(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶インゴットに生じたファセット成長領域を取り除いた後、上記単結晶インゴットの結晶成長方位に応じて、上記ファセット成長領域を取り除いた部分又はファセット成長が生じない部分の単結晶インゴット側面の結晶学的な面を特定する第１過程と、この特定した面に基づく照射面に励起光を照射する第２過程と、この励起光によるフォトルミネッセンススペクトルに基づいてキャリア濃度を評価する第３過程とを備えることを特徴とする、半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項２】
前記第１過程において、ファセット成長が単結晶インゴットの外周部｛１１１｝ファセット成長であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項３】
前記第１過程において、インゴット外周の晶癖線相互の関係により、又はインゴット外周の晶癖線相互の関係及びＸ線回折により、結晶学的な面を特定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項４】
前記第１過程において、結晶成長方位が〔−１００〕とした場合、特定した結晶学的な面が（００１）面、（０１０）面、（００−１）面及び（０−１０）面のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項５】
前記第１過程において、前記結晶成長方位が〔−１００〕と等価な方位であり、かつ、前記特定した結晶学的な面が（００１）面、（０１０）面、（００−１）面及び（０−１０）面のいずれかと等価であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項６】
前記第２過程において、照射面が、特定した面から±２０°以内の面であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項７】
前記第１過程において、単結晶インゴットの成長方位が〔−１００〕で種結晶側の方位が〔１００〕であり、特定した結晶学的な面が（０１−１）面及び（０−１１）面のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項８】
前記第２過程において、照射面が、結晶学的な面として機械研削によって平面研削面を形成する面を（０１−１）面から±５°以内及び（０−１１）面から±５°以内のいずれかの面としたことを特徴とする、請求項１〜３、７のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項９】
前記第１過程において、単結晶インゴットの成長方位が〔−１００〕と等価な方位であり、種結晶側の方位が〔１００〕と等価な方位であり、前記特定した結晶学的な面が（０１−１）面及び（０−１１）面のいずれかと等価な面であり、前記第２過程において、照射面が、（０１−１）面及び（０−１１）面から±５°以内のいずれかと等価な面であることを特徴とする、請求項１〜３、７、８のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項１０】
前記第１過程において、単結晶インゴットの成長方位が〔１１１〕及び〔−１−１−１〕のいずれかである場合、前記特定した結晶学的な面が（１−１０）面、（０−１１）面、（−１０１）面、（−１１０）面、（０１−１）面及び（１０−１）面のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項１１】
前記第２過程において、照射面が、（１−１０）面、（０−１１）面、（−１０１）面、（−１１０）面、（０１−１）面及び（１０−１）面のいずれかから±１５°以内の面であることを特徴とする、請求項１〜３、１０のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項１２】
前記第１過程において、単結晶インゴットの成長方位が〔１１１〕及び〔−１−１−１〕のいずれかと等価な方位であり、特定した結晶学的な面が（１−１０）面、（０−１１）面、（−１０１）面、（−１１０）面、（０１−１）面及び（１０−１）面のいずれかと等価な面であり、前記第２過程において、照射面が、（１−１０）面、（０−１１）面、（−１０１）面、（−１１０）面、（０１−１）面及び（１０−１）面のいずれかから±１５°以内の面と等価な面であることを特徴とする、請求項１〜３、１０、１１のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項１３】
