Chapter3
SOI MATERIALS CHARACTERRIZATION
3.1 INTRODUCTION
Silicon-On-Insulator (SOI)物質の特性を評価する際、
次のようなparameterの正確な測定が必要となる。
 defect density
 thickness of the top silicon (Si) layer ,the buried insulator
 carrier lifetime
 quality of the Si-insulator interface
SOI物質の特性を評価
するcharacterization
techniquesの詳細
SOI物質の特性を調べるtechniques
 transmission electron microscopy (TEM)
• powerful
• destructive
⇒examination of the materials
 some other techniques
• less sensitive
• non- destructive
• quality of large quantities of SOI wafer
 physical techniques
⇒optical film thickness measurement
⇒virgin SOI wafer
3.2FILM THICKNESS MEASUREMENT
 Si overlayer ,buried insulatorの厚さの測定には
• device processing
• evaluation of the threshold voltage
が必須。
 General-purpose film
⇒SOI構造の評価
 Rutherford backscattering (RBS)
⇒SiO2上のSi filmの厚さの評価
※buried oxide の厚さには実用的でない
 Cross-sectional transmission electron microscopy
(XTEM)
⇒most powerful
 Atom lattice imaging
⇒provide a built-in ruler
これらのtechniquesはdestructive, time consuming
 Routine inspection ,thickness mapping of SOI wafer
⇒non-destructive な方法が必要
• spectroscopic reflectometry
• spectroscopic ellipsometry
• electrical film thickness measurement
これらの測定は
back-gate biasをかけたときの
front threshold電圧の変化に基づいて行われる
3.2.1 Spectroscopic reflectometry
 SOI layer, buried oxideの厚さの評価方法
SOI waferのreflectivity spectrumの測定
(usually: λ=400-800nm)
SOI sample (Si- SiO2 interfaces)
⇒three-layer modelを使って考えられる
as-implanted SIMOX物質
⇒complicated multilayer structures
non-destructive
Silicon
oxide
Silicon
 SOI structure with sharp Si- SiO2 interfaceに光のビーム
が入射した場合を考える (Figure3-1)
• 0:semi-infinite Si substrate
• 1:buried oxide
• 2:Si overlayer
• 3:Air
 n layerと(n+1) layer の
interfaceでの電場は次のように表せる
ER(n+1), ER’ (n): n番目のinterfaceでの右に進む波の電場
EL(n+1), EL’ (n): n番目のinterfaceでの左に進む波の電場
interface matrix
yn: n番目のlayerの屈折率
yn=Nn+jKn
SiO2,Si3N4 :real and constant
Si
:complex
 n番目のlayer内でのphase changeとabsorptionの関係は
次のようである
phase matrix
tn :n番目のlayerの厚さ
λ:波長
 full SOI structureを考える
Si substrateは半無限になっているのでsubstrateから
戻ってくる波(左に進む波)はない
E’L(0)=0
また、この構造のreflectivityは次のように表せる
reflected
incident
E’R(0)=1とすると各波長ごとのR(λ)から
(3.2.4)よりER(3),EL(3)の値が決まる
 これらの関係式はsampleに対して垂直に入射する場合に当
てはまる
※入射角が15°でも測定は可能
 波長とSi filmの厚さを関
数としたSOI structure
のreflectivityの様子
 BOXの厚さ:400nm
 Si filmとburied layerの厚さは測定データと理論的に求めた
値を比較することで決定される
 spectroscopic
reflectometry を使った
SIMOX waferの厚さの
mappingの様子
3.2.2 Spectroscopic ellipsometry
 ellipsometry : sampleに反射したビームの偏光の変化の測定
sensitivityを最大にするためにellipsometryは
Brewster angleに近い75°で行われる
 classical ellipsometry: He-Ne laserから発する
a single wavelengthで行われていた
偏光フィルタを通ったあと、ビームはsampleに反射し、まっすぐに
分析器(回転偏光フィルタとphotodiodeから成る)の中に入る。
⇒ photodiodeによって収集された光のamplitudeが最大になったと
き、反射ビームの偏光方向はフィルタの回転角によって与えられ
る
※同じ分析が紫外線に近いvisible spectrum内での波長で何度も
繰り返される
 outputはtanΨとcosδのスペクトルから成る
各波長での角度Ψ、δは次のような関係で定義される
complex reflection 係数
rp: 光の偏光の向きが入射平面に平行
rs: 光の偏光の向きが入射平面に垂直
 SIMOX構造での
tanΨと cosδのスペクトルの様子
 スペクトル測定:simulation,回帰programに基づく
測定dataと理論値
の差を最小にす
るもの
 ellipsometryはreflectometry spectaよりも情報量が多い
 spectroscopic ellipsometryのsensitivity
不完全なSIMOXのような複雑な多重構造の測定も可
SOI waferの1番上のnative oxide layerの厚さの測定も可
spectroscopic ellipsometry
 分析的なtechniqueではない
⇒simulatorにlayer番号のようなparameterを与える。それは測
定dataを補正するように各parameterを一致させてある。
(例) SIMOX
Air
構造:Si overlayerの底にoxideが沈殿
Si overlayer
oxide
buried oxideの底にSiが沈殿
Buried oxide
Si
必要な 厚さのparameter: native oxide
Si
Si overlayerの沈殿していない部分
沈殿層とSi overlayer
Si の沈殿層上のburied oxide
Si の沈殿層も含めた buried oxide
oxideの下の沈殿層
 混合層の構成物(oxide上のSi沈殿物)についても与えられる
必要がある
 混合層の屈折率:Bruggeman 近似、effective medium近似
完全なlayerのfittingを得るために半径を変えるとともに、
SiやSiO2を均一な等方性の混合球面とみなす
 mixed layer:等方性、誘電定数εは次のように与えられる
c: fraction of component 2
ε1: component1の誘電定数
ε2: component2の誘電定数
誘電定数は
から求める
 回帰分析では測定値と計算値を比較し、
次のようなerror function Gが最小になるようにしている
n: number of different wavelengths
m: 測定値
c: 計算値
W,Dの定義は次のとおり
 spectroscopic ellipsometry:very sensitive!!
• SOI構造のlayerのinterfaceがwell definedの場合
3層のmodelが使われる
native oxide/silicon/buried insulator
• interfaceの構成がnot well definedの場合
(BOX中にSi結晶が埋め込まれたSIMOX、rough interfaceな構造)
混合層はsimulateされる必要がある
3.2.3 Electrical thickness measurement
 Si filmの厚さ tSi ・全空乏化されたSOI MOSFETにおいて
重要なparameter
・thin-film devicesのすべての電気的parameterに影響する
threshold電圧、drain saturation電圧、subthreshold slope
⇒device processingの後
debugging purposes,threshold電圧が一様でないことを確認
するために、Si filmの厚さを測定する必要がある
 VTH1: front thresold 電圧
VG : 全空乏化したn-channelのSOI MOSFETのback-gate電圧
これらはchapter5の(5.3.19)を用いて計算することができる
 また、BOXの厚さ、gate oxideの厚さがわかればtSiが
求まる
Cox1: gate oxide capacitance
Cox2: buried oxide capacitance
εSi: Si の誘電率
deviceが全空乏化していれば、Si film中のdoping濃
度に依存しない
 この手法はSi filmやburied oxideの厚さの測定に利用され
ている
gate oxide の厚さは別の測定から得られる
(5.3.20)より
同様に
 (3.2.12),(3.2.13)式よりtSi,tox2が次のように求まる
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