JP2001068519A

JP2001068519A - 半導体単結晶におけるエッチピット密度の測定方法

Info

Publication number: JP2001068519A
Application number: JP23691099A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Izumi; 聖志泉; Koji Nakane; 剛治中根; Katsuyasu Aikawa; 勝保相川
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd; Nireco Corp
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd; Nireco Corp
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2001-03-16
Anticipated expiration: 2019-08-24
Also published as: JP3662449B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体単結晶における結晶面の平坦度に左右
されずにエッチピット密度を正確に測定できるエッチピ
ット密度の測定方法を提供すること。【解決手段】エッチング処理された結晶面の拡大フル
カラー画像を得る工程、上記フルカラー画像を色分解し
て赤、緑、青の色分解画像を得る工程、各色分解画像を
構成する各画素群から閾値となる基準濃度より高若しく
は低い濃度を有する画素を抽出して各色分解画像を二値
化画像にそれぞれ変換する工程、変換された各二値化画
像中に含まれる独立図形をそれぞれ数える工程、得られ
た独立図形数の内その最小値をエッチピット数としこの
エッチピット数からエッチピツト密度を求める工程の各
工程を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶欠陥を評価す
る技術として利用される半導体単結晶におけるエッチピ
ット密度（ＥＰＤ）の測定方法に係り、特に、画像処理
技術を利用しかつ半導体単結晶における結晶面の平坦度
に左右されることなくエッチピット密度を正確に求める
ことができるエッチピット密度の測定方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体であるＧａＰやＧａＡｓ単
結晶等の半導体単結晶基板は電子デバイスとして広く用
いられている。これ等半導体単結晶基板をデバイスに使
用するには欠陥の少ない良質な単結晶であることが必要
である。これは、例えば引上法等で成長させたＧａＰ単
結晶インゴットから得られたＧａＰウェハを基板としエ
ピタキシャル成長法等で結晶成長させる場合、基板上の
欠陥がエピタキシャル成長層へ伝播して悪影響を及ぼす
からである。

【０００３】この結晶欠陥を評価する技術としてエッチ
ピット密度（ＥＰＤ）の測定がある。すなわち、欠陥が
存在する部分は欠陥のない部分より原子間の結合力が弱
い。このため、半導体単結晶の結晶面を薬液で処理する
と、欠陥部分はそれのない部分より速く溶解されて穴
（ピット）状になる。この穴をエッチピット、このとき
用いる薬液をエッチャント、この操作をエッチングとい
う。また、エッチング時間が長いとエッチピットは大き
くなる。そして、このエッチピット密度（ＥＰＤ）の測
定により結晶の欠陥密度を評価することができる。

【０００４】ところで、ＥＰＤの測定は、上記エッチピ
ットが認識できるように結晶面を顕微鏡等により拡大
し、この拡大画像中に存在するエッチピットを単位面積
（通常は平方センチメートル）当たりの個数に換算する
ことにより行われている。

【０００５】そして、エッチピットを数える基本的な手
段として、人間が拡大画像を見てエッチピットを認識し
その個数を数えるという目視による方法が知られてい
る。

【０００６】しかし、化合物半導体の場合、顕微鏡によ
り拡大された結晶面をＣＲＴモニターに表示しかつその
映像に一辺が２００μｍ〜５００μｍ程度の線を引いて
その矩形状内のエッチピットを数えると、数えるべきエ
ッチピット数が１００個を超えることも少なくない。ま
た、目視による方法は、ＣＲＴモニターを見ながらの作
業となるため作業者の目への負担が大きい問題があっ
た。

【０００７】そこで、目視による従来法に代わって以下
に述べるようなコンピュータシステムによる画像処理技
術を利用した測定法の開発が進められている。但し、目
視による方法は、作業者がエッチピット一つ一つについ
てその形状や色合い等を判断しながら測定する方法のた
め信頼性が高い。従って、画像処理技術を利用した測定
法の開発に際しては、目視による方法と同程度の測定精
度が得られるか否かが問題となる。