前記第１過程において、単結晶インゴットがダイヤモンド結晶構造及びセン亜鉛鉱型結晶構造のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項１４】
前記第１過程において、単結晶インゴットがＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ及びＩｎＡｓのいずれかであることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項１５】
前記第１過程において単結晶インゴットがＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、Ｓｉ及びＧｅのいずれかであることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項１６】
前記第１過程における単結晶インゴットがＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ及びＩｎＡｓのいずれかであり、前記第３過程におけるキャリア濃度が１０16〜１０19／ｃｍ3 程度の範囲までを評価可能であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項１７】
前記第１過程における単結晶インゴットがＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、Ｓｉ及びＧｅのいずれかであり、前記第３過程におけるキャリア濃度が１０16〜１０18／ｃｍ3 程度の範囲までを評価可能であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【請求項１８】
前記第１過程における単結晶インゴットが、単結晶インゴット構成元素に対応した不純物準位を形成する不純物をドーピングした単結晶インゴットであることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれかに記載の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶インゴットの物性評価方法に利用し、特定の結晶学的な面を規定して半導体単結晶インゴットに励起光を照射し、フォトルミネッセンススペクトルにより非破壊の状態でキャリア濃度を精度良く評価するための半導体インゴットのキャリア濃度評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高度情報通信分野やオプトエレクトロニクス分野においては、高周波素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）は必要不可欠なデバイスである。これらのデバイスを作製する際には、化合物半導体のウエハを基板として用いている。例えば、ＬＥＤやＬＤの場合には、このウエハにエピタキシャル成長を行ってｐｎ接合を形成し、ｐｎ接合に電流注入を行って発光させている。ｐｎ接合への電流注入は、成長させたエピタキシャル層の上面と基板の裏面にそれぞれ形成された電極に電圧を印加して行われる。それ故に、用いられる基板の物性値、特にキャリア濃度や抵抗率の各値は極めて重要であり、基板上に形成されるデバイスの用途特有の値を有することが要求されている。
このように、基板の物性値の重要性については、何も化合物半導体に限られるものではなく、Ｓｉ，Ｇｅの単体半導体であっても同様である。Ｓｉ，Ｇｅの単体半導体は、バイポーラ素子、ＭＯＳ素子を基本とする集積回路、ディスクリート素子、太陽電池などで用いられている。
【０００３】
一般に、半導体ウエハは、チョクラルスキー法、液体封止チョクラルスキー法、横型ボート法、縦型ボート法、フローティングゾーンメルティング法（ＦＺ法）などによって単結晶インゴットを製造し、スライシングにより数百μｍのウエハ状とし、さらにラッピング、エッチング、鏡面研磨過程の各過程を経て得られる。要求される特性値を有する半導体ウエハを得るために、インゴット成長時に、所定の不純物（ドーパント）の所定量を、半導体の原料とともに添加（ドーピング）することがなされている。
しかしながら、不純物の偏析係数が１となる場合は殆ど無いため、得られるインゴット中の頭部と尾部との間で不純物濃度は傾斜を有する。たとえばＧａＡｓ中にＺｎを添加した場合、実効偏析係数が０．４程度であるため、固化率０．１と０．９の位置での比較では、後者の不純物濃度は前者の約３．７倍となってしまう。また揮発性が高いドーパントや、成長系で化学反応ロスを伴うドーパントを用いる場合、成長ロット間での不純物濃度がバラツキを生じる場合がある。
