NEDOなど、半導体ウェハ面内の転移分布やひずみ分布を可視化する技術を実用化

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新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)、名古屋大学(名大)、Mipoxの3者は6月30日、非破壊・低コストで半導体結晶ウェハ内部の結晶欠陥(転位)を可視化し、製品の耐圧特性を劣化させる「キラー欠陥」を自動検査するシステムの共同研究を行い、転位をカウントするシステムの構築と、ウェハ全体の転位やひずみの分布を直感的にわかりやすく表示するヒートマップ表示機能の開発に成功したことを発表した。

また、Mipoxが今回の2つの研究成果をベースに開発された機能(転位カウント・ヒートマップ表示)を、同社の製品であるSiC結晶転位高感度可視化装置「XS-1 Sirius」に実装したことも併せて発表された。

同成果は、名大 未来材料・システム研究所の原田俊太准教授とMipoxの共同研究チームによるもの。研究は、NEDOの産学連携に取り組む若手研究者を支援する「官民による若手研究者発掘支援事業(若サポ)」の「半導体製造の生産性を向上させるキラー欠陥自動検査システムの開発」(2020~2022年度)として実施された。

SiCやGaNなどのパワー半導体は、基板を製造する際に多くの転位が生じ、それらがキラー欠陥となり得るため、検査によって欠陥の領域や密度を的確に把握する必要があり、高精度・高効率の欠陥検査技術が求められている。しかし、従来の技術では、転位部分を機械的に抽出できず、観察された像の定量的な評価が困難だったという。

そこで研究チームは今回、まずはグレースケールで観察される像の中から転位の位置を特定しカウントするシステムの構築を目標に開発を実施。具体的には、転位の可視化には、偏光に伴う結晶特有の複屈折特性(レタデーション)を利用した偏光観察の技術と、Mipoxが独自開発したリアルタイム位相演算処理技術が用いられた。観察される像はグレースケールによるコントラストとして形成されるため、これまでの技術では背景と転位のコントラストの切り分けが困難だった。しかし今回は、独自の画像処理フィルターを開発することにより、貫通転位が形成するコントラストを選択的に抽出することが可能になったという。

転位カウントシステムによる貫通転位の抽出の様子 (出所:MipoxプレスリリースPDF)

また一方で、転位カウントシステムのカウント結果を活用し、ウェハ全体の転位の数密度やひずみの分布を直感的にわかりやすく表示するヒートマップ表示機能の開発が進められた。こちらは、ウェハ中の転位密度や表示領域内のひずみの強弱をカラースケールで可視化する仕組みだという。

これらの技術は、シリコンウェハのほか、単結晶試料(SiC、GaN、ダイヤモンド、AlN、サファイアなど)の内部の転位、ウェハ内部のひずみ、エピウェハ内部の転位などの観察に対して活用可能だという。

研究チームでは、今回の成果について、パワー半導体ウェハの検査コストを低減するとともに、利便性や業務効率の向上に貢献するものとしているほか、Mipoxの「XS-1Sirius」に実装された、今回の成果をベースにした「転位カウント・ヒートマップ表示」機能は、ウェハに含まれる転位の数を95%以上の検出率で測定することに成功したとしており、これらの新機能を撮像とマルチタスクで処理させることで検査時間を短縮し、ウェハの全面検査において3インチで約4分、4インチで約7分、6インチで約15分という高速検査能力を実現したとしている。

なお、NEDOは引き続き、「官民による若手研究者発掘支援事業(若サポ)」による支援を行い、若手研究者の育成と半導体結晶検査装置の機能向上を通じた半導体製造技術の発展に貢献していくとしている。