JP6124287B2 - Method for inspecting silicon carbide substrate or silicon carbide semiconductor element, and method for manufacturing silicon carbide substrate or silicon carbide semiconductor element - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法及び炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for inspecting a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element and a method for manufacturing a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element.
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコンと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているシリコン単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。炭化珪素の単結晶を製造する方法としては、昇華法やＣＶＤ法が用いられている。 Silicon carbide (SiC) is a semiconductor that has excellent physical properties such as a band gap of about 3 times, a saturation drift velocity of about 2 times, and a breakdown electric field strength of about 10 times that of silicon, and a large thermal conductivity. Therefore, it is expected as a material for realizing a next-generation high-voltage / low-loss semiconductor device that greatly surpasses the performance of currently used silicon single crystal semiconductors. As a method for producing a single crystal of silicon carbide, a sublimation method or a CVD method is used.
炭化珪素は、通常の圧力では液相を持たず、また、昇華温度が極めて高いこと等から、従来の昇華法やＣＶＤ法により、転位や積層欠陥等の結晶欠陥を含まないような高品質の結晶成長を行うことが困難である。 Silicon carbide does not have a liquid phase at normal pressure and has a very high sublimation temperature. Therefore, silicon carbide does not contain crystal defects such as dislocations and stacking faults by conventional sublimation methods and CVD methods. It is difficult to perform crystal growth.
現在市販されている炭化珪素基板には、１０２cm−２〜１０３cm−２程度のｃ軸方向に伝播する貫通らせん転位、１０２cm−２〜１０４cm−２程度のｃ軸方向に伝播する貫通刃状転位、１０２cm−２〜１０４cm−２程度のｃ軸と垂直方向に伝播する転位（基底面転位）が存在している。これらの転位密度は、その基板の品質によって大きく異なる。 Currently available silicon carbide substrates include threading screw dislocations propagating in the c-axis direction of about 10 2 cm −2 to 10 3 cm −2 and c-axis direction of about 10 2 cm −2 to 10 4 cm −2. There exist dislocations (basal plane dislocations) propagating in the direction perpendicular to the c-axis of about 10 2 cm −2 to 10 4 cm −2 . These dislocation densities vary greatly depending on the quality of the substrate.
炭化珪素基板に内在しているこれらの転位は、基板上にエピタキシャル膜を成長させる際に、このエピタキシャル膜中に伝播する。このとき、一部の転位は、エピタキシャル膜中に伝播する際にその伸張方向（伝播方向）を変える場合もあることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。 These dislocations inherent in the silicon carbide substrate propagate into the epitaxial film when the epitaxial film is grown on the substrate. At this time, it is known that some dislocations may change the extension direction (propagation direction) when propagating into the epitaxial film (for example, see Non-Patent Document 1).
例えば、基底面転位（以下、ＢＰＤとも称する。）は、基板の表面にその一端若しくは両端が現れている。その基板にエピタキシャル膜を結晶成長させると、基板内のＢＰＤの多くは基板とエピタキシャル膜との界面近傍で貫通刃状転位（以下、ＴＥＤとも称する。）に転換され、ＢＰＤの一部はＢＰＤのままエピタキシャル膜中に伝播する。 For example, basal plane dislocation (hereinafter also referred to as BPD) has one or both ends appearing on the surface of the substrate. When an epitaxial film is grown on the substrate, most of the BPD in the substrate is converted into threading edge dislocations (hereinafter also referred to as TED) near the interface between the substrate and the epitaxial film, and a part of the BPD is a BPD. Propagates into the epitaxial film as it is.
このようなＢＰＤやＴＥＤなどの欠陥を観察するためには、Ｘ線を用いたトポグラフィー法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。他にも、ＫＯＨなどで炭化珪素基板をエッチングする方法が用いられる。このような方法によれば、欠陥が選択的に深くエッチングされエッチピットが生じるため、欠陥を観察しやすくなる。 In order to observe such defects such as BPD and TED, a topography method using X-rays is used (for example, see Patent Document 1). In addition, a method of etching a silicon carbide substrate with KOH or the like is used. According to such a method, the defect is selectively etched deeply and etch pits are generated, so that the defect can be easily observed.
しかしながら、Ｘ線トポグラフィー法では装置構成が大きくなり、また、撮像したフィルムや乾板を現像するのに時間がかかるという問題がある。エッチングする方法は、欠陥以外にも炭化珪素基板の一部が除去される破壊検査であり、非破壊で欠陥の検査を行えない。 However, the X-ray topography method has a problem that the apparatus configuration becomes large and it takes time to develop an imaged film or dry plate. The etching method is a destructive inspection in which a part of the silicon carbide substrate is removed in addition to the defect, and the defect cannot be inspected nondestructively.
ＴＥＤには、バーガーズベクトルの相違により６種類存在する。Ｘ線トポグラフィー法では、それらの種類を判別するために、高額で高品質なＸ線を照射する装置が必要となる。また、エッチングする方法で形成したエッチピットを観察しても、バーガーズベクトルの種類を判別することまでは非常に難しい。 There are six types of TEDs due to differences in Burgers vectors. In the X-ray topography method, an apparatus that irradiates high-quality and high-quality X-rays is required to discriminate between these types. Further, even if the etch pit formed by the etching method is observed, it is very difficult to determine the type of Burgers vector.