【０００４】
ところで、電気的な不純物濃度、即ち、キャリア濃度や抵抗率を評価する方法としては、半導体の専門教科書でも古くから紹介されているように、Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法で代表されるホール効果を用いる方法や、ダイオードを形成して静電容量−電圧特性を利用する方法（ＣＶ法）などがある（例えば、非特許文献１及び２）。ホール効果を用いる方法やＣＶ法は、化合物半導体のキャリア濃度や抵抗率を評価する標準的な評価方法となっている。
ところが、ホール効果を用いる方法やＣＶ法においては、評価する試料に電極付けを行わなければならないので、一般にはインゴットからウエハ状の試料片にスライスすることが必要となる。ホール効果を用いる場合には、そのウエハから短冊状とか、クローバーリーフ形とか、正方形状とかに切り出して試料を形成することになる。ＣＶ法の場合には、最も簡単に試料を作製するとしても、ショットキー電極形成面は清浄で加工層が無い状態とする必要があるため、鏡面研磨もしくは鏡面エッチングを要することになる。
このように、ホール効果を用いるにしても、ＣＶ法にしても、結局のところ、破壊検査となり、インゴット状態で適用することは事実上不可能である。
【０００５】
さて、前述したようにキャリア濃度の特性値に対する要求とは別に、ウエハの面方位をインゴットの成長軸方位から意図的に方位をずらしたり、ウエハの厚みが異なるように切断したり、などウエハの加工要求についても多様化している。つまり、最終のウエハ製品は、これらの全ての諸特性を満たす必要がある。ところが、キャリア濃度の特性値に対する要求範囲は、インゴット内の濃度範囲よりも狭い場合が多いため、個別のデバイス用途に応じて加工仕様を含めスライス時に切り分ける必要がある。
従来は、その必要性を満たすために、多数のデータを蓄積しておき、この蓄積したデータを基にして、キャリア濃度の境界位置の概略を予想して、スライス時に選別加工を実施していた。しかしながら、偏析現象によってインゴット内の不純物濃度が部位によって変化することに加えて、成長バッチ間でのバラツキ幅が重奏するため、キャリア濃度の特性値が、蓄積したデータを基にした予想値と異なる場合がある。
その場合、第一に、材料を損失したり、キャリア濃度の要求範囲を追加的に確認評価したりする必要があり、手間がかかり、損失を増加させる、という問題があった。
第二に、インゴットの結晶特性値は、迅速に結晶成長条件にフィードバックされることが望ましい。しかしながら、工業生産にあっては、加工仕様をも含めた製品特性の範囲が定まってからスライス加工する場合も多く、結晶成長条件に対するフィードバック期間が長くなる、という問題があった。
【０００６】
そこで、本発明者は、インゴット状態でのキャリア濃度の評価方法として、室温におけるフォトルミネッセンススペクトルを測定し、ピーク波長、半値幅、ピーク値の半値となる高エネルギー側波長などの波長情報を用いて、評価する方法を既に提案している（特許文献１参照) 。この方法においては、結晶成長時の表面変質層（たとえば熱ダメージ層）を機械研削で除去した後に、インゴット側面にレーザー光を照射させてフォトルミネッセンス光を測定することで、長手方向のキャリア濃度を評価する。この場合、機械研削面の状態が一定であれば、十分な精度でキャリア濃度分布の評価がなされる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１４８１９１号公報（図５、段落００４５）
【非特許文献１】
ＡＳＴＭスタンダードＦ７６−８６、Ｖｏｌ．１０．０５、１９９１年ｐ．１１７
【非特許文献２】
河東田隆  編著、「半導体評価技術」、産業図書、１９８９年、ｐ．２２１〜２３５
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これら従来のキャリア濃度の評価方法を半導体ウエハ製造工程に取り入れた場合、実用上、以下の解決すべき課題がある。
Ｓｉウエハの製造工程においては、インゴットの側面に四端子のプローブを立てて抵抗率分布を求め（四端子法）規格範囲を満たすブロックを選別することが工業的になされている。しかし、この方法ではキャリア濃度の規格を満たす加工範囲を決定することはできないという解決すべき課題がある。
【０００９】
また、成長条件ごとに実験的に求めた成長方向のキャリア濃度分布から加工範囲を想定する方法もとられているが、インゴット成長バッチごとのバラツキにより、規格範囲からの逸脱ロスが多くなるという解決すべき課題がある。
【００１０】