【０００８】以下、画像処理技術を利用した従来におけ
るエッチピットの測定法について説明する。

【０００９】まず、反射型顕微鏡を利用して上記結晶面
の拡大画像を得る場合、暗視野と明視野の２つの照明方
式がある。明視野照明の場合、照明光が測定面に対し垂
直に落射するのでエッチピットが暗く見え、エッチピッ
トでない部分は明るく見える。他方、暗視野の場合、レ
ンズ周辺から照射された照明光が測定面に対しやや斜め
に落射するので、照明光が上記レンズに丁度反射するよ
うな傾きを持った面が明るく見える。すなわち、エッチ
ピットの一部分が明るく見え、エッチピットのない部分
が暗く見える。

【００１０】また、エッチピットの形状は単結晶の種類
や特に面方位によって特徴のある形をとる。例えば、Ｇ
ａＰ単結晶（１１１）エッチング面の暗視野照明による
反射型顕微鏡のモノクロ拡大画像は図１のようになる。
図１では暗い部分程黒くなっている。よって、エッチピ
ット部分は白く見える。

【００１１】そして、画像処理技術を利用した従来法に
おけるエッチピットの測定は、以下のようにしてなされ
る。すなわち、白黒画像の各画素について濃度階調を基
に白い部分と黒い部分に分類する基準濃度（閾値）をま
ず設定し、図１のモノクロ拡大画像を構成する画素群か
ら上記閾値よりも白い部分の画素を抽出すると、図１の
モノクロ拡大画像は図２の画像に変換される。この図２
は、図１のモノクロ拡大画像からエッチピット部分を抽
出したものとなっている。この方法を二値化といい、図
２のような二値化された画像を二値化画像という。そし
て、二値化画像中に含まれる独立図形の数を機械計測あ
るいは目視により数えてエッチピット数とし、このエッ
チピット数からエッチピット密度（ＥＰＤ）を求めてい
る。尚、明視野画像を二値化する場合には、暗視野とは
逆に閾値よりも黒い部分の画素を抽出して二値化する。

【００１２】また、上記閾値（基準濃度）は、エッチピ
ットを除く全ての部分が取り出されないように設定す
る。そして、暗視野の場合、黒い部分の画素を取り除き
過ぎるとエッチピットである部分（白い部分の画素）が
検出できない。また、白い部分の画素を抽出し過ぎると
エッチピットでない部分（黒い部分の画素）までもが検
出されてしまう。よって、この間で上記閾値を設定す
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この画像処
理技術を利用した従来の測定法は、エッチング処理され
た結晶面の平坦度が良い場合にはエッチピット密度を正
確に測定することが可能であるが、上記結晶面の平坦度
が悪い場合には図３に示すように結晶面の凹凸が拡大画
像の濃淡として出てしまい、エッチピットをほとんど全
て検出するように閾値を設定しただけでは図４に示すよ
うにその凹凸までもが検出されエッチピット密度を正確
に測定できなくなる問題点を有していた。

【００１４】本発明はこのような問題点に着目してなさ
れたもので、その課題とするところは、画像処理技術を
利用しかつ半導体単結晶における結晶面の平坦度に左右
されることなくエッチピット密度を正確に求めることが
できるエッチピット密度の測定方法を提供することにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者は半導体単結晶のエッチング面（エッチピ
ットを生じさせる目的でエッチングした単結晶面をい
う）について拡大フルカラー画像を求めかつこのフルカ
ラー画像について検討を行った。

【００１６】すなわち、エッチング面の凹凸部分の勾配
はなだらかであるのに対しエッチピット部分の勾配は急
峻であるため、上記フルカラー画像を観察するとエッチ
ング面の凹凸部分とエッチピット部分の色調は異なって
いる。尚、目視でエッチピットを数える方法においては
この色調の違いを認識しながら行われている。

