JP2010278363A - Crystal defect detecting method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体基板中などに存在する微小な結晶欠陥を検出して評価する方法に関する。 The present invention relates to a method for detecting and evaluating minute crystal defects existing in a semiconductor substrate or the like.
Ｓｉ単結晶等の半導体材を基板として用いたＬＳＩにおいて、結晶欠陥は、ＬＳＩ製造プロセスの様々な段階で問題となり、素子の特性や信頼性に影響を与える。特に、微細化の進展するＬＳＩプロセスでは、信頼性向上、歩留り向上を図る上で、欠陥制御は重要であり研究が行われている。 In an LSI using a semiconductor material such as Si single crystal as a substrate, crystal defects become a problem at various stages of the LSI manufacturing process and affect the characteristics and reliability of the element. In particular, defect control is important and researched for improving reliability and yield in an LSI process where miniaturization advances.
従来、結晶欠陥の一種である酸素析出欠陥の最も簡便な評価法として、薬液による選択エッチングが採用されていた。しかし、この薬液による選択エッチングは、欠陥サイズが１．０μｍ程度ないとピットとして顕在化しない。 Conventionally, selective etching with a chemical solution has been adopted as the simplest evaluation method for oxygen precipitation defects, which are a kind of crystal defects. However, this selective etching with a chemical solution does not manifest as pits unless the defect size is about 1.0 μm.
より微小な酸素析出物の評価法としては、赤外レーザーを用いた方法（赤外レーザー明視野干渉法；ＯＰＰ:Optical Precipitate Profiler，赤外トモグラフ法）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等がある。しかし、赤外レーザーを用いた方法ではウエハ１枚を評価するのに２時間程度要してしまう。また、赤外レーザーを用いた方法では、原理的に深さ方向の分解能が２μｍ程度しかない。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）は、数ｎｍ程度の極微小な欠陥を検出できるが、試料作製に大変な手間がかかり、欠陥密度が１０１０ｃｍ−３以上でないと観測が困難である。 Methods for evaluating finer oxygen precipitates include a method using an infrared laser (infrared laser bright-field interferometry; OPP: Optical Precipitate Profiler, infrared tomography method), a transmission electron microscope (TEM), and the like. . However, in the method using an infrared laser, it takes about 2 hours to evaluate one wafer. Further, in the method using an infrared laser, in principle, the resolution in the depth direction is only about 2 μm. A transmission electron microscope (TEM) can detect a very small defect of about several nanometers, but it takes a lot of time to prepare a sample, and observation is difficult unless the defect density is 10 10 cm −3 or more.
本出願人は、薬液による選択エッチングや赤外レーザーを用いた方法では検出できない微小な酸素析出欠陥を検出可能とし、また、簡易にこのような欠陥検出が可能な方法を、特許文献１に提案している。 The present applicant proposes in Patent Document 1 a method capable of detecting minute oxygen precipitation defects that cannot be detected by selective etching using a chemical solution or a method using an infrared laser, and capable of easily detecting such defects. is doing.
上記特許文献１では、結晶欠陥に対して高選択比であるエッチングをすることで結晶欠陥を頂点とした突起を形成することで、感度良くかつ簡易に結晶欠陥を検出することができる。しかし、半導体ウエハの大面積化が進んでおり、より大面積の半導体ウエハなどに対し、より効率的に欠陥検査を実行することが望まれる。 In Patent Document 1, a crystal defect can be detected with high sensitivity and easily by forming a projection having the crystal defect at the apex by etching with a high selectivity to the crystal defect. However, the area of semiconductor wafers has been increasing, and it is desired to perform defect inspection more efficiently for larger-area semiconductor wafers and the like.
また、半導体装置の低コスト化への一層の要求が進む中、欠陥検査についても、より少なく簡易で工程数の少ないことが望まれる。例えば、検査に用いるエッチングガスの除害処理数をできるだけ減らすことなどが望まれる。 In addition, while further demands for cost reduction of semiconductor devices are progressing, it is desired that defect inspection is also simpler and requires fewer steps. For example, it is desired to reduce the number of etching gas removal treatments used for inspection as much as possible.
本発明は、大面積の半導体材であっても、その微小な結晶欠陥を簡便かつ高精度に評価する。 The present invention evaluates minute crystal defects simply and with high accuracy even for a semiconductor material having a large area.
上記目的を達成するために、本発明に係る結晶欠陥検出方法は、少なくともＣｌ２とＯ２とを含むエッチングガスにより、結晶欠陥検出対象となる半導体材に含まれる結晶欠陥に対して、高選択比の異方性エッチングを行って、エッチング底面に、前記半導体材中の結晶欠陥を頂点として形成されていく半導体材突起を露出させ、結晶欠陥を該半導体材突起に基づいて顕在化させて検出する。 In order to achieve the above object, a crystal defect detection method according to the present invention is highly selective for crystal defects contained in a semiconductor material to be crystal defect detected by an etching gas containing at least Cl 2 and O 2. By performing anisotropic etching of the ratio, the semiconductor material protrusion formed with the crystal defect in the semiconductor material as the apex is exposed on the bottom surface of the etching, and the crystal defect is revealed based on the semiconductor material protrusion and detected. To do.
本発明の他の態様では、上記結晶欠陥検出方法において、エッチング室への前記Ｃｌ２の流量７に対し、前記Ｏ２の流量は、約０．６から約１の範囲に設定されている。 In another aspect of the present invention, in the crystal defect detection method, the O 2 flow rate is set in a range of about 0.6 to about 1 with respect to the Cl 2 flow rate 7 to the etching chamber.
本発明の他の態様では、上記結晶欠陥検出方法において、エッチングガスは、さらにＳＦ６を含み、前記エッチング室への前記ＳＦ６の流量は、前記Ｏ２の流量の２分の１以下から０より大きい範囲に設定されている。 In another aspect of the present invention, in the above-mentioned crystal defect detecting method, the etching gas further comprises a SF 6, the flow rate of the SF 6 into the etching chamber, from less than half of the flow rate of the O 2 0 It is set to a larger range.
本発明の他の態様では、上記結晶欠陥検出方法において、エッチングガスは、さらにＳＦ６を含み、前記エッチング室への前記Ｃｌ２の流量７に対し、前記Ｏ２の流量は、約０．６以上約１．０以下の範囲、前記ＳＦ６の流量は、０より多く約０．４以下の範囲に設定されている。 In another aspect of the present invention, in the crystal defect detection method, the etching gas further includes SF 6 , and the flow rate of O 2 is about 0.6 relative to the flow rate 7 of Cl 2 to the etching chamber. The range of about 1.0 or less and the flow rate of the SF 6 are set in the range of more than 0 and about 0.4 or less.
本発明の他の態様では、上記結晶欠陥検出方法において、前記エッチングを行うエッチング室内の圧力は、２０ｍＴｏｒｒ以上３０ｍＴｏｒｒ以下に設定されている。 In another aspect of the present invention, in the crystal defect detection method, the pressure in the etching chamber for performing the etching is set to 20 mTorr or more and 30 mTorr or less.
本発明の他の態様では、上記結晶欠陥検出方法において、前記エッチングを行うエッチング室内に配置されるカソード電極温度は、５０℃以上９０℃未満に設定されている。 In another aspect of the present invention, in the crystal defect detection method, a temperature of the cathode electrode disposed in the etching chamber in which the etching is performed is set to 50 ° C. or higher and lower than 90 ° C.
本発明の他の態様では、上記結晶欠陥検出方法において、前記エッチングを行う前に、前記半導体材に対し、３時間以上１６時間以下の熱処理を施す。 In another aspect of the present invention, in the crystal defect detection method, the semiconductor material is subjected to heat treatment for 3 hours or more and 16 hours or less before performing the etching.
以上示したように、本発明の結晶欠陥検出方法では、半導体材に対し、少なくともＣｌ２とＯ２とを含むエッチングガスを用いたエッチングを実行することで、結晶欠陥に対して高選択比であり、かつ結晶欠陥を頂点とした突起形状を維持しながら、エッチング底面に結晶欠陥に起因した錐体状の突起を精度良く形成することができる。このため、面積の大きい半導体材に対しても、得られた突起に基づいて結晶欠陥の検出を実行することができる。 As described above, in the crystal defect detection method of the present invention, the semiconductor material is etched using an etching gas containing at least Cl 2 and O 2 , so that the crystal defect has a high selectivity. In addition, while maintaining the projection shape having the crystal defect at the top, the cone-shaped projection due to the crystal defect can be accurately formed on the etching bottom surface. For this reason, it is possible to detect a crystal defect even on a semiconductor material having a large area based on the obtained protrusion.