さらに、ウエハの仕様はキャリア濃度の範囲以外にも、ウエハの厚みや結晶面方位のオフ角の規格があり、加工後キャリア濃度の規格を満たさない部分を他に流用することができないなど損失が多くなるという解決すべき課題がある。
したがって、キャリア濃度特性の評価がインゴットをウエハに加工した後となる限り、上記課題の解決は避けることができない。
【００１１】
しかしながら、上記の従来のフォトルミネセンス法による評価方法では、測定対象の単結晶インゴットの測定箇所を規定したものではなかった。
そのため、単結晶インゴット状態でフォトルミネッセンス光に基づいて評価したキャリア濃度と、ウエハ加工後にホール効果から求めたキャリア濃度との値が異なる場合があり、キャリア濃度を精度良く評価することができない場合があった。
そのために、従来のフォトルミネセンス法によるキャリア濃度の評価方法においては、非破壊検査方法であるものの精度良く評価することができないという課題がある。
【００１２】
そこで、本発明は特定の結晶学的な面を規定して半導体インゴットに励起光を照射し、フォトルミネッセンススペクトルに基づいてキャリア濃度を非破壊で精度良く評価することができる半導体インゴットのキャリア濃度評価方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法は、単結晶インゴットに生じたファセット成長領域を取り除いた後、上記単結晶インゴットの結晶成長方位に応じて、上記ファセット成長領域を取り除いた部分又はファセット成長が生じない部分の単結晶インゴット側面の結晶学的な面を特定する第１過程と、この特定した面に基づく照射面に励起光を照射する第２過程と、この励起光によるフォトルミネッセンススペクトルに基づいてキャリア濃度を評価する第３過程とを備えることを特徴とする。
【００１４】
前記第１過程において、ファセット成長は単結晶インゴットの外周部｛１１１｝ファセット成長であることを特徴とする。
また、前記第１過程において、インゴット外周の晶癖線相互の関係により、又はインゴット外周の晶癖線相互の関係及びＸ線回折により、結晶学的な面を特定することを特徴とする。
また、前記第１過程において、結晶成長方位が〔−１００〕とした場合、特定した結晶学的な面が（００１）面、（０１０）面、（００−１）面及び（０−１０）面のいずれかであることを特徴とする。
また、前記第１過程において、前記結晶成長方位が〔−１００〕と等価な方位であり、かつ、前記特定した結晶学的な面が（００１）面、（０１０）面、（００−１）面及び（０−１０）面のいずれかと等価であることを特徴とする。
【００１５】
また、前記第２過程において、照射面は、特定した面から±２０°以内の面であることを特徴とする。
また、前記第１過程において、単結晶インゴットの成長方位が〔−１００〕で種結晶側の方位が〔１００〕であり、特定した結晶学的な面が（０１−１）面及び（０−１１）面のいずれかであることを特徴とする。
また、前記第２過程において、照射面が、結晶学的な面として機械研削によって平面研削面を形成する面を（０１−１）面から±５°以内及び（０−１１）面から±５°以内のいずれかの面としたことを特徴とする。
また、前記第１過程において、単結晶インゴットの成長方位が〔−１００〕と等価な方位であり、種結晶側の方位が〔１００〕と等価な方位であり、前記特定した結晶学的な面が（０１−１）面及び（０−１１）面のいずれかと等価な面であり、前記第２過程において、照射面が、（０１−１）面及び（０−１１）面から±５°以内のいずれかと等価な面であることを特徴とする。
【００１６】
さらに、前記第１過程において、単結晶インゴットの成長方位が〔１１１〕及び〔−１−１−１〕のいずれかである場合、前記特定した結晶学的な面が（１−１０）面、（０−１１）面、（−１０１）面、（−１１０）面、（０１−１）面及び（１０−１）面のいずれかであることを特徴とする。
また、前記第２過程において、照射面が、（１−１０）面、（０−１１）面、（−１０１）面、（−１１０）面、（０１−１）面及び（１０−１）面のいずれかから±１５°以内の面であることを特徴とする。
また、前記第１過程において、単結晶インゴットの成長方位が〔１１１〕及び〔−１−１−１〕のいずれかと等価な方位であり、特定した結晶学的な面が（１−１０）面、（０−１１）面、（−１０１）面、（−１１０）面、（０１−１）面及び（１０−１）面のいずれかと等価な面であり、前記第２過程において、照射面が、（１−１０）面、（０−１１）面、（−１０１）面、（−１１０）面、（０１−１）面及び（１０−１）面のいずれかから±１５°以内の面と等価な面であることを特徴とする。
また、前記第１過程において、単結晶インゴットはダイヤモンド結晶構造及びセン亜鉛鉱型結晶構造のいずれかであることを特徴とする。
