中加熱。在檢查KOH通過熱熔化並隨後將熔體溫度穩定在490°C之後，使用鉬夾將單獨預熱的樣品浸於該熔體中。三分鐘後取出樣品並用水充分清洗。然後，將樣品乾燥並通過光學顯微鏡和幹涉顯微鏡進行觀察。圖IA顯示典型的蝕刻凹陷的光學顯微鏡圖象。圖IB顯示幹涉顯微鏡圖像。圖IB 顯示通過觀察圖IA中的框所包圍的區域獲得的圖像。比例因子為50倍放大率。圖2A至圖2C所示的幹涉條紋表現為圍繞在圖IB中觀察到的凹陷的內壁上的各最大深度位置的環形輪廓。圖2A至圖2C分別顯示刃型位錯、螺旋位錯和基面位錯的觀察的實例。如該附圖所示，位錯可分為三種類型，即A 刃型位錯和B 螺旋位錯以及C 基面位錯的組。即，基面位錯的最大深度位置朝向與其它位錯的側相反的側偏移。刃型位錯和螺旋位錯通過位錯尺寸而彼此區分。即，螺旋位錯大於刃型位錯。
圖3A至圖3C顯示包括微管的晶體缺陷的分類。圖3A顯示在4H_SiC晶體中的各缺陷的朝向。圖3B顯示在4H-SiC襯底(斜角8度)10上外延生長的4H_SiC膜20中的晶體缺陷。圖3C為說明分類缺陷的表格。圖:3B上側處示意地顯示在外延層表面上出現的蝕刻凹陷的平面形狀。產生基面位錯，使得在SiC外延膜中的位錯(螺旋位錯或刃型位錯)在SiC襯底的表面上得到反射，並然後再次出現在SiC膜的表面上。雖然基面位錯的類別與螺旋位錯和刃型位錯的類別不同，但是基面位錯對於SiC單晶的特性具有大的不利作用。因此，基面位錯的類別在時間方面上是必需和重要的。由於上述反射，最大深度位置朝向與其它類型的位錯相反的側偏移，所以基面位錯可與其它類型的位錯區分開。 在幹涉顯微鏡的視野內，對蝕刻凹陷在視覺上進行分類。蝕刻凹陷根據凹陷尺寸分類為D、S和E，並通過最大深度位置的朝向分類為B。這些類別對應於D 螺旋位錯(柏格斯(Burgers)矢量=2C)，S 螺旋位錯(柏格斯矢量=C)，E 刃型位錯，和B 基面位錯。測量同一樣品的七個視野，並在圖4A至圖4C的圖中，對於基於蝕刻凹陷的尺寸和平面形狀在視覺上分類的各缺陷D、S、E和B，繪製各蝕刻凹陷的最大深度、平均深度和深度曲率。結果匯總示於表1中。表1圖IB所示圖像的測量結果
權利要求
1.一種測量產生於單晶中的各種類型缺陷的多個缺陷的密度的方法，其特徵在於包括蝕刻作為所述單晶的表面的觀察表面，以在各缺陷處形成蝕刻凹陷； 計算在所述觀察表面上預定區域內存在的多個缺陷處形成的各蝕刻凹陷的最大深度、 平均深度和深度曲率；和將所測量的最大深度、平均深度和深度曲率與各自的參考值進行比較，以確定所述預定區域內的各缺陷的類型。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括計算所述預定區域內各所述蝕刻凹陷的平面形狀的重心位置；和計算在所述預定區域內形成的各所述蝕刻凹陷的最大深度位置，其中所述預定區域內各缺陷的類型基於所測量的最大深度位置相對於所計算的各蝕刻凹陷的平面形狀的重心位置的朝向來確定。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中各蝕刻凹陷的平面形狀的重心位置為由所述觀察表面上蝕刻凹陷的輪廓計算的幾何重心。
4.根據權利要求1或2所述的方法，還包括對垂直於所述預定區域內各蝕刻凹陷深度方向的橫截面進行二值化處理，以識別所述蝕刻凹陷。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，當獨立於所述預定區域內蝕刻凹陷的橫截面的外周輪廓的輪廓存在於所述蝕刻凹陷的外周輪廓內時，該蝕刻凹陷被識別為兩個蝕刻凹陷。
6.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述最大深度、平均深度和深度曲率是通過光學幹涉測量的。
7.根據權利要求1 6中任一項所述的方法，其中各蝕刻凹陷的深度曲率為垂直於所述觀察表面的橫截面的曲率。
8.根據權利要求7所述的方法，其中各蝕刻凹陷的深度曲率為與所述橫截面近似的二次曲線的曲率。
9.一種繪製觀察表面內各種類型缺陷的缺陷密度分布的方法，其特徵在於包括在多個所述預定區域上實施根據權利要求1 8中任一項所述的方法。
全文摘要
一種測量存在於單晶中的各種類型缺陷的多個缺陷的密度的方法，包括蝕刻作為單晶表面的觀察表面，以在各缺陷處形成蝕刻凹陷；計算在觀察表面上預定區域內存在的多個缺陷處形成的各蝕刻凹陷的最大深度、平均深度和深度曲率；和將測量的最大深度、平均深度和深度曲率與參考值比較，以確定預定區域內部各缺陷的類型。
文檔編號G01N21/896GK102362171SQ201080012974
公開日2012年2月22日 申請日期2010年3月10日 優先權日2009年3月24日
發明者北川克一, 新谷良智 申請人:豐田自動車株式會社