なお、このような問題は、エピタキシャル成長させて形成した炭化珪素基板のみならず、炭化珪素基板に形成された半導体素子についても同様に存在する。 Such a problem similarly exists not only for a silicon carbide substrate formed by epitaxial growth but also for a semiconductor element formed on a silicon carbide substrate.
また、ＴＥＤのバーガーズベクトルの方向は、炭化珪素基板の歪みや応力に関係することが知られている。したがって、バーガーズベクトルの方向を特定することができれば、炭化珪素基板の歪みや応力の状況を得ることができる。そのような歪みや応力の状況に基づけば、炭化珪素基板及び炭化珪素基板に形成された半導体素子の製造条件や製造工程を改善することも可能となり、歪みや応力が低減されて性能が向上した炭化珪素基板や炭化珪素半導体素子の製造が可能になると期待される。 Further, it is known that the direction of the TED Burgers vector is related to the strain and stress of the silicon carbide substrate. Therefore, if the direction of the Burgers vector can be specified, the state of strain and stress of the silicon carbide substrate can be obtained. Based on such strain and stress conditions, it becomes possible to improve the manufacturing conditions and manufacturing process of the silicon carbide substrate and the semiconductor element formed on the silicon carbide substrate, and the performance is improved by reducing the strain and stress. It is expected that silicon carbide substrates and silicon carbide semiconductor elements can be manufactured.
本発明は、上記事情に鑑み、簡易にかつ非破壊で貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を特定することができる炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法を提供することを目的とする。また、本発明は、性能が改善した炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a method for inspecting a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element that can easily and nondestructively specify the direction of a Burgers vector of threading edge dislocations. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element with improved performance.
上記目的を達成するための第１の態様は、非破壊で貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を特定する炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法であって、炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子である被検査体に励起光を照射し、前記励起光により前記被検査体から放射された蛍光を受光し、前記被検査体の発光状態を表す画像を形成し、前記画像中に特定された欠陥の発光状態の形状・方向・強度から貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を判定することを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法にある。 A first aspect for achieving the above object is a method for inspecting a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element that specifies the direction of a Burgers vector of non-destructive threading edge dislocations, the silicon carbide substrate or the silicon carbide semiconductor. An object to be inspected, which is an element, is irradiated with excitation light, and fluorescence emitted from the object to be inspected is received by the excitation light to form an image representing a light emission state of the object to be inspected, and is specified in the image A method of inspecting a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element is characterized in that the direction of a Burgers vector of threading edge dislocations is determined from the shape, direction, and intensity of the light emission state of the defect.
かかる第１の態様では、炭化珪素基板や炭化珪素半導体素子である被検査体に励起光を照射するとともに、被検査体の画像を形成する。そして、この画像に基づいて貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を簡易に特定することができる。従来のＸ線トポグラフィー法と比較して、Ｘ線照射装置や現像処理が不要であるため、検査工程を簡易にかつ迅速に行うことができる。さらに、本検査方法は非破壊で検査を行うことができる。 In the first aspect, the object to be inspected, which is a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element, is irradiated with excitation light and an image of the object to be inspected is formed. The direction of the Burgers vector of the threading edge dislocation can be easily specified based on this image. Compared with the conventional X-ray topography method, since an X-ray irradiation apparatus and a development process are unnecessary, an inspection process can be performed simply and rapidly. Furthermore, this inspection method can perform non-destructive inspection.
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法において、Ray-tracingシミュレーションにより、前記被検査体の表面に現れた貫通刃状転位のシミュレーション画像を形成するとともに、当該シミュレーション画像の貫通刃状転位のバーガーズベクトルを解析し、前記画像に特定された欠陥の発光状態の形状・方向・強度に相関する前記シミュレーション画像を特定し、前記画像に特定された欠陥の発光状態は、当該シミュレーション画像のバーガーズベクトルの方向を有する貫通刃状転位であると判定することを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法にある。 According to a second aspect of the present invention, in the method for inspecting a silicon carbide substrate or silicon carbide semiconductor element according to the first aspect, a simulation of threading edge dislocations appearing on the surface of the object to be inspected by ray-tracing simulation. Forming an image, analyzing the Burgers vector of the threading edge dislocation of the simulation image, identifying the simulation image correlating with the shape, direction, and intensity of the light emission state of the defect identified in the image, In the method for inspecting a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element, the light emission state of the identified defect is determined to be a threading edge dislocation having a Burgers vector direction of the simulation image.
かかる第２の態様では、シミュレーション画像との比較により、画像に現れた貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を特定することができる。 In the second aspect, the direction of the Burgers vector of the threading edge dislocation appearing in the image can be specified by comparison with the simulation image.
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法により特定された貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を分析することで、当該バーガーズベクトルによる歪み及び応力を解析し、前記歪み及び応力の発生が抑制される製造条件を特定し、当該製造条件で前記炭化珪素基板又は前記炭化珪素半導体素子を製造することを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法にある。 The third aspect of the present invention is to analyze the direction of the Burgers vector of the threading edge dislocation specified by the inspection method of the silicon carbide substrate or silicon carbide semiconductor element described in the first or second aspect. Analyzing strain and stress due to Burgers vector, specifying manufacturing conditions for suppressing the generation of the strain and stress, and manufacturing the silicon carbide substrate or the silicon carbide semiconductor element under the manufacturing conditions It exists in the manufacturing method of a board | substrate or a silicon carbide semiconductor element.