【００１７】
前記第１過程において、単結晶インゴットはＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ及びＩｎＡｓのいずれか、または、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、Ｓｉ及びＧｅのいずれかであることを特徴とする。
【００１８】
また、前記第１過程における単結晶インゴットがＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ及びＩｎＡｓのいずれかであり、前記第３過程におけるキャリア濃度が１０16〜１０19／ｃｍ3 程度の範囲までを評価可能であることを特徴とする。
また、前記第１過程における単結晶インゴットがＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、Ｓｉ及びＧｅのいずれかであり、前記第３過程におけるキャリア濃度が１０16〜１０18／ｃｍ3 程度の範囲までを評価可能であることを特徴とする。
さらに、前記第１過程における単結晶インゴットは、単結晶インゴットを構成する元素に対応した不純物準位を形成する不純物をドーピングした単結晶インゴットであることを特徴とする。
【００１９】
上記構成の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法では、円柱状の単結晶インゴットの状態で半導体単結晶のキャリア濃度を、室温の状態でのフォトルミネッセンス法により評価するにあたり、励起光をインゴット側面の結晶学的な特定面に照射する。すなわち、インゴットの成長方向が〔−１００〕とした場合、励起光を照射するインゴットの側面の面が（００１）、（０１０）、（００−１）及び（０−１０）のいずれかから±２０°以内の面に規定する。
【００２０】
この場合、インゴットの側面にファセット成長領域が含まれない。インゴットの側面にオリエンテーションフラットを形成するため平面研削を実施する場合、平面研削面を（０１−１）及び（０−１１）のいずれかの面から±５°以内の面に規定するならばファセット領域を除去することができる。
成長方向が〔１１１〕及び〔−１−１−１〕のいずれかの場合、（１−１０）、（０−１１）、（−１０１）、（−１１０）、（０−１１）及び（１０−１）のいずれかの面から±１５°以内の面に規定することで、励起光を照射する部分にファセット領域が含まれない。
【００２１】
したがって、本発明の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法は、規定した結晶学的な面に対してインゴットの側面から励起光を照射してフォトルミネッセンススペクトルに基づいて非破壊の状態でキャリア濃度を精度良く評価することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６に基づき、実質的に同一又は対応するものは同一符号を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法は、半導体インゴットのファセット成長が生じない領域又はファセット成長領域を取り除いた領域に、励起光を照射し、室温でのフォトルミネッセンススペクトルに基づいて不純物の種類や濃度を評価するものである。
【００２３】
まず、本発明の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法が半導体インゴットのファセット成長の生じない領域又はファセット成長領域を取り除いた領域について室温でのフォトルミネッセンスによる評価を行う理由を説明する。半導体単結晶として、成長方位が〔−１００〕のＳｉドープＧａＡｓの円柱状インゴットの場合を例にとる。
なお、結晶の中のある方向を与える指数は〔ｈｋｌ〕、面指数は（ｈｋｌ）と記載するのが通常である。ある面が結晶軸と原点に関し負の側で交わるとき、その指数は負号を指数の上につけるが、本明細書（特許請求の範囲を含む）においては便宜上その指数の前に負号の「−」を付けた。方位を表記する場合も同様である。
【００２４】
図１は、円柱状インゴットを示す図である。図１（ａ）は円柱状インゴットの側面図、（ｂ）は円柱状インゴットの端面図であり、面指数（−１００）のテール面を示す。
円柱状インゴット２のフォトルミネッセンスの測定を、一例として図１（ａ）及び（ｂ）の測定ラインＡ及びＢに沿ってインゴットの成長方向に対して実施した。図１中、円柱状インゴット２及びテール面４の矢印は測定ライン及び位置を示す。