また、さらにエッチングガスにＳＦ６を加えることもできる。酸素析出欠陥やエッチング反応物である半導体材の酸化物のエッチング速度、検出感度を調整することができる。 It is also possible to add SF 6 further etching gas. It is possible to adjust the etching rate and detection sensitivity of the oxide of the semiconductor material that is an oxygen precipitation defect or an etching reaction product.
以下、本発明の好適な実施の形態（以下、実施形態という）について図面を参照して説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
図１は、本実施形態に係る欠陥検出原理を示し、図２は、結晶欠陥評価手順、図３は、得られる突起に基づいて、結晶欠陥の表面から深さ（位置）を求める方法を示す。 FIG. 1 shows the defect detection principle according to the present embodiment, FIG. 2 shows a crystal defect evaluation procedure, and FIG. 3 shows a method for obtaining the depth (position) from the surface of the crystal defect based on the obtained protrusion. .
本実施形態において、半導体材としては、Ｓｉウエハ（以下、Ｓｉ試料）を用い、このＳｉ試料内に存在する結晶欠陥をこの結晶欠陥に対して高選択比のドライエッチングを施すことで、図１に示すように結晶欠陥を頂点とする錐体状の突起をエッチング底面に露出させていく。 In the present embodiment, as a semiconductor material, a Si wafer (hereinafter referred to as a Si sample) is used, and crystal defects existing in the Si sample are subjected to dry etching with a high selection ratio with respect to the crystal defects. As shown in FIG. 4, the cone-shaped projections having the crystal defects as apexes are exposed on the bottom surface of the etching.
エッチングは、具体的には、ＲＩＥ（reactive ion etching）法を採用する。エッチングガスとしては、Ｓｉ試料内に存在する酸素析出欠陥や、空洞欠陥などの欠陥に対し、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）に対してエッチングレートが低く（選択比が高く）、かつ結晶欠陥を頂点とした突起形状を維持する機能を備えたガスを用いる。このようなエッチングガスとして、本実施形態では、少なくとも塩素（Ｃｌ２）ガスと酸素（Ｏ２）ガスとを採用する。塩素ガスは、Ｓｉ試料に対するエッチング機能を備える。酸素ガスは、結晶欠陥に対して高選択比でありかつＳｉ試料に対する異方性エッチング機能を備え、結晶欠陥を頂点とする突起の側面にシリコン酸化層を形成して、突起形状を維持する機能を有する。また、シリコン酸化物のエッチング機能を備える六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスを採用し、結晶欠陥の検出感度やノイズ（エッチング生成物の付着による欠陥に起因しない突起の形成）を調整することも可能である。 Specifically, RIE (reactive ion etching) is employed for the etching. The etching gas has a low etching rate (high selectivity) with respect to silicon oxide (SiO 2 ) with respect to defects such as oxygen precipitation defects and cavity defects present in the Si sample, and the top of the crystal defects. The gas having the function of maintaining the protruding shape is used. In this embodiment, at least chlorine (Cl 2 ) gas and oxygen (O 2 ) gas are used as such etching gas. Chlorine gas has an etching function for Si samples. Oxygen gas has a high selectivity to crystal defects and has an anisotropic etching function for Si samples, and functions to maintain the shape of the protrusion by forming a silicon oxide layer on the side of the protrusion with the crystal defect at the top. Have In addition, sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas having a silicon oxide etching function is adopted to adjust the detection sensitivity and noise of crystal defects (formation of protrusions not caused by defects due to adhesion of etching products). Is possible.
以下、本実施形態に係る欠陥検出の方法について説明する。まず、結晶欠陥の顕在化エッチングの前には、Ｓｉ試料に対して熱処理を施す（Ｓ１）。この熱処理により、図１（ａ）及び（ｂ）のように欠陥核から酸素析出欠陥を析出させる。この熱処理は、処理時間が長いほど、酸素析出欠陥核から成長する欠陥数及び面積も大きくなる。その結果、エッチングによって酸素析出欠陥を頂点として形成される突起の数が増え、また突起の先端面積が大きくなる。よって、処理時間を長くすることで検出感度を高めることができる。Ｓｉ試料中に含まれると想定される酸素濃度に起因した酸素析出欠陥濃度が低い場合や、検出対象となるＳｉ試料が実用時に長時間の熱処理に晒される可能性がある場合など、高感度の欠陥検出が要求される場合には、熱処理時間を長くすることが好適である。 Hereinafter, the defect detection method according to the present embodiment will be described. First, before the crystal defect revealing etching, the Si sample is heat-treated (S1). By this heat treatment, oxygen precipitation defects are deposited from the defect nuclei as shown in FIGS. In this heat treatment, the longer the treatment time, the larger the number and area of defects grown from oxygen precipitation defect nuclei. As a result, the number of protrusions formed with the oxygen precipitation defect as a vertex by etching increases, and the tip end area of the protrusion increases. Therefore, detection sensitivity can be increased by increasing the processing time. High sensitivity, such as when the oxygen precipitation defect concentration due to the oxygen concentration assumed to be contained in the Si sample is low, or when the Si sample to be detected may be exposed to long-term heat treatment in practical use When defect detection is required, it is preferable to lengthen the heat treatment time.
この熱処理は、少なくとも３時間以上実行することが好適であり、例えば４時間以上とすると後述するように非常に高い検出精度が実現される。一方、Ｓｉ試料中の酸素濃度が高い場合などには、熱処理時間が長すぎると結晶欠陥を頂点とする突起が重なってしまい、欠陥数や密度の評価精度に影響を与える。また検出処理時間全体が長くなるため、例えば、１６時間程度以下とすることが好ましい。なお、この工程は、熱処理を実施しない状態のＳｉ試料を評価する場合には省略する。 This heat treatment is preferably performed for at least 3 hours. For example, when the heat treatment is performed for 4 hours or more, extremely high detection accuracy is realized as described later. On the other hand, when the oxygen concentration in the Si sample is high, if the heat treatment time is too long, the projections having the crystal defects as apexes overlap, which affects the evaluation accuracy of the number of defects and the density. Moreover, since the whole detection processing time becomes long, it is preferable to set it as about 16 hours or less, for example. This step is omitted when evaluating a Si sample that is not subjected to heat treatment.
熱処理後、結晶欠陥検出エッチングの前には、熱処理時にＳｉ試料の表面に形成された自然酸化膜を除去する（Ｓ２）。自然酸化膜の除去は、一例として、ＣＦ４ガスを用いたＲＩＥ方法によって実行することができる。ＨＦ液などのウエットエッチングによって除去することも可能であるが、ドライエッチング、特に、ＲＩＥ法によって除去することで、採用するエッチングガスを変更すれば後述する結晶欠陥の顕在化のためのエッチングとエッチング装置を共用することができる。 After the heat treatment and before the crystal defect detection etching, the natural oxide film formed on the surface of the Si sample during the heat treatment is removed (S2). For example, the removal of the natural oxide film can be performed by an RIE method using CF 4 gas. Although it can be removed by wet etching such as HF solution, it can be removed by dry etching, especially by RIE, and etching and etching for revealing crystal defects to be described later can be performed by changing the etching gas employed. Devices can be shared.
本実施形態では、以上のように自然酸化膜を除去した後、結晶欠陥顕在化のためのエッチングを実行する（図１（ｃ）、（ｄ）および図２のＳ３）。 In the present embodiment, after the natural oxide film is removed as described above, etching for revealing crystal defects is performed (FIGS. 1C and 1D and S3 in FIG. 2).