かかる第３の態様では、歪みや応力が低減され、性能が向上した炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子を製造することができる。 In the third aspect, it is possible to manufacture a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element in which distortion and stress are reduced and performance is improved.
本発明によれば、簡易にかつ非破壊で貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を特定することができる炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法が提供される。また、本発明によれば、性能が向上した炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the test | inspection method of the silicon carbide substrate or silicon carbide semiconductor element which can pinpoint the direction of the Burgers vector of a threading edge dislocation simply and nondestructively is provided. Moreover, according to this invention, the manufacturing method of the silicon carbide substrate or silicon carbide semiconductor element with improved performance is provided.
本実施形態に係る炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法（以下、単に検査方法とも称する）は、炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子を被検査体とし、被検査体に生じたＴＥＤのバーガーズベクトルの方向を簡易かつ非破壊で特定する方法である。 A method for inspecting a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element according to the present embodiment (hereinafter also simply referred to as an inspection method) uses a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element as an object to be inspected, and TED Burgers generated in the object to be inspected. This is a simple and nondestructive method for specifying the direction of a vector.
被検査体となる炭化珪素基板は、炭化珪素からなる基板であり、単結晶や多結晶の何れでもよい。また、炭化珪素基板の製造方法やポリタイプ、オフ角度なども特に限定されない。さらに、炭化珪素基板は、結晶成長後の完成品であってもよいし、結晶成長をさせている最中のものであってもよい。 The silicon carbide substrate to be inspected is a substrate made of silicon carbide, and may be either single crystal or polycrystalline. Moreover, the manufacturing method, polytype, off angle, etc. of the silicon carbide substrate are not particularly limited. Further, the silicon carbide substrate may be a finished product after crystal growth or may be in the middle of crystal growth.
被検査体となる炭化珪素半導体素子は、炭化珪素基板又は炭化珪素基板をスライスした炭化珪素ウェハに形成された半導体素子である。被検査体としては、完成品としての炭化珪素半導体素子でもよいし、製造途中にある炭化珪素半導体素子でもよい。 The silicon carbide semiconductor element to be inspected is a silicon carbide substrate or a semiconductor element formed on a silicon carbide wafer obtained by slicing a silicon carbide substrate. The object to be inspected may be a silicon carbide semiconductor element as a finished product or a silicon carbide semiconductor element in the middle of manufacture.
炭化珪素半導体素子としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＪＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor）、ＢＪＴ（Bipolar junction transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）、ＧＣＴサイリスタ（Gate Commutated Turn-off thyristor）、サイリスタ、ショットキーダイオード、ＪＢＳ（Junction Barrier Schottky）ダイオード、ＭＰＤ（Merged pn ダイオード）、ｐｎダイオードなどを挙げることができる。 Examples of silicon carbide semiconductor elements include MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), JFET (Junction Field Effect Transistor), BJT (Bipolar Junction Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), GTO (Gate Turn-). Off thyristor), GCT thyristor (Gate Commutated Turn-off thyristor), thyristor, Schottky diode, JBS (Junction Barrier Schottky) diode, MPD (Merged pn diode), pn diode, and the like.
図１は、本検査方法に用いる装置の構成を示す概略図である。図示するように、試料台１０の上には、被検査体１が載置されている。被検査体１には、レーザ光源２０から励起光としてレーザが照射される。 FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an apparatus used in this inspection method. As shown in the figure, an object to be inspected 1 is placed on a sample stage 10. A laser beam is emitted from the laser light source 20 to the device under test 1 as excitation light.
レーザ光源２０は、励起光としてレーザを照射する装置である。レーザとしては、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、ＧｄＶＯ４レーザ、Ｙ２Ｏ３レーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、チタンサファイアレーザ、ヘリウムカドミウムレーザ等がある。 The laser light source 20 is a device that irradiates a laser as excitation light. Lasers include Ar laser, Kr laser, CO 2 laser, YAG laser, Nd: YAG laser, YVO 4 laser, YLF laser, YAlO 3 laser, GdVO 4 laser, Y 2 O 3 laser, ruby laser, alexandrite laser, titanium There are sapphire lasers, helium cadmium lasers, and the like.
レーザ光源２０には、直接サンプルに照射するか、光ファイバ２１が接続してレーザを任意の位置に導いて被検査体１に照射できるようになっている。レーザの波長によってサンプルへの侵入長が異なるため、レーザの種類によって表面からの観察位置を変えることができる。 The laser light source 20 can directly irradiate the sample, or an optical fiber 21 is connected to guide the laser to an arbitrary position so that the object 1 can be irradiated. Since the penetration length into the sample differs depending on the wavelength of the laser, the observation position from the surface can be changed depending on the type of laser.
被検査体１に対向して画像形成装置３０が配置されている。画像形成装置３０は、撮像機能を有する顕微鏡装置である。具体的には、対物レンズ３１、バンドパスフィルタ３２及びＣＣＤカメラ３３から構成されている。 An image forming apparatus 30 is disposed so as to face the inspection object 1. The image forming apparatus 30 is a microscope apparatus having an imaging function. Specifically, it is composed of an objective lens 31, a band pass filter 32 and a CCD camera 33.
