(57)【要約】【課題】  積層された２つの半導体層において、上層に位置する半導体層の膜厚を精度良く測定する新たな技術を提供する。【解決手段】  本明細書が開示する膜厚測定方法は、膜厚測定装置を用いて第１半導体層の表面を覆う第２半導体層の膜厚を測定する。第１半導体層と第２半導体層が、同じ主材料により構成されており、同じ導電型である。膜厚測定装置は、光源から照射された光が、ハーフミラーで反射した後にステージに固定された半導体基板で反射し、半導体基板で反射した光がハーフミラーを透過して光検出器に入射するように構成されている。半導体基板で反射した光が、第２半導体層の表面で反射される第１の反射光と、第２半導体層と第１半導体層の界面で反射される第２の反射光を含む。膜厚計算器が、光検出器で検出された光に基づいて、第２半導体層の膜厚を算出する。【選択図】図３
2020188166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜厚測定装置を用いて第１半導体層の表面を覆う第２半導体層の膜厚を測定する方法であって、
前記第１半導体層と前記第２半導体層が、同じ主材料により構成されており、同じ導電型であり、
前記膜厚測定装置が、光源と、ステージと、ハーフミラーと、光検出器と、膜厚計算器を有し、
前記方法が、
前記ステージに前記第１半導体層と前記第２半導体層を備える半導体基板を固定する工程と、
前記膜厚測定装置によって前記第２半導体層の膜厚を測定する工程、
を有し、
前記光源から照射された光が、前記ハーフミラーで反射した後に前記ステージに固定された前記半導体基板で反射し、前記半導体基板で反射した光が前記ハーフミラーを透過して前記光検出器に入射するように前記膜厚測定装置が構成されており、
前記半導体基板で反射した光が、前記第２半導体層の表面で反射される第１の反射光と、前記第２半導体層と前記第１半導体層の界面で反射される第２の反射光を含み、
前記膜厚計算器が、前記光検出器で検出された光に基づいて、前記第２半導体層の膜厚を算出する、
方法。
【請求項２】
前記主材料が、ワイドギャップ半導体であり、
前記光源が、可視光または紫外光を照射する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記膜厚測定装置が、前記ハーフミラーと前記ステージの間に配置された対物レンズをさらに有し、
前記方法が、前記対物レンズを移動させることにより、前記半導体基板に照射される光の焦点の位置を調整する工程をさらに有する、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１半導体層と前記第２半導体層が、ドーパントを含有しており、
前記ドーパントの濃度のピークが、前記第１半導体層と前記第２半導体層の界面に存在している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記主材料が、酸化物半導体である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１半導体層と前記第２半導体層が、ｎ型であり、
前記第１半導体層と前記第２半導体層が、ＩＶ族元素を含有している、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ＩＶ族元素が、炭素または珪素である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体基板内の酸素原子濃度のピークが、前記第１半導体層と前記第２半導体層の界面に存在している、請求項５〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記酸化物半導体が、酸化ガリウムである、請求項５〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記半導体基板内の結晶欠陥密度の極大値または極小値が、前記第１半導体層と前記第２半導体層の界面に存在する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１半導体層と前記第２半導体層の厚さ方向に沿って測定された前記半導体基板内の結晶欠陥密度の分布において前記結晶欠陥密度の変化量が最大となる部分が、前記第１半導体層と前記第２半導体層の界面に存在する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記半導体基板には、スイッチング素子が形成されており、
