米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）分析测量标准研究部[研究部部长野中秀彦]该部无损测量研究组首席研究员津田宏、高级研究员李志远、研究员王清华与东芝器件及存储装置株式会社（社长：福地博）（以下简称“东芝器件及存储装置”）联合开发了一种图像处理技术，可以从透射电子显微镜图像中检测晶体的缺陷。
近年来，为了保证半导体的性能和寿命，需要建立精确控制半导体器件制造过程中出现的结构缺陷的工艺技术。传统上，人们通过观察透射电子显微镜拍摄的高分辨率原子阵列图像来评估原子水平的缺陷，但放大倍数越高，视野越窄，使得评估大面积的缺陷极其耗时。新开发的技术是一种图像处理方法，可以在晶体的透射电子显微镜图像的大范围内轻松检测缺陷。该技术有望用作下一代功率器件氮化镓 (GaN)当应用于半导体的透射电子显微镜图像时，在整个图像中发现了一种缺陷易位的分布所开发的技术预计将有助于改善半导体器件的制造工艺。
这项技术的详细信息将于9月19日（当地时间）发表在《英国科学杂志》上纳米技术在线版已接受的手稿9 月 22 日还将举行一次国际会议国际固态器件与材料会议 (SSDM2017)
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| 从透射电子显微镜图像中可视化位错的技术示意图 |
近年来，GaN半导体有望用作下一代节能型电力转换和控制器件（功率器件）。在制造 GaN 器件时，由于用于晶体生长的衬底材料的晶格常数和热膨胀系数不同，位错（一种线性晶体缺陷）可能会在 GaN 晶体中高密度地出现。器件内的位错对性能和寿命有重大影响，因此能够评估制造工艺对位错密度和分布的影响将有助于建立最适合提高器件性能和延长寿命的制造工艺技术。原子排列结构可以通过透射电子显微镜放大数百万倍来观察，但放大倍数越高，视场越窄，因此不容易观察到大范围运动时的位错，并且综合评估整个器件大范围内的位错分布已经极其困难。
产业技术研究院开发了一种利用测量对象的规则图案来测量桥梁等大型结构物的变形分布的技术（2016 年 8 月 31 日 AIST 新闻稿）。由于无论规则图案的大小如何，都可以使用该技术，因此研究人员考虑将其应用于检测破坏原子排列的结构缺陷，例如位错。与此同时，半导体器件制造商东芝器件及存储公司正在寻找一种可以通过电子显微镜图像轻松评估半导体中位错分布的技术，以改进半导体制造工艺。
这次，AIST从东芝电子存储设备公司收到了在不同制造工艺条件下制造的GaN半导体器件的透射电子显微镜图像，并致力于评估位错分布。
新开发的缺陷检测技术是莫尔条纹晶体的原子排列被视为规则的晶格，并且使用采样莫尔方法产生莫尔条纹。由于莫尔条纹对应于放大的晶格的图案，因此认为莫尔条纹在存在导致晶格变形的位错的位置处出现不连续的变化。为了验证这个想法，我们进行了如图1所示的仿真。
首先，我们创建了一个二维网格阵列图像，如图 1(a) 所示。该二维晶格阵列在 Y 轴晶格中包含四个位错。通常，用透射电子显微镜拍摄的原子排列图像含有大量噪声并且不清晰。为了模拟实际的电子显微镜图像，我们创建了一个分析图像（图 1(b)），其中噪声叠加在图 1(a) 上。这个分析图傅里叶变换过滤然后，可以仅在X轴和Y轴方向上将其分离成晶格图像。图1(c)示出了图1(b)中经过傅里叶变换滤波得到的Y轴点阵图像。由于所使用的图像的Y轴方向的晶格间距较大，因此从Y轴晶格图像中可以观察到四个位错，但是如果晶格间距较窄，则难以观察到位错。为了进一步方便位错的检测，图1(c)采样莫尔条纹方法图1（d）显示了采样莫尔条纹的相图，该图在光栅图像的Y轴方向上放大了大约3倍。与图1（c）中的Y轴晶格图像相比，在晶格间距扩大的采样莫尔条纹的相图中，位错可以很容易地被视觉检测到作为莫尔条纹的端点或分支点。此外，通过图像处理，可以自动检测莫尔条纹的端点和分支点，并且可以评估整个电子显微镜图像中位错的数量和分布。
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| 图 1 使用图像处理模拟位错检测 |
接下来，我们将这种通过模拟验证的图像处理技术应用于GaN半导体的透射电子显微镜图像，尝试检测位错。图2是分析中使用的GaN半导体横截面的透射电子显微镜图像。该图像由保护层、34 nm 厚的 GaN、14 nm 厚的氮化铝镓（AlGaN）和缓冲层组成，尺寸为 48 nm x 54 nm。最上面的保护层被排除在分析之外，因为它是非晶态的并且无法观察到晶格结构。图2右侧显示了GaN层的一部分的放大图像。X轴光栅和Y轴光栅的晶格间距分别为027 nm和050 nm。
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| 图2 GaN半导体的透射电子显微照片（左）和放大图（右） |
对该图像进行傅里叶变换滤波得到的X轴和Y轴晶格图像(图3)的晶格间距较窄，不容易从晶格图像中目视检测出位错。因此，通过对该光栅图像应用采样莫尔条纹方法，我们得到了X轴光栅和Y轴光栅的采样莫尔条纹相图（图4）。采用采样莫尔法将X轴网格和Y轴网格分别放大4倍和27倍。虽然图2所示的电子显微镜图像中的原子排列不清楚，但图4所示的采样莫尔条纹的相图（原子排列的放大版本）是清晰的，并且可以通过目视轻松地确认表示位错的莫尔条纹的端点和分支点。
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| 图3 傅里叶变换滤波处理得到的X轴网格图像（左）和Y轴网格图像（右） |
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| 图4 通过图像处理得到的X轴光栅（左）和Y轴光栅（右）采样莫尔条纹相图 |
图 5 显示了通过对图 4 中的相图进行图像处理检测到的莫尔条纹的端点和分支点或位错。X 轴晶格中的位错以蓝色显示，Y 轴晶格中的位错以红色显示。可以看到Y轴晶格中有很多位错，即堆叠方向。在GaN层中，中心位错很少，而在与保护层和AlGaN层的界面附近存在许多位错。在AlGaN层中，位错在整个层中均匀分布，并且位错密度高于其他层。还发现垂直于堆叠方向的X轴晶格中的位错集中在GaN和AlGaN层之间的界面处。
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| 图5 位错分布图 |
利用新开发的技术，可以通过大范围的透射电子显微镜图像来评估位错分布。通过利用该技术评估制造工艺对位错分布的影响，有望建立高性能、长寿命、位错较少的半导体器件的制造工艺。
今后，我们将继续努力利用所开发的技术改进半导体器件的制造工艺，同时提供图像处理工具，并将分析技术作为通用透射电子显微镜图像分析系统实现商业化。