対物レンズ３１は、被検査体１に対して焦点を合わせるために用いられる。 The objective lens 31 is used for focusing on the inspection object 1.
バンドパスフィルタ３２は、特定波長の光だけを透過させるフィルタである。ここでは、被検査体１から放射される蛍光がバンドパスフィルタ３２を透過するようにその波長が設定されている。具体的には、特定の波長の光を透過させるバンドパスフィルタ３２が設定されている。 The bandpass filter 32 is a filter that transmits only light of a specific wavelength. Here, the wavelength is set so that the fluorescence emitted from the device under test 1 passes through the bandpass filter 32. Specifically, a bandpass filter 32 that transmits light of a specific wavelength is set.
ＣＣＤカメラ３３は、対物レンズ３１及びバンドパスフィルタ３２を介して入射した光を撮像する装置である。ＣＣＤカメラ３３により、被検査体１の表面の画像が形成される。 The CCD camera 33 is a device that images light incident through the objective lens 31 and the band pass filter 32. An image of the surface of the inspection object 1 is formed by the CCD camera 33.
特に図示しないが、画像形成装置３０には、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置が接続されている。情報処理装置は、ＣＣＤカメラ３３で形成された画像を取り込み、種々の画像処理を行う機能を有している。 Although not particularly illustrated, the image forming apparatus 30 is connected to an information processing apparatus such as a personal computer. The information processing apparatus has a function of capturing an image formed by the CCD camera 33 and performing various image processing.
本検査方法は、まず、上述したレーザ光源２０からレーザを被検査体１に照射させる。被検査体１にレーザが照射されると、被検査体１に存在する欠陥から蛍光が生じる。 In this inspection method, first, the inspection object 1 is irradiated with a laser from the laser light source 20 described above. When the inspection object 1 is irradiated with laser, fluorescence is generated from defects present in the inspection object 1.
なお、レーザの波長は、レーザが被検査体１に進入する深さに関係する。したがって、レーザの波長を調整することで、被検査体１の表面から任意の深さまでレーザを照射し、その位置で蛍光を生じさせることができる。本実施形態では、被検査体１の表面で蛍光が生じるようにレーザの波長を調整してある。 The wavelength of the laser is related to the depth at which the laser enters the device under test 1. Therefore, by adjusting the wavelength of the laser, the laser can be irradiated from the surface of the inspection object 1 to an arbitrary depth, and fluorescence can be generated at that position. In this embodiment, the wavelength of the laser is adjusted so that fluorescence is generated on the surface of the device under test 1.
一方、画像形成装置３０に被検査体１の表面を撮像させる。すなわち、対物レンズ３１の焦点を被検査体１の表面に合わせ、ＣＣＤカメラ３３に撮像させ、被検査体１の表面の画像を形成させる。なお、上述したようにレーザの波長を調整し、被検査体１の表面よりも深い位置における画像を形成する場合には、対物レンズ３１の焦点もその深さに合わせる。 On the other hand, the image forming apparatus 30 is caused to image the surface of the inspection object 1. In other words, the focus of the objective lens 31 is adjusted to the surface of the inspection object 1 and is imaged by the CCD camera 33 to form an image of the surface of the inspection object 1. Note that when the laser wavelength is adjusted as described above to form an image at a position deeper than the surface of the inspection object 1, the focus of the objective lens 31 is also adjusted to the depth.
図２（ａ）は、上述したような画像形成装置３０で形成された画像である。図２（ｂ）は、図２（ｂ）は、Ｘ線によるトポグラフィー法により得られた画像である。両画像は、同一の被検査体１の同じ領域を画像化したものであり、この被検査体１は、オフ角度が８度である４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル膜（炭化珪素基板）である。 FIG. 2A shows an image formed by the image forming apparatus 30 as described above. FIG. 2B is an image obtained by the topography method using X-rays. Both images are obtained by imaging the same region of the same inspection object 1, and this inspection object 1 is a 4H-SiC epitaxial film (silicon carbide substrate) having an off angle of 8 degrees.
また、図２（ａ）の画像は、Ａｒイオンレーザ（３６３．８ｎｍ）を用い、９００ｎｍのバンドパスフィルタ３２を用いて形成したものである。また、図２（ｂ）の画像は、ｇ＝１１−２８、λ＝１．５４１Åとし、ＳＰｒｉｎｇ−８放射光を用いて形成したものである。 The image in FIG. 2A is formed using an Ar ion laser (363.8 nm) and a bandpass filter 32 of 900 nm. Further, the image of FIG. 2B is formed using SPring-8 radiation light with g = 11−28 and λ = 1.541Å.
図２（ａ）に示すように、被検査体１からは、欠陥の有無により異なる波長の蛍光が発せられる。すなわち、被検査体１の画像には、欠陥が存在しない部分を表す一様な模様部分（黒色）と、欠陥が存在する部分を表す点状の模様部分（白色）とが含まれる。画像中の色が白いほどレーザによる蛍光の発光強度が強いことを示す。 As shown to Fig.2 (a), the to-be-inspected object 1 emits the fluorescence of a different wavelength by the presence or absence of a defect. That is, the image of the inspected object 1 includes a uniform pattern portion (black) representing a portion where no defect exists and a dotted pattern portion (white) representing a portion where a defect exists. The whiter the color in the image, the stronger the fluorescence emission intensity by the laser.