前記第２半導体層の抵抗が、前記第１半導体層の抵抗よりも高く、
前記第２半導体層が、前記スイッチング素子のドリフト層である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、半導体層の膜厚を測定する方法に関する。
【０００２】
特許文献１には、窒化ガリウム基板上にエピタキシャル成長によって形成された窒化ガリウム膜の膜厚をフーリエ変換赤外分光法または赤外分光エリプソメトリ法により測定する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１９−９３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本明細書では、積層された２つの半導体層において、上層に位置する半導体層の膜厚を精度良く測定することが可能な特許文献１とは別の技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書は、膜厚測定装置を用いて第１半導体層の表面を覆う第２半導体層の膜厚を測定する方法を開示する。前記第１半導体層と前記第２半導体層が、同じ主材料により構成されており、同じ導電型である。前記膜厚測定装置が、光源と、ステージと、ハーフミラーと、光検出器と、膜厚計算器を有する。前記方法が、前記ステージに前記第１半導体層と前記第２半導体層を備える半導体基板を固定する工程と、前記膜厚測定装置によって前記第２半導体層の膜厚を測定する工程を有する。前記光源から照射された光が、前記ハーフミラーで反射した後に前記ステージに固定された前記半導体基板で反射し、前記半導体基板で反射した光が前記ハーフミラーを透過して前記光検出器に入射するように前記膜厚測定装置が構成されている。前記半導体基板で反射した光が、前記第２半導体層の表面で反射される第１の反射光と、前記第２半導体層と前記第１半導体層の界面で反射される第２の反射光を含む。前記膜厚計算器が、前記光検出器で検出された光に基づいて、前記第２半導体層の膜厚を算出する。
【０００６】
上記の方法によれば、第２半導体層の膜厚を精度よく測定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】半導体基板１０の断面図。
【図２】半導体基板１０の厚み方向におけるドーパント濃度の分布の一例を示す図。
【図３】膜厚測定装置１００の構成を模式的に示す図。
【図４】半導体基板１０の厚み方向におけるドーパント濃度の分布の他の一例を示す図。
【図５】半導体基板１０の厚み方向における結晶欠陥密度の分布の一例を示す図。
【図６】半導体基板１０の厚み方向における抵抗の変化の一例を示す図。
【図７】半導体基板１０の厚み方向における酸素原子濃度の分布の一例を示す図。
【図８】半導体基板１０の厚み方向における結晶欠陥密度の分布の他の一例を示す図。
【図９】半導体基板２０の断面図。
【図１０】半導体基板２０の厚み方向におけるドーパント濃度の分布の一例を示す図。
【図１１】半導体基板２０の厚み方向における結晶欠陥密度の分布の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、本実施形態の測定方法に用いられる膜厚測定装置１００によって膜厚が測定される半導体基板１０の断面図である。図１に示すように、半導体基板１０は、第１半導体層１２と、第２半導体層１４を備えている。第２半導体層１４は、第１半導体層１２の上面を覆っている。第１半導体層１２は、ワイドギャップ半導体を主材料とする半導体材料により構成されている。本実施形態では、ワイドギャップ半導体として、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）が採用されている。第１半導体層１２は、ｎ型である。第２半導体層１４は、第１半導体層１２の表面に設けられている。第２半導体層１４は、ワイドギャップ半導体を主材料とする半導体材料により構成されている。