結晶欠陥顕在化のためのエッチングガスは、上記のように、少なくともＣｌ２ガス、Ｏ２ガスを採用する。ガス組成は、エッチング室への流量比で表現すると、例えば、Ｃｌ２流量７に対し、Ｏ２流量約０．６以上〜１．０以下の範囲に設定することが好適である。さらに、ＳＦ６流量は、上記Ｃｌ２流量９に対し、０以上〜約０．４以下の範囲とする。ＳＦ６流量は、Ｏ２流量４−５に対しては２〜０の範囲と、２分の１以下とする。なお、ＳＦ６流量を０とするとは、即ち、エッチングガスとしてＳＦ６を含有しないことである。 As described above, at least Cl 2 gas and O 2 gas are used as the etching gas for revealing crystal defects. When the gas composition is expressed as a flow ratio to the etching chamber, for example, it is preferable to set the O 2 flow rate within a range of about 0.6 to 1.0 with respect to the Cl 2 flow rate 7. Further, the SF 6 flow rate is in the range of 0 to about 0.4 with respect to the Cl 2 flow rate 9. The SF 6 flow rate is in the range of 2 to 0 and less than half of the O 2 flow rate 4-5. Note that the SF 6 flow rate is 0, that is, SF 6 is not contained as an etching gas.
塩素ガスは、Ｓｉ結晶を選択的にエッチングする作用を備える。 Chlorine gas has the effect of selectively etching Si crystals.
酸素ガスは、結晶欠陥に対して高選択比であり、かつＳｉ試料に対する異方性エッチング機能を備え、エッチング室内において、半導体材であるシリコンと反応して、シリコン酸化物を形成し、反応生成物（ＳｉＯ２）が、結晶欠陥を頂点として形成される錐体状突起の側面に付着する。上記塩素ガスを主体とする異方性エッチングにおいて、この錐体側面に付着した反応生成物が保護膜として機能することで、エッチングが進んでも錐体形状が維持される。 Oxygen gas has a high selectivity to crystal defects and has an anisotropic etching function for Si samples. It reacts with silicon, which is a semiconductor material, in the etching chamber to form silicon oxide, resulting in a reaction product. objects (SiO 2) is deposited on the side surface of the cone-shaped projection formed crystal defects as the vertex. In the anisotropic etching mainly composed of chlorine gas, the reaction product adhering to the side surface of the cone functions as a protective film, so that the cone shape is maintained even if etching proceeds.
また、六フッ化硫黄ガスは、シリコン酸化物のエッチング機能を備えており、このガスを採用することで酸化物のエッチングレートを高めることができる。よって、六フッ化硫黄ガスの濃度により結晶欠陥の顕在化エッチングの感度調整をすることができる。ここで、シリコン酸化物のエッチング機能を備えるガスとして、従来より用いられているＮＦ３を採用すると、エッチング反応物の除害のために、塩素ガスとは別の除害工程が必要となる。しかし、この六フッ化硫黄ガスは、エッチング反応物の除害を、上記塩素ガスによって生ずる反応物の除害と同時に実行することができる。 Further, the sulfur hexafluoride gas has a silicon oxide etching function, and the oxide etching rate can be increased by using this gas. Therefore, the sensitivity of the crystal defect revealing etching can be adjusted by the concentration of the sulfur hexafluoride gas. Here, when NF 3 which has been conventionally used is adopted as a gas having a silicon oxide etching function, a detoxification step different from chlorine gas is required for detoxification of etching reaction products. However, this sulfur hexafluoride gas can perform the detoxification of the etching reactant simultaneously with the detoxification of the reactant caused by the chlorine gas.
エッチング室内の圧力は、数１０ｍＴｏｒｒ（数Ｐａ）以下の低い圧力においてＲＩＥの反応性イオンの平均自由行程が長くなってイオンの運動方向が揃い、エッチングの異方性が高くなる。よって、結晶欠陥を頂点とした突起の形成に好適である。しかし、圧力が低くなると、プラズマ気相中の、反応生成物（結晶欠陥を頂点とした突起部に堆積し、エッチングから保護する膜を形成する）の密度が低下するため、欠陥を保護する膜の堆積速度が低下し、検出感度の低下を招く場合がある。よって、エッチング室内圧力は、例えば、２０ｍＴｏｒｒ（２．６７Ｐａ）以上、３０ｍＴｏｒｒ（４．０Ｐａ）以下、より好適には２１ｍＴｏｒｒ（２．７９Ｐａ）以上、２５ｍＴｏｒｒ（３．３３Ｐａ）以下に設定する。 When the pressure in the etching chamber is a low pressure of several tens of mTorr (several Pa) or less, the mean free path of reactive ions in RIE becomes long, the direction of ion movement becomes uniform, and etching anisotropy increases. Therefore, it is suitable for forming a projection having a crystal defect as a vertex. However, when the pressure is lowered, the density of reaction products in the plasma gas phase (deposited on protrusions with crystal defects as the apex to form a film that protects from etching) decreases, so that the film that protects the defects In some cases, the deposition rate of the liquid drops, leading to a decrease in detection sensitivity. Therefore, the pressure in the etching chamber is set to, for example, 20 mTorr (2.67 Pa) or more and 30 mTorr (4.0 Pa) or less, more preferably 21 mTorr (2.79 Pa) or more and 25 mTorr (3.33 Pa) or less.
エッチング室内に配置されるカソード電極温度は、５０℃程度から９０℃未満が好適である。本実施形態において、ＲＩＥ装置のカソード電極の上には、エッチング対象となるＳｉ試料が配置されるため、カソード電極温度はＳｉ試料の温度に大きな影響を与える。そして、このカソード電極温度が高くなると、反応生成物の側壁への付着量が減少するため、反応ガスの分解が進み、側壁保護膜の形成速度が低下し突起の底角が大きくなり、急峻な突起が得られる。一方で、温度が高すぎると突起形状の維持が難しくなるが、結晶欠陥密度の高い試料においては、突起の底角が大きくなることから、結晶欠陥の測定分解能が改善される。よって、カソード電極温度は、５０℃〜７０℃程度までの間に設定することが好適である。 The temperature of the cathode electrode disposed in the etching chamber is preferably about 50 ° C. to less than 90 ° C. In the present embodiment, since the Si sample to be etched is disposed on the cathode electrode of the RIE apparatus, the cathode electrode temperature greatly affects the temperature of the Si sample. When the cathode electrode temperature increases, the amount of reaction product adhering to the side wall decreases, so the decomposition of the reaction gas proceeds, the side wall protective film formation rate decreases, the base angle of the protrusion increases, and the steepness increases. Protrusions are obtained. On the other hand, if the temperature is too high, it is difficult to maintain the shape of the protrusions. However, in a sample with a high crystal defect density, the base angle of the protrusions is increased, so that the crystal defect measurement resolution is improved. Therefore, the cathode electrode temperature is preferably set between about 50 ° C. and about 70 ° C.
エッチングソースのパワー（Ｗ:ワット）は、７５０Ｗ〜８２５Ｗ程度の間に設定することが好適である。ソースパワーを増加することにより、プラズマ中の電子密度が増加し、ガスの解離が促進されるため、反応性の強いプラズマとなる。従って、ソースパワーを高くするほどＳｉのエッチング速度が速くなるが、一方で反応を阻害する反応生成物のプラズマ内密度も増加するため、側壁の保護膜が厚くなり突起の底角は小さくなる。８２５Ｗを超過する場合には、Ｓｉのエッチングも停止してしまう。また、ソースパワー増加による電子密度の増加は、プラズマのシース領域（ウエハとバルクプラズマ間）の電位差を小さくする効果があり、ウエハに入射されるイオンのエネルギーを下げる効果がある。この結果、物理的なイオンスパッタリングを抑制できるため、結晶欠陥の検出感度は増加する。 The power (W: Watt) of the etching source is preferably set between 750 W and 825 W. Increasing the source power increases the electron density in the plasma and promotes gas dissociation, resulting in a highly reactive plasma. Accordingly, the higher the source power, the faster the Si etching rate. On the other hand, the plasma density of reaction products that inhibit the reaction also increases, so that the protective film on the side wall becomes thicker and the base angle of the protrusion becomes smaller. When it exceeds 825 W, the etching of Si is also stopped. An increase in electron density due to an increase in source power has the effect of reducing the potential difference between the plasma sheath regions (between the wafer and the bulk plasma), and has the effect of reducing the energy of ions incident on the wafer. As a result, since physical ion sputtering can be suppressed, the detection sensitivity of crystal defects increases.