このような画像を観察し、又は情報処理装置で所定の画像処理を施した上で観察し、被検査体１に存在する欠陥（ＴＥＤ、貫通らせん転位（ＴＳＤ））の位置を特定する。 Such an image is observed or observed after performing predetermined image processing by an information processing apparatus, and the position of a defect (TED, threading screw dislocation (TSD)) present in the inspection object 1 is specified.
ここで、ＴＳＤやＴＥＤから発せられる蛍光は、それらの欠陥が無い部分よりも発光強度が強い。このため、画像としては点状の模様部分は、一様な模様部分よりも輝度が高く現れる。したがって、画像中に、周囲よりも高い輝度で発光する点状の高輝度領域を欠陥として特定する。例えば、ＴＳＤは形状が比較的大きいため、図２（ａ）の画像中に現れた比較的大きな丸い高輝度の領域（同図中のＳ）を、ＴＳＤとして特定する。同様に、図２（ａ）の画像中に現れた比較的小さな丸い高輝度の領域（同図中のＥ）、又は線状の高輝度の領域（同図中のＥ’）をＴＥＤとして特定する。 Here, the fluorescence emitted from TSD or TED has a higher emission intensity than that of the portion having no defect. For this reason, as an image, a dotted pattern portion appears higher in luminance than a uniform pattern portion. Therefore, a point-like high-luminance region that emits light with higher luminance than the surroundings is specified as a defect in the image. For example, since the TSD has a relatively large shape, a relatively large round high-intensity area (S in the figure) that appears in the image of FIG. 2A is specified as the TSD. Similarly, a relatively small round high-brightness area (E in the figure) or a linear high-brightness area (E 'in the figure) appearing in the image of FIG. To do.
一方、図２（ｂ）には、従来のＸ線トポグラフィー法により得られた被検査体１の表面画像に基づいて特定されたＴＳＤやＴＥＤが示されている。図２（ａ）及び（ｂ）の画像を比較すると、同じ位置に各種欠陥が表示されていることが分かる。すなわち、図２の画像によれば、本検査方法による画像中の高輝度の領域は各種の転位を示すことが確認された。 On the other hand, FIG. 2 (b) shows TSD and TED identified based on the surface image of the inspection object 1 obtained by the conventional X-ray topography method. Comparing the images in FIGS. 2A and 2B, it can be seen that various defects are displayed at the same position. That is, according to the image of FIG. 2, it was confirmed that the high-intensity area | region in the image by this test | inspection method shows various dislocations.
なお、情報処理装置で輝度のコントラストを強くする画像処理を画像に施してもよい。これにより、高輝度領域とその他の領域の輝度の差が確認しやすくなり、高輝度領域を欠陥として特定しやすくすることができる。 Note that the image processing may be performed on the image to increase the brightness contrast in the information processing apparatus. Thereby, it becomes easy to confirm the difference in luminance between the high luminance region and the other regions, and the high luminance region can be easily identified as a defect.
図３は、図２（ａ）の断面試料写真及びその模式図である。図３に示すように、基板の底面側から表面に向かってＴＳＤ（模式図のＳ）及びＴＥＤ（模式図のＥ及びＥ’）が伝播している。これらの転位線（模式図の上下に延びる実線）は、ｃ軸からステップフロー方向に傾いている。 FIG. 3 is a cross-sectional sample photograph of FIG. 2A and a schematic diagram thereof. As shown in FIG. 3, TSD (S in the schematic diagram) and TED (E and E ′ in the schematic diagram) propagate from the bottom surface side of the substrate toward the surface. These dislocation lines (solid lines extending vertically in the schematic diagram) are inclined in the step flow direction from the c-axis.
ｃ軸から８度傾いているＴＳＤやＴＥＤ、すなわちエピタキシャル膜表面に垂直なＴＳＤやＴＥＤ（図の符号Ａ）は、図２（ａ）の平面画像において丸い高輝度領域として現れる。 TSD and TED tilted by 8 degrees from the c-axis, that is, TSD and TED perpendicular to the surface of the epitaxial film (symbol A in the figure) appear as a round high-intensity region in the planar image of FIG.
一方、ｃ軸から８度よりも大きく傾いているＴＳＤやＴＥＤ（図の符号Ｂ）は、図２（ａ）の平面画像において線状の高輝度領域として現れる。 On the other hand, TSD and TED (symbol B in the figure) inclined more than 8 degrees from the c-axis appear as a linear high-intensity region in the planar image of FIG.
このように、被検査体１の断面と、その表面の画像とを照らし合わせた結果、傾いたＴＥＤは、平面画像としては線状の高輝度領域として現れることが確認された。 As described above, as a result of comparing the cross section of the inspection object 1 and the image of the surface thereof, it was confirmed that the tilted TED appears as a linear high-intensity region as a planar image.
上述したように、被検査体１にレーザを照射するとともに、被検査体１の画像を形成する。この画像には、ＴＥＤやＴＳＤが存在する箇所が高輝度で現れる。このため、画像中の高輝度領域を特定することで、被検査体１に存在するＴＥＤやＴＳＤの位置を特定することができる。 As described above, the object 1 is irradiated with a laser and an image of the object 1 is formed. In this image, a portion where TED or TSD exists appears with high luminance. For this reason, the position of TED and TSD which exist in to-be-inspected object 1 can be specified by specifying the high-intensity area | region in an image.