本実施形態では、ワイドギャップ半導体として、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）が採用されている。第２半導体層１４は、ｎ型である。なお、第１半導体層１２及び第２半導体層１４を構成する主材料は、特に限定されず、第１半導体層１２と第２半導体層１４の主材料が、同じ半導体材料により構成されていればよい。また、第１半導体層１２と第２半導体層１４は、同じ導電型であればよく、両者が共にｐ型であってもよい。また、半導体基板１０内には、スイッチング素子が形成されていてもよく、第２半導体層１４が当該スイッチング素子のドリフト層として機能してもよい。
【０００９】
半導体基板１０は、ドーパントを含有している。図２は、半導体基板１０の厚み方向における、半導体基板１０が含有するドーパント濃度の分布を示している。図２に示すように、半導体基板１０は、ドーパントとして珪素（Ｓｉ）を含有している。珪素の濃度のピークが、第１半導体層１２と第２半導体層１４の界面１３に存在している。このような半導体基板１０は、例えば、第１半導体層１２の上面に珪素を注入した後、第１半導体層１２の上面に第２半導体層１４をエピタキシャル成長させることにより得ることができる。また例えば、珪素を含有するガスに第１半導体層１２の上面を曝すことにより、第１半導体層１２の上面に珪素を吸着させた後、第１半導体層１２の上面に第２半導体層１４をエピタキシャル成長させることによっても、上記の半導体基板１０を得ることができる。なお、半導体基板１０が含有するドーパントは、珪素に限られず、炭素（Ｃ）等の他のＩＶ族元素であってもよい。
【００１０】
次に、本実施形態の測定方法に用いられる膜厚測定装置１００について説明する。図３に示すように、膜厚測定装置１００は、光源１０２と、ステージ１０４と、ハーフミラー１０６と、光検出器１０８と、膜厚計算器１１０と、対物レンズ１１２を有する。
【００１１】
光源１０２は、所定の波長帯域の光を照射する光源である。本実施形態では、光源１０２は、可視光（約４００〜８００ｎｍ）または紫外光（約２００〜４００ｎｍ）を照射する。
【００１２】
ステージ１０４には、測定対象の半導体基板１０が固定される。半導体基板１０は、第１半導体層１２の下面がステージ１０４に当接するように固定される。したがって、半導体基板１０がステージ１０４上に固定されると、第２半導体層１４の上面が上方となる。
【００１３】
ハーフミラー１０６は、入射する光の一部を反射するとともに残部を透過する。ハーフミラー１０６は、ステージ１０４の上方に設けられている。詳細には、ハーフミラー１０６は、ステージ１０４上に固定された半導体基板１０の直上に設けられる。ハーフミラー１０６は、ステージ１０４の上面に立てた垂線に対して傾斜して設けられている。ハーフミラー１０６は、光源１０２から照射されてハーフミラー１０６で反射した光が、ステージ１０４に載置された半導体基板１０に照射される角度で傾斜している。したがって、光源１０２から照射される光は、ハーフミラー１０６で反射して半導体基板１０の上面に対して略垂直な角度で入射する。
【００１４】
半導体基板１０の上面に照射された光は、その上面で反射する。半導体基板１０の上面で反射した光の一部は、ハーフミラー１０６を透過する。ハーフミラー１０６を透過した光は、光検出器１０８に入射する。
【００１５】
光検出器１０８は、半導体基板１０で反射される光から得られる干渉光に基づいて、干渉信号を生成する。光検出器１０８は、回折格子１１４と、受光素子１１６を有している。回折格子１１４は、光検出器１０８に入射した光を波長毎に分光して、干渉縞を生成する。受光素子１１６は、回折格子１１４で波長毎に分光された光を検出することで、干渉信号を生成する。膜厚計算器１１０は、受光素子１１６で生成された干渉信号に対する各種処理を行い、第２半導体層１４の膜厚を算出する。光検出器１０８と膜厚計算器１１０については、後により詳細に説明する。
【００１６】
対物レンズ１１２は、ステージ１０４とハーフミラー１０６の間に配置されている。対物レンズ１１２を光軸方向（すなわち、ステージ１０４とハーフミラー１０６を結ぶ方向）に移動させることにより、光源１０２から照射される光の焦点の位置を変化させることができる。