エッチングを行う装置には、市販されているものが利用可能であり、例えばチャンバ（エッチング室）において、３００ｍｍ以上のシリコンウエハを投入して全面を一括エッチングすることができるものが好適である。そして、本実施形態では、結晶欠陥顕在化エッチングとして、上記条件を採用することにより、例えば３００ｍｍ直径のウエハ全面に対し、同時、同一条件で、高感度に結晶欠陥を頂点とした突起を形成し、結晶欠陥を顕在化することが可能となる。 A commercially available apparatus can be used as the etching apparatus. For example, an apparatus capable of batch etching the entire surface by introducing a silicon wafer of 300 mm or more in a chamber (etching chamber) is preferable. In this embodiment, by adopting the above conditions as the crystal defect revealing etching, for example, on the entire surface of a wafer having a diameter of 300 mm, a projection having the top of the crystal defect is formed with high sensitivity under the same conditions at the same time. It becomes possible to reveal crystal defects.
結晶欠陥を頂点とした突起を形成した後、この突起に基づいて結晶欠陥の検出処理を実行するが、突起形状の正確な検出を可能とするため、本実施形態では、この検出処理前に、錐体側面に形成されている側壁保護膜を除去する（Ｓ４）。側壁保護膜の除去は、例えば、希フッ酸を用いたウエットエッチングにより行うことができる。但し、この保護膜の除去処理は、省略することもできる。 After forming the projection with the crystal defect at the apex, the crystal defect detection process is executed based on the projection, but in order to enable accurate detection of the projection shape, in this embodiment, before this detection process, The side wall protective film formed on the side surface of the cone is removed (S4). The removal of the sidewall protective film can be performed by, for example, wet etching using dilute hydrofluoric acid. However, the protective film removal process can be omitted.
保護膜を除去した後、錐体状突起を捕捉して観察を行い、例えば、突起の底面部の大きさを評価する（Ｓ５）。この突起の捕捉、観察には、光学顕微鏡、ＳＥＭ等が用いられる。光学顕微鏡によって試料をその上方（エッチング方向）から観察し、データ処理装置やパーティクルカウンタ等により、錐体状の突起のエッチング露出面内の数を計測することができる。また、例えば光学顕微鏡やＳＥＭ等で得た画像データから錐体の底面の径（円錐の場合は直径、円錐以外の錐体の場合は辺の長さ又は底面の斜辺の長さ）ｄを計測することもできる。 After removing the protective film, the cone-shaped projections are captured and observed, and for example, the size of the bottom surface of the projection is evaluated (S5). An optical microscope, SEM, or the like is used for capturing and observing the protrusions. The sample can be observed from above (etching direction) with an optical microscope, and the number of cone-shaped projections on the etching exposed surface can be measured with a data processing device, a particle counter, or the like. Also, for example, the diameter d of the bottom surface of the cone is measured from image data obtained with an optical microscope, SEM, etc. (diameter in the case of a cone, side length in the case of a cone other than a cone, or the length of the hypotenuse of the bottom surface) d You can also
錐体の底角θについても光学顕微鏡やＳＥＭを用いて測定することができる。なお、Ｓｉ試料に施す高選択比異方性エッチングの条件が同じであれば、このエッチングによって結晶欠陥を頂点として形成される錐体状の突起の底角θは、錐体の大きさによらずほぼ一定となる。よって、行われた異方性エッチング条件に対応する錐体底角θが既知の場合には、ＳＥＭ等を利用した底角θの算出処理は、必ずしも必要ではない。 The base angle θ of the cone can also be measured using an optical microscope or SEM. If the conditions of the high selectivity anisotropic etching applied to the Si sample are the same, the base angle θ of the cone-shaped projection formed with the crystal defect as the apex by this etching depends on the size of the cone. Almost constant. Therefore, when the cone base angle θ corresponding to the performed anisotropic etching condition is known, the calculation process of the base angle θ using SEM or the like is not necessarily required.
エッチング前の半導体材の表面からのエッチング深さＤは、図１に示すようにエッチング時にＳｉ試料の表面の一部が残るようにマスクし、表面からエッチング露出面までの距離を測定することで求めるか、または用いるエッチングガスに応じた既知のエッチング速度と、処理したエッチング時間とから演算により求める。以上のように、得られた計測、演算値を用い、図３に示すような算出原理に基づき、下記式（１）
ＸＯＸ＝Ｄ−（ｄ／２）ｔａｎθ ・・・（１）
を演算することにより、結晶欠陥の表面からの深さ（位置）ＸＯＸを求める。
The etching depth D from the surface of the semiconductor material before etching is determined by measuring the distance from the surface to the etching exposed surface by masking so that a part of the surface of the Si sample remains at the time of etching as shown in FIG. It is calculated | required by calculation from the known etching rate according to the etching gas to be used, and the processed etching time. As described above, based on the calculation principle shown in FIG. 3 using the obtained measurement and calculation values, the following formula (1)
X OX = D− (d / 2) tan θ (1)
Is calculated to obtain the depth (position) X OX from the surface of the crystal defect.
このような手法の採用により、平面方向における分布の他、深さ方向における結晶欠陥の分布を求めることができる。得られた結果は、プリンタやモニタなどの出力装置に出力され（Ｓ６）、評価者は、その出力結果から結晶欠陥の分布などを知ることができ、結晶欠陥評価を行うことができる。 By adopting such a method, in addition to the distribution in the planar direction, the distribution of crystal defects in the depth direction can be obtained. The obtained result is output to an output device such as a printer or a monitor (S6), and the evaluator can know the distribution of crystal defects from the output result, and can perform crystal defect evaluation.
図４は、本実施形態に係る高選択比エッチング条件によって、１６時間の熱処理（８００℃）を実行したＳｉ試料に対し、結晶欠陥顕在化エッチングを施した場合のＳｉ試料のエッチング露出面のＳＥＭ写真である。エッチング条件は、Ｃｌ２（Ｏ２ガスの流量の９倍）、Ｏ２（基準流量）、ＳＦ６（Ｏ２ガスの流量の１／１０倍）、エッチング室圧力２５ｍＴｏｒｒ、ソースパワー７５０Ｗ、カソード電極温度５０℃とした。なお、この写真に示される試料は側壁保護膜は付着したままの状態である。 FIG. 4 is an SEM of the etching exposed surface of the Si sample when crystal defect revealing etching is performed on the Si sample that has been subjected to the heat treatment (800 ° C.) for 16 hours under the high selectivity etching condition according to the present embodiment. It is a photograph. Etching conditions are Cl 2 (9 times the flow rate of O 2 gas), O 2 (reference flow rate), SF 6 (1/10 times the flow rate of O 2 gas), etching chamber pressure 25 mTorr, source power 750 W, cathode electrode The temperature was 50 ° C. In the sample shown in this photograph, the side wall protective film remains attached.
図４の写真はエッチング露出面の拡大像である。図４にも示されるように、錐体状の突起は、その先端が良好に残っており、また錐体形状も維持され、突起の高さによらず、底角θがほぼ一致している。したがって、底面の大きさｄと、底角θに基づいてその突起の高さを求めれば、結晶欠陥の深さＸＯＸを正確に求めることができる。 The photograph in FIG. 4 is an enlarged image of the etching exposed surface. As shown in FIG. 4, the tip of the cone-shaped protrusion remains well and the shape of the cone is maintained, and the base angle θ is substantially the same regardless of the height of the protrusion. . Therefore, if the height of the protrusion is obtained based on the size d of the bottom surface and the base angle θ, the crystal defect depth X OX can be obtained accurately.
また、上記条件で３００ｍｍ直径のＳｉウエハを高選択比異方性エッチングを実行し、エッチング底面の平坦度を測定すると底面全体での誤差は±３％以内であり、３００ｍｍというような大面積の半導体材に対する結晶欠陥検出方法として、上述のような高選択比異方性エッチングが有効である。 In addition, when a silicon wafer having a diameter of 300 mm is subjected to high-selectivity anisotropic etching on the above conditions and the flatness of the etching bottom surface is measured, the error in the entire bottom surface is within ± 3%, and a large area such as 300 mm is obtained. As a method for detecting crystal defects in a semiconductor material, the above-described high selectivity anisotropic etching is effective.