【００１７】従って、色調の違いでフルカラー画像を分
離さえできればエッチング面の凹凸部分とエッチピット
部分を分離できるのではないかと考えた。

【００１８】色調分離の一つとしてＲＧＢ（赤、緑、
青）分離がある。このＲＧＢ分離の方法は、コンピュー
タの基本処理方法であり、フルカラー画像を赤、緑、青
の濃淡画像（色分解画像）に分解する方法である。但
し、上述の画像処理技術を利用した従来の測定法では、
エッチング面のモノクロ（白黒）またはカラー画像その
ものの二値化しか実施されておらずＲＧＢ分離の方法は
適用されていなかった。

【００１９】そこで、上記エッチング面の拡大フルカラ
ー画像についてこれをＲＧＢ分解したところ、驚くべき
ことに、得られた色分解画像にはエッチング面の上記凹
凸部分が見える画像とこの凹凸部分を含まない画像があ
ることが発見された。

【００２０】従って、赤、緑、青の各色分解画像を二値
化した場合、エッチング面の上記凹凸部分が見える色分
解画像からはエッチング面の凹凸部分とエッチピット部
分がやはり抽出されるが、上記凹凸部分が見えない色分
解画像からはエッチピット部分のみが抽出されることに
なる。よって、赤、緑、青の各色分解画像を二値化し、
かつ、二値化された各画像中に含まれる独立図形の数を
数えた場合、その最小値（上記凹凸部分が含まれない
分、独立図形の数は小さくなるため）がエッチピット数
となることが判明した。本発明はこのような技術的発見
に基づき完成されたものである。

【００２１】すなわち、請求項１に係る発明は、半導体
単結晶の結晶面をエッチング処理してエッチピットを形
成しかつ上記結晶面の拡大画像からエッチピツト密度を
測定する半導体単結晶におけるエッチピット密度の測定
方法を前提とし、エッチング処理された結晶面の拡大フ
ルカラー画像を得る工程と、得られたフルカラー画像を
色分解して赤、緑、青の色分解画像を得る工程と、赤、
緑、青の各色分解画像を構成する各画素群から閾値とな
る基準濃度より高若しくは低い濃度を有する画素を抽出
して各色分解画像を二値化画像にそれぞれ変換する工程
と、変換された各二値化画像中に含まれる独立図形をそ
れぞれ数える工程と、各二値化画像中における独立図形
数の内その最小値をエッチピット数としこのエッチピッ
ト数からエッチピツト密度を求める工程、の各工程を有
することを特徴とするものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００２３】まず、測定対象となる半導体としては、Ｓ
ｉやＧｅ等の単体、および、結晶欠陥の多いＧａＡｓ、
ＧａＰやＩｎＰ等の化合物半導体が例示される。特に、
エッチング面の平坦度が悪い半導体単結晶の場合、上述
した画像処理を行う際の閾値の設定が難しくなるので本
発明は有用である。尚、エッチング面とは、上述したよ
うにエッチピットを生じさせる目的でエッチング処理し
た単結晶面を意味し、エッチピットが生じればよいので
エッチャントの種類は任意である。また、本発明の測定
方法により評価される半導体単結晶の用途は任意である
が、電子デバイスに使用される場合、上記エッチング面
は、主に（１００）や（１１１）等の低方位面付近であ
る。

【００２４】次に、エッチング処理された結晶面（エッ
チング面）の拡大フルカラー画像とは、反射型顕微鏡や
微分干渉顕微鏡等の手法によりエッチピットが認識でき
る大きさにエッチング面を拡大したフルカラー画像を意
味する。また、赤、緑、青の色分解画像を変換して二値
化画像にする場合、上記色分解画像としては、赤、緑、
青色をそれぞれ呈する濃淡画像でもよいし、あるいは、
赤、緑、青の色分解画像をそれぞれモノクロ（白黒）に
変換した濃淡画像であってもよい。また、二値化画像中
に含まれる独立図形を数える手段については、従来技術
と同様、機械計測あるいは目視により数えてもよい。

【００２５】尚、本発明は画像処理技術を利用している
が、この画像処理とは、ビデオカメラ等撮像手段を介し
て上記フルカラー画像を画像データとしてコンピュータ
に取り込みかつこの画像データを二値化する等の演算処
理を行う一連の処理を意味している。