【００１７】
膜厚測定装置１００を用いて半導体基板１０の第２半導体層１４の膜厚を測定する際には、まず、測定対象の半導体基板１０をステージ１０４に固定する。そして、光源１０２から光を照射する。光源１０２から照射された光は、ハーフミラー１０６で反射した後、対物レンズ１１２を介してステージ１０４に固定された半導体基板１０に入射する。半導体基板１０に入射した光は、第２半導体層１４の上面と、第２半導体層１４と第１半導体層１２の界面１３と、で反射される。以下、第２半導体層１４の上面で反射された光を第１の反射光といい、第２半導体層１４を透過して第２半導体層１４と第１半導体層１２の界面１３で反射された光を第２の反射光という。
【００１８】
第１の反射光と第２の反射光は、対物レンズ１１２を介してハーフミラー１０６を透過した後、光検出器１０８に入射される。光検出器１０８に入射した第１の反射光と第２の反射光は、回折格子１１４に入射する。回折格子１１４に入射した第１の反射光及び第２の反射光は、それぞれ波長毎に分光される。そして、分光された各光は、回折格子１１４で反射して受光素子１１６に入力される。受光素子１１６には、例えば、ラインセンサ（ポリクロメータ）を用いることができる。受光素子１１６において、第１の反射光及び第２の反射光の波長毎の干渉が計測される。そして、光検出器１０８は、計測された干渉光の強度に応じた干渉信号を生成し、当該干渉信号を膜厚計算器１１０に入力する。
【００１９】
膜厚計算器１１０は、入力された干渉信号に基づいて、第２半導体層１４の膜厚を算出する。具体的には、膜厚計算器１１０は、入力された干渉信号から反射率のピークが存在する各波長を抽出し、その波長に基づいて第２半導体層１４の膜厚を算出する。以上のようにして、第２半導体層１４の膜厚を算出することができる。このように、本実施形態では、半導体基板１０への入射光の光路と、半導体基板１０からの反射光の光路とが一部重複する膜厚測定装置を用いて、第２半導体層１４の膜厚を測定することができる。
【００２０】
本実施形態では、光源１０２が、可視光または紫外光（約２００〜８００ｎｍ）を照射する。すなわち、照射される光の波長が、赤外分光に主に用いられる光の波長（約０．８〜４μｍ）と比較して短い。一般的に、膜厚を精度良く測定するためには、照射される光の波長が測定対象の膜厚よりも小さいことが要求される。このため、本実施形態では、μｍオーダーの半導体基板１０の第２半導体層１４の膜厚を好適に測定することができる。
【００２１】
また、本実施形態では、対物レンズ１１２が、ステージ１０４とハーフミラー１０６の間に配置されている。すなわち、対物レンズ１１２が、半導体基板１０への入射光と、半導体基板１０からの反射光とが重複する光路上に設けられている。したがって、本実施形態では、光源１０２から照射される光の焦点位置の調整が容易となる。
【００２２】
また、本実施形態の測定に用いられる半導体基板１０は、ドーパントを含有しており、当該ドーパントの濃度のピークが、第１半導体層１２と第２半導体層１４の界面１３に存在している。したがって、界面１３では、その光学特性（例えば屈折率等）が、他の部分と異なる。このため、界面１３で反射する光（すなわち、第１の反射光）を検出することが容易となり、界面１３の位置を精度良く検出することができる。
【００２３】
上述した実施形態の半導体基板１０では、第１半導体層１２と第２半導体層１４の界面１３に、ドーパント濃度のピークが存在していたが、当該界面１３にドーパント濃度のピークが存在していなくてもよい。また、第１半導体層１２と第２半導体層１４の界面１３に、結晶欠陥密度のピーク（極大値）または極小値が存在していたが、当該界面１３に結晶欠陥密度の極大値または極小値が存在していなくてもよい。
【００２４】
なお、本実施形態の方法により膜厚が測定される半導体基板１０は、図４に示すように、第１半導体層１２にその深さ方向に一様な濃度でＳｉがドープされており、第２半導体層１４にその深さ方向に一様な濃度で第１半導体層２２よりも低濃度のＳｉがドープされていてもよい。この構成は、例えば、Ｓｉがドープされた第１半導体層１２を準備し、第１半導体層１２の上面にＳｉをさらに注入した後、第１半導体層１２の上面に第１半導体層１２よりも低濃度のＳｉがドープされた第２半導体層１４をエピタキシャル成長させることによって得ることができる。