図５は、Ｓｉ試料中の結晶欠陥（酸素析出欠陥、空洞欠陥）に起因して高選択比異方性エッチングによって形成される錐体状突起の先端部分のＳＥＭ写真による観察図の一例を示している。図５（ａ）は、Ｓｉ試料中に存在する空洞欠陥に起因した突起の先端を示す。明確に現れてはいないが、円錐状突起の先端において、２つの４角錐がその底角付近で互いに接合した形状の窪みが形成されている。また、図５（ｂ）は、Ｓｉ試料中に存在する板状の酸素析出物に起因した突起の先端を示す。図５（ｂ）に示す突起の先端は、窪まずに平板形状を維持している。 FIG. 5 shows an example of an observation view by SEM photograph of the tip portion of the cone-shaped protrusion formed by high selective anisotropic etching due to crystal defects (oxygen precipitation defects, cavity defects) in the Si sample. ing. FIG. 5A shows the tip of the protrusion due to the cavity defect existing in the Si sample. Although it does not appear clearly, a recess having a shape in which two quadrangular pyramids are joined to each other near the base angle is formed at the tip of the conical protrusion. FIG. 5B shows the tip of the protrusion due to the plate-like oxygen precipitates present in the Si sample. The tips of the protrusions shown in FIG. 5B maintain a flat plate shape without being recessed.
Ｓｉ試料に酸素析出欠陥や空洞欠陥が存在する場合、本実施形態にかかる高選択異方性エッチングを実行すると、図６（ａ）に示すように、まずこの欠陥４０を頂点として錐体状突起４０ｅが形成される。欠陥４０がエッチングによりなくなると、その時点のエッチング露出面１０ｅ１から更にエッチング露出面１０ｅ２に向かってエッチングが進むと、側壁は侵食されずに錐体が更に掘り進められていくこととなる。この際、突起４０ｅの先端４２は、突起４０ｅの最上面から錐体の内部に向かい、結晶欠陥４０の種類に応じた形状に選択的にエッチングが進む。この突起４０ｅの先端部４２の形状は、欠陥の種別に応じて異なり、例えば、シリコン結晶の＜１１０＞面に沿った酸素析出欠陥の場合、図５（ｂ）に示されるような四角錐となる。シリコン結晶の＜１１１＞に沿った空洞欠陥の場合は、図５（ａ）に示されるような四角錐が２つ接合したような八面体構造となる。さらに、平板状の酸素析出欠陥で欠陥４０が残留する場合には、この平板を頂点として突起が形成されるため、突起の先端は図５（ｂ）のような平面となる。 When there is an oxygen precipitation defect or a cavity defect in the Si sample, when the highly selective anisotropic etching according to the present embodiment is performed, first, as shown in FIG. 40e is formed. When the defect 40 is removed by etching, when the etching further proceeds from the etching exposed surface 10e1 toward the etching exposed surface 10e2, the side wall is not eroded and the cone is further dug. At this time, the tip 42 of the protrusion 40e is directed from the uppermost surface of the protrusion 40e toward the inside of the cone, and the etching selectively proceeds into a shape corresponding to the type of the crystal defect 40. The shape of the tip 42 of the protrusion 40e differs depending on the type of defect. For example, in the case of an oxygen precipitation defect along the <110> plane of a silicon crystal, the shape of a square pyramid as shown in FIG. Become. In the case of a cavity defect along <111> of the silicon crystal, an octahedral structure in which two quadrangular pyramids are joined as shown in FIG. Further, when a defect 40 remains due to a flat oxygen precipitation defect, a protrusion is formed with this flat plate as an apex, so that the tip of the protrusion becomes a flat surface as shown in FIG.
以上のように、突起の形状が維持される結晶欠陥顕在化エッチング条件を採用することで、Ｓｉ試料中の結晶欠陥の分布だけでなく、突起の先端形状の観察から結晶欠陥の種別を判定することが可能となる。また、結晶欠陥の種別毎の深さ方向及びＳｉ試料の平面方向での分布を求めることもできる。 As described above, by adopting the crystal defect revealing etching condition in which the shape of the protrusion is maintained, the type of crystal defect is determined not only from the distribution of the crystal defect in the Si sample but also from the observation of the tip shape of the protrusion. It becomes possible. It is also possible to obtain the distribution in the depth direction for each type of crystal defect and the plane direction of the Si sample.
以下、結晶欠陥エッチング条件についての実施例及びその評価について説明する。 Hereinafter, examples of crystal defect etching conditions and evaluation thereof will be described.
下記表１に、エッチング前の熱処理時間を３時間、４時間、８時間、１６時間とした場合のＳｉ試料に対し、Ｏ２ガスの流量、ＳＦ６ガスの流量及びエッチング室内の圧力条件を変化させた場合の結晶欠陥顕在化エッチングの結果を示す。 In Table 1 below, the flow rate of O 2 gas, the flow rate of SF 6 gas, and the pressure conditions in the etching chamber are changed for Si samples when the heat treatment time before etching is 3 hours, 4 hours, 8 hours, and 16 hours. The result of crystal defect revealing etching in the case of being made is shown.
（評価１：Ｏ２ガス及びＳＦ６ガスの流量）
表１（ａ）において、Ｏ２ガスの流量は、基準流量（±０）、基準流量より−１０％、−２０％に設定した。この場合のＣｌ２ガス流量はＯ２ガスの基準流量の９倍（Ｃｌ２ガスの基準流量）、ＳＦ６ガス流量はＯ２ガスの基準流量の１／１０（ＳＦ６ガスの基準流量）としている。また、エッチング室内の圧力は２５ｍＴｏｒｒ、カソード電極温度は５０℃、ソースパワーは７５０Ｗである。
(Evaluation 1: Flow rate of O 2 gas and SF 6 gas)
In Table 1 (a), the flow rate of O 2 gas was set to −10% and −20% from the reference flow rate (± 0) and the reference flow rate. In this case, the Cl 2 gas flow rate is 9 times the O 2 gas reference flow rate (Cl 2 gas reference flow rate), and the SF 6 gas flow rate is 1/10 of the O 2 gas reference flow rate (SF 6 gas reference flow rate). Yes. The pressure in the etching chamber is 25 mTorr, the cathode electrode temperature is 50 ° C., and the source power is 750 W.
表１（ａ）から、３時間の熱処理のＳｉ試料に対しては、いずれのＯ２ガス流量条件の場合も、突起（ＢＭＤ：bulk micro defects）は観察できない（ＢＭＤ−ａ［３ｈ］）。しかし、４時間の熱処理のＳｉ試料（ＢＭＤ−ｂ［４ｈ］）に対しては、Ｏ２ガス±０の場合、結晶欠陥に起因した突起の存在とその形状が確認できた（△）。但し、他のＯ２ガス流量の条件では、確認できなかった（×）。 From Table 1 (a), protrusions (BMD: bulk micro defects) cannot be observed (BMD-a [3h]) for any Si gas sample subjected to heat treatment for 3 hours under any O 2 gas flow rate condition. However, with respect to the Si sample (BMD-b [4h]) subjected to the heat treatment for 4 hours, in the case of O 2 gas ± 0, the presence and shape of protrusions due to crystal defects could be confirmed (Δ). However, it could not be confirmed under other O 2 gas flow rate conditions (×).
８時間の熱処理のＳｉ試料（ＢＭＤ−ｃ［８ｈ］）に対しては、Ｏ２ガス流量±０、流量−１０％の場合、結晶欠陥に起因した突起の存在及びその形状が良く確認でき（○）、流量−２０％の場合にも、存在の確認ができた（△）。１６時間の熱処理のＳｉ試料（ＢＭＤ−ｄ［１６ｈ］）に対しては、いずれのＯ２ガス基準流量±０、−１０％、−２０％の場合についても、結晶欠陥に起因した突起の存在が良く確認できた（○）。 For the Si sample (BMD-c [8h]) heat-treated for 8 hours, the presence and shape of protrusions due to crystal defects can be well confirmed when the O 2 gas flow rate is ± 0 and the flow rate is −10%. ○), even when the flow rate was −20%, the presence could be confirmed (Δ). For Si sample (BMD-d [16h]) heat-treated for 16 hours, the presence of protrusions due to crystal defects at any O 2 gas reference flow rate ± 0, −10%, −20% Was well confirmed (○).
表１（ｂ）は、ＳＦ６ガスの流量についてＳＦ６ガスの基準流量（±０）、基準流量より−１００％（０：供給しない）、＋１５０％（２．５倍）、＋３００％（４倍）に設定してエッチングした結果を示す。Ｃｌ２ガス流量はその基準流量（Ｏ２ガス流量の９倍）、Ｏ２ガス流量はその基準流量、エッチング室内の圧力は２５ｍＴｏｒｒ、カソード電極温度は５０℃、ソースパワーは７５０Ｗである。 Table 1 (b) shows the SF 6 gas flow rate with respect to the SF 6 gas reference flow rate (± 0), −100% (0: not supplied), + 150% (2.5 times), + 300% (4 times the reference flow rate). The result of etching is shown. Cl 2 gas flow rate to the reference flow rate (9 times the O 2 gas flow rate), O 2 gas flow rate to the reference flow rate, the pressure in the etch chamber is 25 mTorr, the cathode electrode temperature is 50 ° C., the source power is 750W.