そして、画像中に特定されたＴＥＤは、その形状、方向及び強度に基づいてバーガーズベクトルの方向を特定することができる。以下、ＴＥＤの形状、方向及び強度に基づくバーガーズベクトルの方向の特定について詳細に説明する。 Then, the TED specified in the image can specify the direction of the Burgers vector based on its shape, direction and intensity. Hereinafter, the specification of the direction of the Burgers vector based on the shape, direction, and strength of the TED will be described in detail.
図４は、６種類のＴＥＤの模式図とそれぞれのＴＥＤに対応するRay-tracingによるシミュレーション像・本発明での実施例のＸ線トポグラフィー像・本発明での実施例の画像と特徴（発光強度・ＰＬ像方向）をまとめたものである。６種類のＴＥＤを個別に説明する際には、それぞれＡ〜Ｆとして呼称する。 FIG. 4 is a schematic diagram of six types of TEDs, a simulation image by Ray-tracing corresponding to each TED, an X-ray topography image of the embodiment of the present invention, an image and features of the embodiment of the present invention (light emission) (Intensity / PL image direction). When the six types of TEDs are individually described, they are referred to as A to F, respectively.
一行目には、６種類のＴＥＤのバーガーズベクトルｂが模式的に表されている。二行目には、６種類のＴＥＤについてRay-tracingによるシミュレーション画像が示されている。同画像の符号「ｂ」は、ＴＥＤのバーガーズベクトルの方向を示している。なお、そのシミュレーションによるバーガーズベクトルの方向を得る解析方法は、非特許文献「I. Kamata, M. Nagano, H. Tsuchida, Yi. Chen, M. Dudley: J.Cryst. Growth 311 (2009) 1415-1462.」に記載されている。 In the first row, six types of TED Burgers vectors b are schematically shown. The second line shows simulation images by ray-tracing for six types of TEDs. The symbol “b” in the image indicates the direction of the TED Burgers vector. The analysis method for obtaining the Burgers vector direction by the simulation is described in non-patent literature “I. Kamata, M. Nagano, H. Tsuchida, Yi. Chen, M. Dudley: J. Cryst. Growth 311 (2009) 1415- 1462. ”.
三行目には、Ｘ線トポグラフィー法による画像が示されている。これらは、６種類のＴＥＤの近傍を撮像したものである。これらの図に示すように、Ｘ線トポグラフィー法による画像（Ｘ線トポグラフィー像）をそのまま用いて６種類のＴＥＤを判別することは難しい。 In the third row, an image by the X-ray topography method is shown. These are images of the vicinity of six types of TEDs. As shown in these drawings, it is difficult to discriminate six types of TEDs using an image (X-ray topography image) by the X-ray topography method as it is.
四行目には、本検査方法により得られた画像が示されている。各画像は６種類のＴＥＤの近傍を撮像したものであり、白色に発光している部分をＴＥＤのＰＬ像（Photoluminescence）と称する。五行目には、それらの画像の発光強度を相対的に「強」（Ａ，Ｂ）「中」（Ｃ，Ｄ）「弱」（Ｅ，Ｆ）と評価したものである。六行目は、ステップフロー方向を右方向としたときの、ＰＬ像の方向を目視で判定したものである。 The fourth line shows an image obtained by this inspection method. Each image is obtained by imaging the vicinity of six types of TEDs, and a portion emitting white light is referred to as a TED PL image (Photoluminescence). In the fifth row, the luminescence intensity of these images is evaluated as “strong” (A, B), “medium” (C, D), and “weak” (E, F). The sixth line visually determines the direction of the PL image when the step flow direction is the right direction.
本検査方法は、ＰＬ画像に基づいてＴＥＤのバーガーズベクトルを特定する。具体的には、ＰＬ画像と、シミュレーション画像及びＸ線トポグラフィー像とを比較し、それらに相関があるか否かを判定する。この相関があるか否かの判定は、各画像の強度、形状及び方向が略同一であるか否かを判定することにより行う。 This inspection method specifies a TED Burgers vector based on a PL image. Specifically, the PL image, the simulation image, and the X-ray topography image are compared to determine whether or not there is a correlation between them. Whether or not there is this correlation is determined by determining whether or not the intensity, shape, and direction of each image are substantially the same.
そして、シミュレーション画像はバーガーズベクトルｂが特定されているので（図４の二行目）、ＰＬ画像に表されたＴＥＤの方向は、そのＰＬ画像に相関があるシミュレーション画像のバーガーズベクトルｂの方向であると判別する。以下、Ａ〜Ｆについて具体例を示す。 Since the Burgers vector b is specified in the simulation image (second line in FIG. 4), the direction of the TED represented in the PL image is the direction of the Burgers vector b of the simulation image correlated with the PL image. Determine that there is. Specific examples of A to F are shown below.