図２は、フォトルミネッセンス法とホール効果測定でのキャリア濃度測定結果を示す図である。図２において、横軸は成長方向の長さであり、縦軸はキャリア濃度である。
フォトルミネッセンス法により求めたキャリア濃度は、測定ラインＡを実線で、測定ラインＢを点線で示している。インゴットをウエハ状に加工した後、ウエハ中央部をホール測定によって得られたキャリア濃度を○印で示した。なお、特に断らない限り、ホール測定は室温における測定である。
【００２５】
測定ラインＡに沿って測定した場合には、ウエハ状に加工した後のホール測定の結果と一致したが、測定ラインＢに沿って測定した場合、結晶内部の値と大きくズレが生じる箇所が認められる。したがって、インゴットは円柱状であるため、単に成長方向に沿って測定しようとした場合には３６０°の何れもが候補となるが、正確に内部の特性を評価できる場合と、そうでない場合とがあることになる。
【００２６】
さらに、図２の矢印６で示したようにインゴットの中央部の値と大きくずれる部分につき、円周に沿って３６０°の外周部のキャリア濃度をフォトルミネッセンス法によって求めた。
図３は、成長方位が〔−１００〕方向の結晶側面の外周部のキャリア濃度を示す図である。図において、結晶方位は、紙面を（１００）面とした場合の方位関係示している。図３に示すように、〔０１１〕、〔０−１−１〕方向に近い部分でのキャリア濃度は約１．７×１０18ｃｍ-3であり、結晶の内部よりもキャリア濃度が２倍程度高い。また、〔０−１１〕、〔０１−１〕方向に近い箇所でもキャリア濃度が約１．２×１０18ｃｍ-3であり、結晶内部のキャリア濃度よりも約１．４倍程高くなっている。それらの中間の位置である〔００１〕、〔０−１０〕、〔００−１〕、〔０１０〕方向近傍では、結晶内部のキャリア濃度と一致する。
【００２７】
結晶成長の方位が〔１１１〕の場合について、上記と同様にインゴット円周に沿って、キャリア濃度をフォトルミネッセンス法により求めた。
図４は、成長方位が〔１１１〕方向の結晶側面の外周部のキャリア濃度を示す図である。図において、結晶方位は、紙面を（−１−１−１）面とした場合の方位関係で示している。すなわち、６０°おきに結晶内部のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度となる部分の領域が存在するが、〔１０−１〕、〔１−１０〕、〔０−１１〕、〔−１０１〕、〔−１１０〕及び〔０１−１〕方向近傍では結晶内部のキャリア濃度と一致する。なお、図３及び図４において、細線の同心円がキャリア濃度のスケールを示し、太い円状の点線がホール測定による結晶内部のキャリア濃度を示す。
【００２８】
この例で示したＧａＡｓ単結晶はセン亜鉛鉱型結晶構造であるが、融液成長においては結晶の外周部に｛１１１｝ファセット成長が生じる領域が発生する場合があり、その領域では不純物の取り込み状態が他の部分と異なるので、あるインゴットの成長方向断面及び成長方向に垂直な断面（円形ウエハ）に切り出した試料につき、フォトエッチング法によりファセット成長領域を検出した。
図５は、〔−１００〕成長方位の成長結晶のファセット成長領域を示す図であり、（ａ）はインゴット成長方向の断面の（０−１１）面を示し、（ｂ）はインゴットの成長方向に垂直な断面の（１００）面を示す図である。図５（ａ）において、斜線部はファセット成長領域１２を示す。また、図５（ｂ）において、斜線部はファセット成長領域１４を示す。
【００２９】
図３、図４及び図５を比較検討の結果、図３及び図４に示したインゴット外周のフォトルミネッセンスから得られたキャリア濃度の高い領域は、｛１１１｝ファセット成長部と一致している。
したがって、インゴット状態で内部のキャリア濃度を正確に把握するためには、ファセット成長が生じない領域又はファセット領域を取り除いた部分についてフォトルミネッセンスによる評価を行えば良い。
【００３０】
次に、本発明の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法を詳細に説明する。本発明の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法は、まず、フォトルミネッセンス法で測定する際に、単結晶インゴット成長方位に応じてインゴット側面の規定された結晶学的な面を特定する。
【００３１】
この結晶学的な面は上記したように、ファセット成長が生じない領域又はファセット領域を取り除いた領域であり、具体的には次のとおりである。
インゴットの成長方位が〔−１００〕と定義される場合、規定する結晶工学的な面は（００１）、（０１０）、（００−１）及び（０−１０）である。これらの結晶学的な面に対して±２０°以内の面であればフォトルミネッセンスセンス法の測定とホール効果の測定とによるキャリア濃度の差異は５〜６パーセント程度であり、この範囲内の面であれば実用上差し支えない。