表１（ｂ）から、ＳＦ６ガスの流量は、供給しない場合が最も感度が良く、３時間熱処理のＳｉ試料においても突起の存在が確認された。このＳＦ６ガスの流量は、増えるほど結晶欠陥に起因した突起の側壁保護膜のエッチングが進むため、突起が検出されにくくなる。 From Table 1 (b), the flow rate of SF 6 gas was most sensitive when not supplied, and the presence of protrusions was also confirmed in the Si sample that was heat-treated for 3 hours. As the flow rate of the SF 6 gas increases, the etching of the side wall protective film of the protrusion caused by crystal defects proceeds, so that the protrusion becomes difficult to detect.
図７（ａ）〜（ｄ）は、上記Ｏ２ガスとＳＦ６ガスの流量比を変更してエッチングを行った場合のＳｉ試料のＳＥＭ写真を示している。なお、図７（ａ）〜（ｄ）のそれぞれにおいて、右側の写真は左側よりも高倍率で観察したＳＥＭ写真である。なお、図７の各Ｓｉ試料のエッチングにおいて、熱処理時間は１６時間、Ｃｌ２ガス流量はその基準流量、エッチング室内の圧力は２５ｍＴｏｒｒ、カソード電極温度は５０℃、ソースパワーは７５０Ｗである。 7A to 7D show SEM photographs of the Si sample when etching is performed by changing the flow ratio of the O 2 gas and the SF 6 gas. In each of FIGS. 7A to 7D, the right-side photograph is an SEM photograph observed at a higher magnification than the left-hand side. In the etching of each Si sample in FIG. 7, the heat treatment time is 16 hours, the Cl 2 gas flow rate is the reference flow rate, the pressure in the etching chamber is 25 mTorr, the cathode electrode temperature is 50 ° C., and the source power is 750 W.
図７（ａ）、（ｂ）の比較から理解できるように、Ｏ２ガス流量がその基準流量で一定の場合に、ＳＦ６ガスが増加すると、突起の先端がエッチング除去され、また突起の錐体形状は維持されにくくなる。このため、ＳＦ６ガス流量が少ない方が結晶欠陥の検出感度を高めることができることが分かる。 As can be understood from the comparison between FIGS. 7A and 7B, when the SF 6 gas increases when the O 2 gas flow rate is constant at the reference flow rate, the tip of the protrusion is removed by etching, and the protrusion cone The body shape is difficult to maintain. For this reason, it can be seen that the smaller the SF 6 gas flow rate, the higher the crystal defect detection sensitivity.
図７（ｃ）、（ｄ）のようにＳＦ６ガスを０とし、Ｏ２ガス流量を減少させた場合、Ｏ２ガス流量の少ない図７（ｄ）の方が、突起の先端部分のエッチングが進行する。これは、Ｏ２ガスが錐体の側壁保護層の形成量に影響を及ぼすためと考えられる。 FIG. 7 (c), the a 0 to SF 6 gas as (d), if the reduced O 2 gas flow rate, towards the O 2 gas flow rate less FIG 7 (d) is, the etching of the tip portion of the projection Progresses. This is presumably because the O 2 gas affects the formation amount of the side wall protective layer of the cone.
図８は、Ｏ２ガスが結晶欠陥検出エッチングに及ぼす影響を、その流量を増加させて評価した結果を示す。この評価では、図８（ａ）に示すようにＯ２ガス流量を基準流量（±０）とし、＋１０％、＋２０％と増加させた。図８（ｂ）、（ｃ）はそれぞれＯ２ガス流量が基準流量の場合、＋１０％としてＳｉ試料をエッチングした後の試料の上面ＳＥＭ写真である。 FIG. 8 shows the results of evaluating the influence of O 2 gas on crystal defect detection etching by increasing its flow rate. In this evaluation, as shown in FIG. 8A, the O 2 gas flow rate was set to the reference flow rate (± 0) and increased to + 10% and + 20%. FIGS. 8B and 8C are upper surface SEM photographs of the sample after etching the Si sample as + 10% when the O 2 gas flow rate is the reference flow rate.
図８（ｂ）と比較すると分かるように、図８（ｃ）では、紙面上、試料の中央上よりにシミ状の領域が確認される。このシミ状の領域は、Ｏ２ガスが過多になることで、本来欠陥の無い領域にＯ２ガスとＳｉとの反応物であるシリコン酸化物が付着した領域である。 As can be seen from comparison with FIG. 8B, in FIG. 8C, a spot-like region is confirmed on the paper surface and on the center of the sample. This stain-like region, by the O 2 gas is excessive, a region where the silicon oxide is deposited which is a reaction product of O 2 gas and Si in a region free of inherent defects.
Ｏ２ガス流量が＋２０％の場合は、図８（ｃ）よりもさらに多くの反応物の付着が確認された。 When the O 2 gas flow rate was + 20%, more reactants were confirmed to be attached than in FIG.
上述のように、Ｏ２ガスは、突起の側壁保護膜を形成し、突起の形状を維持する上で重要であるが、流量が多くなると、余分な反応酸化物を生じ、誤検出の原因となる。このため、本実施形態の例では、Ｏ２ガス流量は、上述のようにＣｌ２ガス流量７に対し、０．６〜約１の範囲とすることが好適である。 As described above, the O 2 gas is important in forming the sidewall protective film of the protrusion and maintaining the shape of the protrusion. However, when the flow rate is increased, an excessive reactive oxide is generated, which is a cause of erroneous detection. Become. For this reason, in the example of the present embodiment, the O 2 gas flow rate is preferably in the range of 0.6 to about 1 with respect to the Cl 2 gas flow rate 7 as described above.
なお、図８の評価において、Ｃｌ２ガス流量は基準流量、ＳＦ６ガス流量は０（−１００％）とし、さらに、エッチング室内の圧力２５ｍＴｏｒｒ、ソースパワー７５０Ｗ、カソード電極温度５０℃の条件を採用している。 In the evaluation of FIG. 8, the Cl 2 gas flow rate is the reference flow rate, the SF 6 gas flow rate is 0 (−100%), and the conditions of the pressure in the etching chamber are 25 mTorr, the source power is 750 W, and the cathode electrode temperature is 50 ° C. is doing.
Ｓｉ試料など半導体材が例えば３００ｍｍよりも大きくなった場合、エッチングガスの内の上記Ｏ２ガスは、シリコン酸化物の原料となるシリコンのエッチング室内での存在量が増えることとなる。よって、この場合には、エッチングガスの内のＯ２ガス流量を減らすことが好適である。減らさずにＳＦ２流量を増やしてもよい。 When a semiconductor material such as a Si sample becomes larger than, for example, 300 mm, the amount of the O 2 gas in the etching gas increases in the etching chamber of silicon that is a raw material of silicon oxide. Therefore, in this case, it is preferable to reduce the flow rate of O 2 gas in the etching gas. The SF 2 flow rate may be increased without decreasing.
（評価２：エッチング室内の圧力）
次に、エッチング室内の圧力についての評価結果を説明する。上述の表１（ｃ）には、熱処理３時間、４時間、８時間、１６時間の各Ｓｉ試料に対し、結晶欠陥検出エッチング時におけるエッチング室内の圧力を変更した結果を示す。圧力は、２５ｍＴｏｒｒを基準（±０）とし、−２ｍＴｏｒｒ（２３ｍＴｏｒｒ）、−４ｍＴｏｒｒ（２１ｍＴｏｒｒ）とした。表１（ｃ）に示すように、いずれの圧力においても結晶欠陥の検出が可能であるが、減少すると結晶欠陥の検出感度が低下する傾向を示すことが分かる。なお、表１（ｃ）の評価時における他の条件については、Ｃｌ２ガス流量は基準流量（Ｏ２ガスの９倍）、Ｏ２ガス流量は基準流量、ＳＦ６ガス流量は０とし、ソースパワー７５０Ｗ、カソード電極温度５０℃の条件を採用した。
(Evaluation 2: Pressure in the etching chamber)
Next, the evaluation result about the pressure in the etching chamber will be described. Table 1 (c) above shows the results of changing the pressure in the etching chamber during the crystal defect detection etching for each of the Si samples for 3 hours, 4 hours, 8 hours, and 16 hours of heat treatment. The pressure was set to 25 mTorr as a reference (± 0), −2 mTorr (23 mTorr), and −4 mTorr (21 mTorr). As shown in Table 1 (c), although it is possible to detect a crystal defect at any pressure, it can be seen that when it decreases, the detection sensitivity of the crystal defect tends to decrease. Note that the other conditions at the time of evaluation in Table 1 (c), (9 times the O 2 gas) Cl 2 gas flow rate reference flow rate, O 2 gas flow rate as a reference flow rate, SF 6 gas flow rate 0, the source The conditions of power 750 W and cathode electrode temperature 50 ° C. were adopted.