【００２５】
半導体基板１０が図４に示すドーパント濃度の分布を有する場合、図５に示すように、Ｓｉの濃度のピークが存在する深さ（すなわち、第１半導体層１２と第２半導体層１４の界面１３）に結晶欠陥密度のピークが存在する。この半導体基板１０は、界面１３における結晶欠陥密度が局所的に高いので、膜厚測定装置１００を用いて半導体基板１０の測定を行うと、界面１３における光学特性が、他の部分における光学特性と異なる。したがって、界面１３で反射する光を検出することが容易となり、界面１３の位置を精度良く検出することができる。なお、一般的に、半導体層は、その結晶欠陥密度が高いほど抵抗が高い。この半導体基板１０では、界面１３において結晶欠陥密度のピークが存在するものの、界面１３におけるＳｉの濃度が高いので、図６に示すように、界面１３の抵抗は、第１半導体層１２の抵抗とほとんど変わらない。このように、半導体基板１０では、界面１３における抵抗に大きな変化がなくても、界面１３の結晶欠陥密度が高いために、界面１３の位置を精度良く検出することができる。
【００２６】
また例えば、図７に示すように、半導体基板１０内の酸素原子濃度のピークが、第１半導体層１２と第２半導体層１４の界面１３に存在してもよい。この半導体基板１０は、例えば、窒素雰囲気下で長時間アニールした後、酸素雰囲気下で短時間アニールした第１半導体層１２を準備し、第１半導体層１２の上面に第２半導体層１４をエピタキシャル成長させることによって得ることができる。第１半導体層１２を窒素雰囲気下で長時間アニールすると、第１半導体層１２の内部の酸素濃度が低下し、第１半導体層１２内の結晶欠陥密度が高くなる。その後、第１半導体層１２を酸素雰囲気下で短時間アニールすることにより、第１半導体層１２の表面付近に酸素が取り込まれ、第１半導体層１２の表面近傍の領域では結晶欠陥密度が低くなる。その後、第２半導体層１４を形成することにより、図８に示すように、結晶欠陥密度の極小値が第１半導体層１２と第２半導体層１４の界面１３に存在する半導体基板１０を得ることができる。この半導体基板１０では、界面１３における結晶欠陥密度が局所的に低いので、膜厚測定装置１００を用いて半導体基板１０の測定を行うと、界面１３における光学特性が、他の部分における光学特性と異なる。したがって、界面１３の位置を精度良く検出することができる。
【００２７】
また例えば、図９に示すように、窒化ガリウムを主材料とする半導体基板２０の膜厚を測定してもよい。この半導体基板２０では、図１０に示すように、第１半導体層２２には、Ｓｉが深さ方向に一様な濃度でドープされているとともに、Ｓｉよりも低濃度のホウ素（Ｂ）が深さ方向に一様な濃度でドープされている。第２半導体層２４には、第１半導体層２２よりも低濃度のＳｉが深さ方向に一様な濃度でドープされており、Ｂはドープされていない。この半導体基板２０は、例えば、窒化ホウ素材を用いたＨＶＰＥ（Hydride-Vapor Phase Epitaxy）法により、Ｓｉ及びＢが深さ方向に一様な濃度でドープされた第１半導体層２２を形成する。その後、窒化ホウ素材を用いないＨＶＰＥ法により第１半導体層２２の上面に第２半導体層２４をエピタキシャル成長させることによって得ることができる。
【００２８】
上記の半導体基板２０では、図１１に示すように、第１半導体層２２にＢが含有されることにより、第１半導体層２２の結晶欠陥密度が高くなる。このため、第１半導体層２２と第２半導体層２４の界面２３には、半導体基板２０の厚さ方向に沿って測定された半導体基板２０内の結晶欠陥密度の分布において、結晶欠陥密度の変化量が最大となる部分が存在する。このように、半導体基板２０では、界面２３において結晶欠陥密度が急峻に変化しているので、膜厚測定装置１００を用いて半導体基板２０の測定を行うと、界面２３における光学特性が、他の部分における光学特性と異なる。このため、界面２３の位置を精度良く検出することができる。
【００２９】
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
【００３０】
本明細書が開示する一例の構成では、主材料がワイドギャップ半導体であり、光源が可視光または紫外光を照射してもよい。
【００３１】