また、単結晶インゴットの円筒または平面研削によりファッセット領域が除去される場合、即ち、成長方位が〔−１００〕であり、平面研削面を（０１−１）または（０−１１）面のいずれかとするときには、当該面も励起光照射面としてもよい。この際、インゴットの成長方位が、〔−１００〕と等価な方位である場合には、その方位により、特定すべき結晶学的な面としては上記の（００１）面などの面のいずれかと等価であればよい。例えば、〔−１００〕と等価な方位は〔１００〕、〔０１０〕、〔０−１０〕、〔００１〕、〔００−１〕である。
【００３２】
また成長方位が〔１１１〕または〔−１−１−１〕と定義される場合、規定する結晶工学的な面は（１−１０）、（０−１１）、（−１０１）、（−１１０）、（０１−１）及び（１０−１）である。これらの結晶学的な面に対して±１５°以内の面であればフォトルミネッセンス法の測定とホール効果の測定とによるキャリア濃度の差異は４パーセント程度であり、この範囲内の面であれば実用上差し支えない。この際、単結晶インゴットの成長方位が〔１１１〕及び〔−１−１−１〕のいずれかと等価な場合には、その方位により、特定すべき結晶学的な面としては、上記（１−１０）などの面のいずれかと等価であればよい。例えば、〔１１１〕と等価な方位は〔１−１−１〕、〔−１−１１〕、〔−１１−１〕であり、〔−１−１−１〕と等価な方位は〔−１１１〕、〔１−１１〕、〔１１−１〕である。
【００３３】
本実施形態ではセン亜鉛鉱型結晶構造のＧａＡｓを例に示したが、ダイヤモンド構造の単結晶インゴットにも適用できる。したがって、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＧａＳｂ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ及びＩｎＡｓ、ＩＩ−ＶI 族半導体のＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ及びＣｄＴｅ、ＩＶ族半導体のＳｉ及びＧｅの単結晶インゴットに適用可能である。
【００３４】
結晶学的な面を特定するには、単結晶成長したインゴットの増径部又は側面部の表面に形成される晶癖線をもとに結晶表面の結晶学的な面を割り出し、励起光の照射位置を定める。
図６は〔−１００〕方向成長の場合のインゴット外観概略図である。図６を参照してインゴット１６の晶癖線は（０１１）面の晶癖線１８の方が（０−１１）面の晶癖線１９より長い。したがって、図３及び図６を参照して、（００１）面は（０１１）面の晶癖線と（０−１１）面の晶癖線の中間位置になるから、晶癖線から（００１）面を割り出すことができる。このようにインゴットの晶癖線の関係からインゴット側面の結晶学的な面を割り出すことができる。
【００３５】
また、Ｘ線回折装置を用いて結晶学的な面を決定しても良い。結晶の最表面は円筒研削などの加工を施しても良いが、励起光の照射位置が分るように、結晶の端面や増径部に目印などを付けておけば良い。
【００３６】
次に、インゴット側面の励起光照射位置が先の規定面となるようにフォトルミネッセンス装置の試料台にインゴットをセットし、成長方向に沿って走査して成長方向のフォトルミネッセンススペクトルを連続的又は所定間隔で測定する。得られたスペクトルの波長情報（ピーク波長、半値幅、ピーク値の半値となる高エネルギー側波長など）をもとに成長方向のキャリア濃度分布を求める。その後、目的のウエハ仕様を満足するインゴット内の範囲を決定し、厚さ、オフ方位などの仕様に合わせてインゴットをスライス加工する。
【００３７】
ここで、本発明の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法では、単結晶インゴットがＧａＡｓの場合、ドーパントはＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ及びＣであり、このときキャリア濃度は５×１０16／ｃｍ3 〜３×１０19／ｃｍ3 の範囲まで評価可能である。単結晶インゴットがＩｎＰの場合、ドーパントはＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＣｄであり、このときキャリア濃度は２×１０16／ｃｍ3 〜３×１０19／ｃｍ3 の範囲まで評価可能である。
【００３８】