次に、圧力を増大させた場合の影響について、表２を参照して説明する。 Next, the effect of increasing the pressure will be described with reference to Table 2.
表２において、Ｓｉ試料としては、１６時間の熱処理をしたウエハを用い、エッチングガスは、Ｃｌ２ガス流量（基準流量）、Ｏ２ガス流量（基準流量）、ＳＦ６ガス流量０とし、ソースパワーは７５０Ｗ、カソード電極温度は５０℃とした。この条件の下、表２（ｄ）のように、エッチング室内の圧力について２５ｍＴｏｒｒを基準（±０）とし、＋２ｍＴｏｒｒ（２７ｍＴｏｒｒ）、＋４ｍＴｏｒｒ（２９ｍＴｏｒｒ）とした。 In Table 2, a wafer that has been heat-treated for 16 hours is used as the Si sample, and the etching gas is a Cl 2 gas flow rate (reference flow rate), an O 2 gas flow rate (reference flow rate), and an SF 6 gas flow rate of 0. Was 750 W, and the cathode electrode temperature was 50 ° C. Under these conditions, as shown in Table 2 (d), the pressure in the etching chamber was set to +2 mTorr (27 mTorr) and +4 mTorr (29 mTorr), with 25 mTorr being the reference (± 0).
ここで、表２の○×表記は、本来欠陥のない領域が、Ｏ２とＳｉとの反応副生成物により、エッチングが阻害されてしまわないかどうかを示す。すなわち、×は、本来Ｓｉがエッチングされるべき結晶欠陥のない領域にて、エッチングが進行しなくなってしまうことから、欠陥検出に用いることができないプロセス領域を意味する。 Here, the notation “X” in Table 2 indicates whether or not etching is hindered by a reaction byproduct of O 2 and Si in a region that is originally free from defects. In other words, x means a process region that cannot be used for defect detection because etching does not proceed in a region where Si originally has no crystal defect to be etched.
従って、表２（ｄ）から、欠陥検出に用いるプロセスは、基準条件より、圧力は+２ｍＴｏｒｒ未満とすべきことがわかる。 Therefore, it can be seen from Table 2 (d) that the pressure used in the defect detection process should be less than +2 mTorr based on the reference conditions.
（評価３：エッチングソースパワー、カソード電極温度の評価）
反応性イオンをエッチング室内に供給するソースパワーの評価結果を上記表２（ｅ）に示す。表２（ｅ）において、ソースパワー７５０Ｗを基準とし（±０）、他の条件については一定として、パワーを＋７５Ｗ（８２５Ｗ）、＋１５０Ｗ（９００Ｗ）とした。この結果、ソースパワーは、基準条件より＋１５０Ｗ未満とすべきことがわかる。
(Evaluation 3: Evaluation of etching source power and cathode electrode temperature)
The evaluation results of the source power for supplying reactive ions into the etching chamber are shown in Table 2 (e). In Table 2 (e), the source power was set to +75 W (825 W) and +150 W (900 W) with a source power of 750 W as a reference (± 0) and other conditions being constant. As a result, it can be seen that the source power should be less than +150 W from the reference condition.
また、エッチング室内で、エッチングする試料を配置するカソード電極温度の評価結果は、上記表２（ｆ）に示す。表２（ｆ）において、カソード電極温度は５０℃を基準とし（±０）、他の条件については一定として、エッチング室内のヒータを動作させることでカソード電極温度を＋２０℃（７０℃）、＋４０℃（９０℃）として評価した。ここで、カソード電極温度は、このカソード電極の上に搭載されるＳｉ試料の温度に対応する。そして、表２（ｆ）から、カソード電極温度は、基準温度（５０℃）より＋４０℃未満とすべきことが理解できる。 The evaluation results of the cathode electrode temperature at which the sample to be etched is arranged in the etching chamber are shown in Table 2 (f) above. In Table 2 (f), the cathode electrode temperature is based on 50 ° C. (± 0), and other conditions are constant, and the cathode electrode temperature is + 20 ° C. (70 ° C.), +40 by operating the heater in the etching chamber. It was evaluated as ° C (90 ° C). Here, the cathode electrode temperature corresponds to the temperature of the Si sample mounted on the cathode electrode. From Table 2 (f), it can be understood that the cathode electrode temperature should be less than + 40 ° C. from the reference temperature (50 ° C.).
図９は、結晶欠陥を頂点とした突起の底角θ（テーパ角）と、上記ソースパワー（Ｘ）及びカソード電極温度（Ｙ）との関係を、各熱処理時間のＳｉ試料（ＢＭＤ−ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を用いて評価した結果を示す。なお、図中「Ｙ＝ＯＦＦ」は、ヒータをオフさせ、カソード電極温度を基準の５０℃としたことを表している。図９において、ソースパワー、カソード電極温度及び熱処理時間以外の条件は固定であり、Ｃｌ２ガス流量（基準流量）、Ｏ２ガス流量（基準流量）、ＳＦ６ガス流量０とし、エッチング室内の圧力は、２５ｍＴｏｒｒとしている。図９（ａ）は、ソースパワー７５０Ｗ、カソード電極温度５０℃とした場合の各Ｓｉ試料の突起のＳＥＭ写真、図９（ｂ）は、カソード電極温度は５０℃で、ソースパワーを８２５Ｗ（＋７５Ｗ）とした場合の各Ｓｉ試料の突起のＳＥＭ写真である。図９（ａ），（ｂ）の条件によってエッチングして得られる突起の底角θは、概ね同一であり、底角θに対してソースパワーの及ぼす影響は比較的低いことが分かる。 FIG. 9 shows the relationship between the base angle θ (taper angle) of the protrusion with the crystal defect as the apex, the source power (X), and the cathode electrode temperature (Y), and the Si samples (BMD-a, The result evaluated using b, c, d) is shown. In the figure, “Y = OFF” represents that the heater was turned off and the cathode electrode temperature was set to 50 ° C. as a reference. In FIG. 9, conditions other than the source power, cathode electrode temperature, and heat treatment time are fixed, and the Cl 2 gas flow rate (reference flow rate), the O 2 gas flow rate (reference flow rate), and the SF 6 gas flow rate are 0, and the pressure in the etching chamber. Is 25 mTorr. FIG. 9A is an SEM photograph of the protrusions of each Si sample when the source power is 750 W and the cathode electrode temperature is 50 ° C., and FIG. 9B is the cathode electrode temperature of 50 ° C. and the source power is 825 W (+75 W). ) Is an SEM photograph of the protrusion of each Si sample. It can be seen that the base angle θ of the protrusions obtained by etching under the conditions of FIGS. 9A and 9B is substantially the same, and the influence of the source power on the base angle θ is relatively low.
図９（ｃ）は、ソースパワーは７５０Ｗとし、カソード電極温度を７０℃（＋２０℃）とした場合の各Ｓｉ試料の突起のＳＥＭ写真である。図９（ｃ）と、上記図９（ａ）との比較から、カソード電極温度が上昇すると、いずれの熱処理時間のＳｉ試料の突起についても、底角θが大きくなり、かつ、熱処理時間の異なるＳｉ試料での突起の底角θの差が小さくなることが理解できる。 FIG. 9C is an SEM photograph of the protrusions of each Si sample when the source power is 750 W and the cathode electrode temperature is 70 ° C. (+ 20 ° C.). From a comparison between FIG. 9C and FIG. 9A, when the cathode electrode temperature rises, the base angle θ increases and the heat treatment time differs for the protrusions of the Si sample at any heat treatment time. It can be understood that the difference in the base angle θ of the protrusions in the Si sample becomes small.