発光強度が高いＡ、Ｂについては、ＰＬ像はそれぞれ左下から右上に向かう大きな発光形状、左上から右下に向かう大きな発光形状を有していることが明確に確認できる。ＡのＰＬ画像の強度、形状及び方向（以下、形状等）は、二行目のシミュレーション画像と三行目のＸ線トポグラフィー像と比較すると、それらの像の形状等と相関がある。したがって、ＡのＰＬ像に現れたＴＥＤの方向を、Ａのシミュレーション画像のバーガーズベクトルｂの方向と判別する。Ｂについても同様である。 For A and B with high emission intensity, it can be clearly confirmed that the PL image has a large light emission shape from the lower left to the upper right and a large light emission shape from the upper left to the lower right. The intensity, shape, and direction (hereinafter, shape) of the PL image of A are correlated with the shape and the like of the images when compared with the simulation image of the second row and the X-ray topography image of the third row. Therefore, the direction of the TED that appears in the PL image of A is determined as the direction of the Burgers vector b of the A simulation image. The same applies to B.
発光強度が中であるＣ、Ｄについては、ＰＬ像はやや右上に向かう発光形状と、やや右下に向かう発光形状を有していることが確認できる。ＣのＰＬ画像の形状等は、二行目のシミュレーション画像と三行目のＸ線トポグラフィー像と比較すると、それらの像の形状等と相関がある。したがって、ＣのＰＬ像に現れたＴＥＤの方向を、Ｃのシミュレーション画像のバーガーズベクトルｂの方向と判別する。Ｄについても同様である。 It can be confirmed that for C and D, the emission intensity is medium, the PL image has a light emission shape slightly toward the upper right and a light emission shape toward the lower right. The shape or the like of the C PL image has a correlation with the shape or the like of the second row simulation image and the third row X-ray topography image. Therefore, the direction of the TED that appears in the C PL image is determined as the direction of the Burgers vector b in the C simulation image. The same applies to D.
発光強度が弱であるＥ、Ｆについては、ＰＬ像はやや右上に向かう発光形状と、やや右下に向かう発光形状を有していることが若干確認できる。ＥのＰＬ画像の形状等は、二行目のシミュレーション画像と三行目のＸ線トポグラフィー像と比較すると、それらの像の形状等と相関がある。したがって、ＥのＰＬ像に現れたＴＥＤの方向を、Ｅのシミュレーション画像のバーガーズベクトルｂの方向と判別する。Ｆについても同様である。 For E and F, which have low emission intensities, it can be slightly confirmed that the PL image has a light emission shape slightly toward the upper right and a light emission shape toward the lower right. The shape or the like of the E PL image has a correlation with the shape or the like of the image of the second row compared with the X-ray topography image of the third row. Therefore, the direction of the TED that appears in the E PL image is determined as the direction of the Burgers vector b in the E simulation image. The same applies to F.
ある特定の方向、強度及び形状を有するＰＬ画像について、一度、シミュレーション画像との対比を通してバーガーズベクトルの方向を特定することができれば、同様のＰＬ画像については、シミュレーション画像との対比を不要としてもよい。つまり、ある特定の方向、強度及び形状を有するＰＬ画像と、バーガーズベクトルの方向と関連づけられれば、当該ＰＬ画像と同様の方向、強度、形状を有するＰＬ画像は、同じバーガーズベクトルｂを有すると判別することができる。 As long as the direction of the Burgers vector can be specified once for a PL image having a specific direction, intensity, and shape through comparison with the simulation image, the comparison with the simulation image may be unnecessary for the similar PL image. . That is, if a PL image having a specific direction, intensity, and shape is associated with the Burgers vector direction, it is determined that a PL image having the same direction, intensity, and shape as the PL image has the same Burgers vector b. can do.
このように、ＴＥＤからの蛍光の形状・傾き・強度はバーガーズベクトルｂの向きと相関があり、６種類のＴＥＤのバーガーズベクトルを判別できる事が分かった。 Thus, it was found that the shape, inclination, and intensity of the fluorescence from the TED correlate with the direction of the Burgers vector b, and it is possible to discriminate 6 types of Burgers vectors of the TED.
したがって、本実施形態に係る本検査方法では、被検査体１から得られた画像について、高輝度領域（ＰＬ像）を特定し、その形状・方向・強度からバーガーズベクトルの方向を判定する。このように、本検査方法によれば、上記文献のような解析方法を用いずとも、画像からＴＥＤのバーガーズベクトルの方向を簡易に特定することができる。 Therefore, in this inspection method according to the present embodiment, a high-luminance region (PL image) is specified for the image obtained from the inspection object 1, and the direction of the Burgers vector is determined from its shape, direction, and intensity. Thus, according to this inspection method, the direction of the TED Burgers vector can be easily specified from the image without using the analysis method as described in the above document.
また、本検査方法は、Ｘ線トポグラフィー法のようにＸ線照射装置や現像処理が不要であるため、簡易にかつ迅速に行うことができる。さらに、本検査方法は、被検査体１にレーザを照射し、その蛍光から画像を得るため、非破壊で検査を行うことができる。 Moreover, since this inspection method does not require an X-ray irradiation apparatus or a development process unlike the X-ray topography method, it can be performed easily and quickly. Furthermore, since this inspection method irradiates the inspection object 1 with a laser and obtains an image from the fluorescence, the inspection can be performed nondestructively.
