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東レリサーチセンター The TRC News No.113(Jul.2011)・17
[特集]SiC半導体(2)SiCエピ膜内の結晶欠陥評価
1.はじめに
SiCデバイスの実用量産化を実現するためには、結晶欠陥フリーの基板やエピタキシャル膜(エピ膜)が理想である。市販基板に含まれる結晶欠陥の中でも、貫通穴を伴ってc軸方向に伝播するマイクロパイプ欠陥1)については、エピタキシー技術の発展によってほぼ存在しないレベルにまで到達している。しかし、上記以外の基板から引き継いだ結晶欠陥や、新たにエピ膜内で発生した結晶欠陥が、現在でも多種多様に存在している。これらの結晶欠陥はデバイス特性に影響を与えることが知られており、高性能なSiCデバイスを実現する上で大きな障害の一つとなっている。これらエピ膜内に存在する結晶欠陥を低減させるためには、その生成メカニズムを理解する必要がある。生成メカニズムを解明するためには、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope: TEM)を用いた結晶欠陥の形態観察が、有効な評価項目の一つである。以下ではTEMの原理について簡単に触れ、TEMを用いた分析事例について紹介する。 また、TEMのみでは結晶欠陥位置などの特定は困難であるため、PL(Photoluminescence)イメージング法な
どを併用した分析事例についても紹介する。
2.電子顕微鏡
光学顕微鏡では確認できないナノレベルに達するような極微小領域を観察することができる装置として、TEMがある。対象とするサンプルを、電子線が透過するレベルまで薄膜化し(一般的には100nm以下)、その薄膜の投影図としてイメージを取得する方法である。薄膜化の方法には、従来から用いられてきた機械研磨にイオンミリング法と呼ばれる数kVに加速したArイオンによるスパッタリングを組み合わせた方法と、FIB(Focused Ion Beam)法と呼ばれる数十kVに加速したGaイオンを用いた方法がある。結晶欠陥を明瞭に観察するためには、非常に薄く清浄な薄膜試料が必要であるため、イオンミリング法を用いるのが一般的であるが、FIB法においても、近年は低加速加工の進歩などにより、品質の良い薄膜試料の作製が可能となってきている。そのため、イオンミリング法では困難である特定欠陥部のサンプリングなどでは、FIB法を用いる事例も多くなってきている。 TEM像はその結像原理でいくつかに分類される。 TEM像について原理をまとめたものを図1に示す。上段には結像方法を示し、下段には参考例としてHfO2膜の平面TEM像を示す。(TEM像の右上に電子回折パターンを示す。なお、赤丸は対物絞りの位置である) 最も一般的なTEM像は、(a)明視野像(Bright Field
[特集]SiC半導体
(2)SiCエピ膜内の結晶欠陥評価形態科学研究部 迫 秀樹
図1 TEM像の結像種類
18・東レリサーチセンター The TRC News No.113(Jul.2011)
[特集]SiC半導体(2)SiCエピ膜内の結晶欠陥評価
Image)であり、像中の白黒のコントラストは主に回折コントラスト(Diffraction Contrast)によって形成される。この回折コントラストは、主に結晶方位(例:入射電子線に対してブラッグ条件を満たす領域が像中で黒く表示される)、結晶性(例:非晶質領域では回折が生じないため、黒白のコントラストが生じない)によって形成される。その他にもMass-Thickness(質量厚さ)コントラストと呼ばれるものがあり、例えば原子番号の大きい元素が含まれている領域は、軽元素のみで構成されている領域よりも一般的に黒く表示される。また、結晶構造を評価する上で重要なTEM像は、(b)多波干渉像(格子像)や(c)暗視野像(Dark Field Image)である。多波干渉像は、透過波と回折波を用いて結像させた干渉像であり、回折パターンから得られる結晶構造についての情報と、透過波から得られる形態情報を併せ持っている。暗視野像は、基本的には対物絞りで選択した回折スポットに寄与する領域を明転させた像であり、結晶欠陥(転位など)の解析を行うことに適した観察手法である。