以上の結果から、ソースパワーは８２５Ｗ以下、カソード電極温度は７０℃以下で適正に結晶欠陥顕在化エッチングを実行することができると共に、カソード電極温度により結晶欠陥の検出分解能を調整できることが理解できる。得られる底角θが大きいと、突起の底面積を小さくできる。よって、Ｓｉ試料中の酸素濃度が高く、多数の結晶欠陥が存在する場合などにおいても、複数の突起が重なりにくく、多数の結晶欠陥のそれぞれを頂点として独立した形状の突起を形成しやすくなる。このため、検出感度を向上させることができる。 From the above results, it can be understood that the crystal defect revealing etching can be properly performed at a source power of 825 W or less and a cathode electrode temperature of 70 ° C. or less, and the detection resolution of crystal defects can be adjusted by the cathode electrode temperature. When the obtained base angle θ is large, the bottom area of the protrusion can be reduced. Therefore, even when the oxygen concentration in the Si sample is high and a large number of crystal defects exist, a plurality of protrusions are difficult to overlap, and it becomes easy to form protrusions having independent shapes with each of the large number of crystal defects as vertices. For this reason, detection sensitivity can be improved.
（評価４：熱処理時間）
次に、エッチング処理前にＳｉ試料に対して実行する熱処理時間について説明する。図１０は、共通のエッチング条件を採用し、エッチング前に実行する熱処理時間をそれぞれ３時間（図１０（ａ））、４時間（同（ｂ））、８時間（同（ｃ））、１６時間（同（ｄ））としたＳｉ試料のエッチング後の上面を撮影した写真である。なお、エッチング条件は、Ｃｌ２ガス流量（基準流量）、Ｏ２ガス流量（基準流量）、ＳＦ６ガス流量０、エッチング室内の圧力２５ｍＴｏｒｒ、ソースパワー７５０Ｗ、カソード電極温度５０℃とした。
(Evaluation 4: Heat treatment time)
Next, the heat treatment time performed on the Si sample before the etching treatment will be described. FIG. 10 employs common etching conditions, and heat treatment times performed before etching are 3 hours (FIG. 10 (a)), 4 hours (same (b)), 8 hours (same (c)), 16 It is the photograph which image | photographed the upper surface after the etching of Si sample made into time (same (d)). The etching conditions were Cl 2 gas flow rate (reference flow rate), O 2 gas flow rate (reference flow rate), SF 6 gas flow rate 0, pressure in the etching chamber 25 mTorr, source power 750 W, and cathode electrode temperature 50 ° C.
図１０（ａ）〜（ｄ）のいずれも、シリコンウエハの中心から同心円状に複数の筋が存在していることが把握できる。結晶欠陥を頂点とした突起が複数形成された領域が、この筋として観察され、ウエハの面内にこれらの写真に示されるような同心円状に結晶欠陥が発生している。また、熱処理時間が長くなるほどその筋の濃さが増しており、熱処理によって酸素析出欠陥核が欠陥として広がることが把握できる。また、この結果から、半導体プロセス中で発生しうる結晶欠陥の検出精度を高める必要がある場合には、結晶欠陥検出エッチングの前に行う熱処理時間を長くすることが有効であることが理解できる。 In any of FIGS. 10A to 10D, it can be understood that a plurality of stripes exist concentrically from the center of the silicon wafer. A region in which a plurality of projections with crystal defects as apexes is formed is observed as the streaks, and the crystal defects are generated concentrically as shown in these photographs in the plane of the wafer. Further, the longer the heat treatment time is, the thicker the stripes are, and it can be understood that the oxygen precipitation defect nuclei spread as defects by the heat treatment. In addition, it can be understood from this result that it is effective to increase the heat treatment time before the crystal defect detection etching when it is necessary to increase the detection accuracy of the crystal defects that may occur in the semiconductor process.
また、図１０の結果から、エッチング後のＳｉ試料表面の観察を行うことで結晶欠陥の試料の平面方向の分布を簡単に検出することができることがわかる。なお、図１０の各Ｓｉ試料の表面を上述のように拡大し、個別の突起形状（高さ、底角、先端形状）を観察することで試料の深さ方向への分布、欠陥種別などを評価することができる。 Further, it can be seen from the results of FIG. 10 that the distribution of crystal defects in the plane direction of the sample can be easily detected by observing the surface of the Si sample after etching. In addition, the surface of each Si sample of FIG. 10 is expanded as described above, and the distribution in the depth direction of the sample, the defect type, and the like are observed by observing individual protrusion shapes (height, base angle, tip shape). Can be evaluated.
１０ 半導体材（Ｓｉ試料）、４０ 結晶欠陥、４０ｅ 結晶欠陥に起因した突起、４２ 突起の先端部。 10 Semiconductor material (Si sample), 40 Crystal defect, 40e Projection caused by crystal defect, 42 Tip of projection.
Claims (7)
少なくともＣｌ２とＯ２とを含むエッチングガスにより、結晶欠陥検出対象となる半導体材に含まれる結晶欠陥に対して、高選択比の異方性エッチングを行って、エッチング底面に、前記半導体材中の結晶欠陥を頂点として形成されていく半導体材突起を露出させ、
結晶欠陥を該半導体材突起に基づいて顕在化させて検出することを特徴とする結晶欠陥検出方法。 A crystal defect detection method comprising:
An etching gas containing at least Cl 2 and O 2 is used to perform high-selectivity anisotropic etching on crystal defects contained in a semiconductor material that is a crystal defect detection target. The semiconductor material projections that are formed with the crystal defects of
A crystal defect detection method, characterized by detecting a crystal defect based on the semiconductor material protrusion.
エッチング室への前記Ｃｌ２の流量７に対し、前記Ｏ２の流量は、約０．６から約１の範囲に設定されていることを特徴とする結晶欠陥検出方法。 The crystal defect detection method according to claim 1,
2. The crystal defect detection method according to claim 1, wherein the flow rate of O 2 is set in a range of about 0.6 to about 1 with respect to the flow rate 7 of Cl 2 to the etching chamber.
エッチングガスは、さらにＳＦ６を含み、
前記エッチング室への前記ＳＦ６の流量は、前記Ｏ２の流量の２分の１以下から０より大きい範囲に設定されていることを特徴とする結晶欠陥検出方法。 The crystal defect detection method according to claim 1,
The etching gas further contains SF 6
The crystal defect detection method, wherein a flow rate of the SF 6 to the etching chamber is set in a range of less than or equal to a half of the flow rate of the O 2 and greater than 0.
エッチングガスは、さらにＳＦ６を含み、
前記エッチング室への前記Ｃｌ２の流量７に対し、前記Ｏ２の流量は、約０．６以上約１．０以下の範囲、前記ＳＦ６の流量は、０より多く約０．４以下の範囲に設定されていることを特徴とする結晶欠陥検出方法。 The crystal defect detection method according to claim 1,
The etching gas further contains SF 6
The flow rate of O 2 is in the range of about 0.6 or more and about 1.0 or less, and the flow rate of SF 6 is more than 0 and about 0.4 or less with respect to the Cl 2 flow rate 7 to the etching chamber. A crystal defect detection method characterized by being set in a range.
前記エッチングを行うエッチング室内の圧力は、２０ｍＴｏｒｒ以上３０ｍＴｏｒｒ以下に設定されていることを特徴とする結晶欠陥検出方法。 In the crystal defect detection method according to any one of claims 1 to 4,
A crystal defect detection method, wherein a pressure in an etching chamber for performing the etching is set to 20 mTorr or more and 30 mTorr or less.
前記エッチングを行うエッチング室内に配置されるカソード電極温度は、５０℃以上９０℃未満に設定されていることを特徴とする結晶欠陥検出方法。 In the crystal defect detection method according to any one of claims 1 to 5,
A crystal defect detection method, wherein a temperature of a cathode electrode disposed in an etching chamber for performing the etching is set to 50 ° C. or higher and lower than 90 ° C.
前記エッチングを行う前に、前記半導体材に対し、３時間以上１６時間以下の熱処理を施すことを特徴とする結晶欠陥検出方法。 In the crystal defect detection method according to any one of claims 1 to 6,
A crystal defect detection method, wherein the semiconductor material is subjected to heat treatment for 3 hours to 16 hours before the etching.
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