さらに、レーザ光源２０や画像形成装置３０は、エピタキシャル成長中の炭化珪素基板や、製造工程中の炭化珪素半導体素子を対象としてもよい。これにより、本検査方法によれば、炭化珪素基板や炭化珪素半導体素子の製造中においても、欠陥が生じているか否かを検査することができる。また、被検査体１に照射されるレーザの波長を調整することで、被検査体１の任意の深さにおける蛍光を画像化し、その深さにおける欠陥の位置を特定することができる。 Further, the laser light source 20 and the image forming apparatus 30 may target a silicon carbide substrate during epitaxial growth or a silicon carbide semiconductor element during a manufacturing process. Thereby, according to this test | inspection method, it can test | inspect whether the defect has arisen during manufacture of a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element. Further, by adjusting the wavelength of the laser irradiated to the inspection object 1, fluorescence at an arbitrary depth of the inspection object 1 can be imaged, and the position of the defect at that depth can be specified.
ここで、バーガーズベクトルの方向は、被検査体１の歪みや応力に関係することが知られている。したがって、バーガーズベクトルの方向を解析することで、被検査体１に生じた歪みや応力を検出することが可能となる。 Here, it is known that the direction of the Burgers vector is related to the strain and stress of the device under test 1. Therefore, by analyzing the direction of the Burgers vector, it becomes possible to detect distortion and stress generated in the device under test 1.
このようなバーガーズベクトルの方向に基づく歪みや応力の解析を応用すれば、性能を改善することができる炭化珪素基板や炭化珪素半導体素子の製造方法が提供される。 By applying such analysis of strain and stress based on the Burgers vector direction, a method for manufacturing a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element capable of improving performance is provided.
例えば、炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子を製造する各工程において、画像を形成してバーガーズベクトルの方向を分析し、その歪みや応力を解析する。その解析結果に基づいて、どの製造工程で歪みや応力が被検査体１に生じているかを分析し、当該製造工程の製造条件等を改善する。そして、その製造条件で炭化珪素基板や炭化珪素半導体素子を製造する。これにより、改善後の製造条件により製造された炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子は、歪みや応力が低減されたものとすることができる。 For example, in each process of manufacturing a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element, an image is formed, the direction of Burgers vector is analyzed, and the distortion and stress are analyzed. Based on the analysis result, it is analyzed in which manufacturing process the strain or stress is generated in the device under test 1, and the manufacturing conditions and the like of the manufacturing process are improved. Then, a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element is manufactured under the manufacturing conditions. Thereby, the distortion and stress can be reduced in the silicon carbide substrate or the silicon carbide semiconductor element manufactured under the improved manufacturing conditions.
本発明は、炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子を検査又は製造する産業分野で利用することができる。 The present invention can be used in an industrial field for inspecting or manufacturing a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element.
１ 被検査体
１０ 試料台
２０ レーザ光源
２１ 光ファイバ
３０ 画像形成装置
３１ 対物レンズ
３２ バンドパスフィルタ
３３ ＣＣＤカメラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inspected object 10 Sample stand 20 Laser light source 21 Optical fiber 30 Image forming apparatus 31 Objective lens 32 Band pass filter 33 CCD camera
Claims (3)
炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子である被検査体に励起光を照射し、
前記励起光により前記被検査体から放射された蛍光を受光し、前記被検査体の発光状態を表す画像を形成し、
前記画像中に特定された欠陥の発光状態の形状・方向・強度から貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を判定する
ことを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法。 A non-destructive method for inspecting a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element that specifies the direction of a Burgers vector of threading edge dislocations,
Irradiating the object to be inspected which is a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element with excitation light,
Receiving fluorescence emitted from the object to be inspected by the excitation light, and forming an image representing a light emission state of the object to be inspected;
A method for inspecting a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element, wherein the direction of a Burgers vector of threading edge dislocations is determined from the shape, direction, and intensity of a light emission state of a defect identified in the image.
Ray-tracingシミュレーションにより、前記被検査体の表面に現れた貫通刃状転位のシミュレーション画像を形成するとともに、当該シミュレーション画像の貫通刃状転位のバーガーズベクトルを解析し、
前記画像に特定された欠陥の発光状態の形状・方向・強度に相関する前記シミュレーション画像を特定し、前記画像に特定された欠陥の発光状態は、当該シミュレーション画像のバーガーズベクトルの方向を有する貫通刃状転位であると判定する
ことを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法。 In the inspection method of a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor device according to claim 1,
Through ray-tracing simulation, a simulation image of the threading edge dislocation appearing on the surface of the inspection object is formed, and a Burgers vector of the threading edge dislocation of the simulation image is analyzed,
The simulation image correlates with the shape, direction, and intensity of the light emission state of the defect specified in the image, and the light emission state of the defect specified in the image has a Burgers vector direction of the simulation image A method for inspecting a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element, characterized in that it is determined as a dislocation.
前記歪み及び応力の発生が抑制される製造条件を特定し、当該製造条件で前記炭化珪素基板又は前記炭化珪素半導体素子を製造する
ことを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法。 By analyzing the direction of the Burgers vector of the threading edge dislocation specified by the inspection method of the silicon carbide substrate or the silicon carbide semiconductor element according to claim 1 or claim 2, the strain and stress due to the Burgers vector are analyzed. ,
A method for manufacturing a silicon carbide substrate or a silicon carbide semiconductor element, characterized by specifying a manufacturing condition in which generation of the strain and stress is suppressed and manufacturing the silicon carbide substrate or the silicon carbide semiconductor element under the manufacturing condition.
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