このような構成では、光源が照射する光の波長が比較的に短い。このため、μｍオーダーの膜厚を有する半導体層を好適に測定することができる。
【００３２】
本明細書が開示する一例の構成では、膜厚測定装置が、ハーフミラーとステージの間に配置された対物レンズをさらに有してもよい。また、本明細書が開示する一例の方法は、対物レンズを移動させることにより、半導体基板に照射される光の焦点の位置を調整する工程をさらに有してもよい。
【００３３】
このような構成では、対物レンズが、半導体基板に入射する入射光と、半導体基板から反射する反射光とが重複する光路上に配置される。したがって、対物レンズを移動させることにより、半導体基板に照射される光の焦点位置を容易に調整することができる。
【００３４】
本明細書が開示する一例の構成では、第１半導体層と第２半導体層が、ドーパントを含有してもよい。ドーパントの濃度のピークが、第１半導体層と第２半導体層の界面に存在してもよい。
【００３５】
このような構成では、第１半導体層と第２半導体層の界面における光学特性が、他の部分における光学特性と異なる。したがって、界面で反射する光を検出することが容易となり、界面の位置を精度良く検出することができる。
【００３６】
本明細書が開示する一例の構成では、主材料が、酸化物半導体であってもよい。
【００３７】
本明細書が開示する一例の構成では、第１半導体層及び第２半導体層がｎ型であり、第１半導体層と第２半導体層が、ＩＶ族元素を含有していてもよい。
【００３８】
本明細書が開示する一例の構成では、ＩＶ族元素が、炭素または珪素であってもよい。
【００３９】
本明細書が開示する一例の構成では、半導体基板内の酸素原子濃度のピークが、第１半導体層と第２半導体層の界面に存在してもよい。
【００４０】
このような構成では、半導体基板内の第１半導体層と第２半導体層の界面における結晶欠陥密度が低い。このため、界面における光学特性が、他の部分における光学特性と異なる。したがって、界面で反射する光を検出することが容易となり、界面の位置を精度良く検出することができる。
【００４１】
本明細書が開示する一例の構成では、酸化物半導体が、酸化ガリウムであってもよい。
【００４２】
本明細書が開示する一例の構成では、半導体基板内の結晶欠陥密度の極大値または極小値が、第１半導体層と第２半導体層の界面に存在してもよい。
【００４３】
本明細書が開示する一例の構成では、第１半導体層と第２半導体層の厚さ方向に沿って測定された半導体基板内の結晶欠陥密度の分布において結晶欠陥密度の変化量が最大となる部分が、第１半導体層と第２半導体層の界面に存在してもよい。
【００４４】
上記の各構成のように結晶欠陥密度が分布していると、第１半導体層と第２半導体層の界面における光学特性が、他の部分における光学特性と異なる。したがって、界面で反射する光を検出することが容易となり、界面の位置を精度良く検出することができる。
【００４５】
本明細書が開示する一例の構成では、半導体基板には、スイッチング素子が形成されてもよい。第２半導体層の抵抗が、第１半導体層の抵抗よりも高くてもよい。第２半導体層が、スイッチング素子のドリフト層であってもよい。
【００４６】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４７】
１０：半導体基板、１２：第１半導体層、１３：界面、１４：第２半導体層、１００：膜厚測定装置、１０２：光源、１０４：ステージ、１０６：ハーフミラー、１０８：光検出器、１１０：膜厚計算器、１１２：対物レンズ、１１４：回折格子、１１６：受光素子
【図１】
2020188166.tif 000003
【図２】
2020188166.tif 000004
【図３】
2020188166.tif 000005
【図４】
2020188166.tif 000006
【図５】
2020188166.tif 000007
【図６】
2020188166.tif 000008
【図７】
2020188166.tif 000009
【図８】
2020188166.tif 000010
【図９】
2020188166.tif 000011
【図１０】
2020188166.tif 000012
【図１１】
2020188166.tif 000013