【００２６】次に、本発明の測定方法を一般的なシステ
ムで使用した場合について説明する。

【００２７】まず、顕微鏡にビデオカメラを取付け、か
つ、ビデオカメラで撮影した画像が取り込めるようにビ
デオカメラの出力側をコンピュータに接続する。次に、
測定するウェハを上記顕微鏡にセットし、測定点を顕微
鏡の視野内に入れると共に焦点を合わせる。次に、ウェ
ハ測定面の拡大画像がコンピュータのモニター上に表示
されるので、この拡大画像をフルカラーでコンピュータ
に取り込む。

【００２８】そして、上記拡大画像を画像処理ソフトや
イメージプロセッサ等でＲＧＢ分解し、各色分解画像を
二値化した後、各二値化画像中に含まれる独立図形をそ
れぞれ数え、その最小値をエッチピット数としＥＰＤ濃
度に換算して終了する。

【００２９】

【実施例】以下、表面の平坦度が悪いウェハについて本
発明の測定方法によりＥＰＤ測定した実施例について具
体的に説明する。

【００３０】まず、ＬＥＣ法で引き上げたＧａＰ単結晶
インゴットから得られたウェハについて、その（１１
１）面を加熱した王水で１０分程度エッチングした後、
ＨＦを４００ｍｌ、ＨＮＯ₃を６００ｍｌ、Ｈ₂Ｏを８０
０ｍｌ、ＡｇＮＯ₃を１ｇの割合で混合して得られたエ
ッチャントを６０〜７０℃に加熱した状態で上記ウェハ
の（１１１）面を更に６〜７分間エッチング処理した。

【００３１】次に、このエッチング面を反射型顕微鏡の
暗視野照明下で照明光量と焦点を合わせて拡大し、この
拡大画像を工業用カメラを介してフルカラーでコンピュ
ータに取り込んだ。この拡大フルカラー画像をモノクロ
（白黒）に変換した画像が図３であり、その面積は０．
２４ｍｍ²である。また、上記拡大フルカラー画像をＲ
ＧＢ分解しかつモノクロ（白黒）変換した色分解画像が
図５（Ｒ部分）、図６（Ｇ部分）および図７（Ｂ部分）
である。また、３枚の色分解画像からエッチピットを検
出できるように閾値を設定し、二値化画像に変換したも
のが図８（Ｒ部分）、図９（Ｇ部分）および図１０（Ｂ
部分）である。

【００３２】そして、図８（Ｒ部分）、図９（Ｇ部分）
および図１０（Ｂ部分）に示された各二値化画像中に含
まれる独立図形をそれぞれ数え、図形数の最小値をエッ
チピット数とした。これ等結果を以下の表１に示す。

【００３３】また、上記拡大フルカラー画像をモノクロ
（白黒）変換した図３の画像についてＲＧＢ分解せずに
二値化した画像（比較例）を図４に示す。

【００３４】そして、図４に示す二値化画像中に含まれ
る独立図形の数（エッチピット数）は以下の表１に示す
ように４９５と目視例に記載されたエッチピット数（１
９６）より大きな数値になっている。これはエッチング
面の凹凸部分まで検出されているためである。

【００３５】他方、図８（Ｒ部分）の二値化画像中に含
まれる独立図形の数（エッチピット数）は以下の表１に
示すように７０６と比較例より大きな値となっている。
これはエッチング面の凹凸部分が強調されているためで
ある。また、図９（Ｇ部分）の二値化画像中に含まれる
独立図形の数（エッチピット数）は以下の表１に示すよ
うに３４４と目視例に記載されたエッチピット数（１９
６）より大きいが比較例よりは小さくなっている。これ
はエッチング面の凹凸部分がわずかに含まれているため
である。図１０（Ｂ部分）の二値化画像中に含まれる独
立図形の数（エッチピット数）は以下の表１に示すよう
に１８５と目視例に記載されたエッチピット数（１９
６）に極めて近似した値となっている。

【００３６】すなわち、図８、図９および図１０に示さ
れた各二値化画像中に含まれる独立図形をそれぞれ数
え、図形数の最小値をエッチピット数とすることにより
目視による方法と同程度の精度でエッチピット数を求め
られることが確認できる。

【００３７】尚、図５、図６および図７の各色分解画像
から二値化画像を得る場合の各閾値は共に同一に設定さ
れ、また、拡大フルカラー画像をモノクロ（白黒）変換
した図３の画像から二値化画像を得る場合の閾値も各色
分解画像から二値化画像を得る場合の上記閾値と同一に
設定されている。但し、本発明において各色分解画像か
ら二値化画像を得る場合の各閾値については必ずしも同
一に設定することを要しない。

【００３８】また、エッチピットの個数を１ｃｍ²当た
りに換算する（すなわちエッチピット密度を求める）に
は、上記個数を０．２４×１０^-2で割ればよい。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【発明の効果】請求項１記載の発明に係るエッチピット
密度の測定方法によれば、エッチング処理された結晶面
の拡大フルカラー画像を得る工程と、得られたフルカラ
ー画像を色分解して赤、緑、青の色分解画像を得る工程
と、赤、緑、青の各色分解画像を構成する各画素群から
閾値となる基準濃度より高若しくは低い濃度を有する画
素を抽出して各色分解画像を二値化画像にそれぞれ変換
する工程と、変換された各二値化画像中に含まれる独立
図形をそれぞれ数える工程と、各二値化画像中における
独立図形数の内その最小値をエッチピット数としこのエ
ッチピット数からエッチピツト密度を求める工程、の各
工程を有するため、半導体単結晶における結晶面の平坦
度に左右されることなくエッチピット密度を正確に測定
できる効果を有する。

【００４１】また、この測定方法は画像処理とその演算
処理で実施できるため、エッチピット密度の自動測定に
応用可能となる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＧａＰ単結晶（１１１）エッチング面の暗視野
照明による反射型顕微鏡のモノクロ（白黒）拡大画像
図。

【図２】図１における拡大画像の二値化画像図。

【図３】結晶面の平坦度が悪い単結晶エッチング面の暗
視野照明による反射型顕微鏡のモノクロ（白黒）拡大画
像図。

【図４】図３における拡大画像の二値化画像図。

【図５】図３のフルカラー拡大画像をＲＧＢ分解したＲ
部分のモノクロ（白黒）拡大画像図。

【図６】図３のフルカラー拡大画像をＲＧＢ分解したＧ
部分のモノクロ（白黒）拡大画像図。

【図７】図３のフルカラー拡大画像をＲＧＢ分解したＢ
部分のモノクロ（白黒）拡大画像図。

【図８】図５における拡大画像の二値化画像図。

【図９】図６における拡大画像の二値化画像図。

【図１０】図７における拡大画像の二値化画像図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中根剛治東京都八王子市石川町2951番地４株式会社ニレコ内 (72)発明者相川勝保東京都八王子市石川町2951番地４株式会社ニレコ内Ｆターム(参考） 4M106 AA01 AA10 BA12 CB20 DH12 DH50 DJ11 DJ14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体単結晶の結晶面をエッチング処理し
てエッチピットを形成しかつ上記結晶面の拡大画像から
エッチピツト密度を測定する半導体単結晶におけるエッ
チピット密度の測定方法において、エッチング処理された結晶面の拡大フルカラー画像を得
る工程と、得られたフルカラー画像を色分解して赤、緑、青の色分
解画像を得る工程と、赤、緑、青の各色分解画像を構成する各画素群から閾値
となる基準濃度より高若しくは低い濃度を有する画素を
抽出して各色分解画像を二値化画像にそれぞれ変換する
工程と、変換された各二値化画像中に含まれる独立図形をそれぞ
れ数える工程と、各二値化画像中における独立図形数の内その最小値をエ
ッチピット数としこのエッチピット数からエッチピツト
密度を求める工程、の各工程を有することを特徴とする半導体単結晶におけ
るエッチピット密度の測定方法。