また単結晶インゴットがＧａＳｂの場合、ドーパントはＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ及びＭｇであり、このときキャリア濃度は２×１０16／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲まで評価可能である。単結晶インゴットがＧａＰの場合、ドーパントはＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ及びＺｎであり、このときキャリア濃度は３×１０16／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲まで評価可能である。
【００３９】
また単結晶インゴットがＩｎＳｂの場合、ドーパントはＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ及びＭｇであり、このときキャリア濃度は３×１０16／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲まで評価可能である。単結晶インゴットがＩｎＡｓの場合、ドーパントはＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ及びＺｎであり、このときキャリア濃度は３×１０16／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲まで評価可能である。
【００４０】
また単結晶インゴットがＺｎＳｅの場合、ドーパントはＬｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ及びＣｌであり、このときキャリア濃度は１×１０16／ｃｍ3 〜５×１０18／ｃｍ3 の範囲まで評価可能である。単結晶インゴットがＺｎＴｅの場合、ドーパントはＬｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ及びＣｌであり、キャリア濃度が１×１０16／ｃｍ3 〜５×１０18／ｃｍ3 の範囲まで評価可能である。
【００４１】
また単結晶インゴットがＣｄＴｅの場合、ドーパントはＬｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ、Ｎ、Ｐ及びＣｌであり、このときキャリア濃度は１×１０16／ｃｍ3 〜３×１０18／ｃｍ3 の範囲まで評価可能である。
【００４２】
さらに、単結晶インゴットがＳｉの場合、ドーパントはＡｌ、Ｇａ、Ｂ、Ｐ、Ａｓ及びＳｂであり、このときキャリア濃度は１×１０16／ｃｍ3 〜５×１０18／ｃｍ3 の範囲まで評価可能である。単結晶インゴットがＧｅの場合、ドーパントはＡｌ、Ｇａ、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ及びＳｂであり、このときキャリア濃度は１×１０16／ｃｍ3 〜５×１０18／ｃｍ3 の範囲まで評価可能である。
【００４３】
なお、以上記載したドーパントは、単結晶インゴット構成元素に対応した不純物準位を形成する不純物である。
このように本発明の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法では、キャリア濃度の評価範囲が１０16／ｃｍ3 程度〜１０18／ｃｍ3 程度又は１０19／ｃｍ3 程度まで評価可能である。
【００４４】
本発明によれば、インゴットからウエハの加工を実施する前に、インゴットの成長方向のキャリア濃度が事前に判明しているため、目的仕様外の不良ウエハの発生を大幅に抑えることができるとともに、結晶成長工程への特性フィードバックが早期に実施できるようになる。
【００４５】
以上、説明してきた半導体インゴットのキャリア濃度評価方法についての実施例及び比較例について説明する。
（実施例１）
縦型ボート法で成長した、直径８２〜８４ｍｍφ、成長方位〔−１００〕のＳｉドープＧａＡｓ単結晶インゴットを円筒研削し７９ｍｍφの定径加工をした。晶癖線又はＸ線回折により、インゴット側面の（００１）面を割り出し端面に目印を付けた。ここで（０１１）面の晶癖線の長さの方が（０−１１）面の晶癖線より長い（図６を参照）。したがって、（００１）面は（０１１）面と（０−１１）面の中間位置になる。
【００４６】
次いで、フォトルミネセンス法による測定を行った。
図７は、フォトルミネッセンス測定に用いたフォトルミネッセンス装置の構成概略図である。
フォトルミネセンス装置２０は、励起用光源２１と、インゴット１６を載置しその位置を制御できる試料台２３と、フォトルミネッセンス光を分光するための分光器２５と、信号処理部２８などから構成されている。励起用光源２１は、入射光学系２２を介して、インゴット１６に集光して入射される。フォトルミネッセンス光は、出射光学系２２を介して分光器２５に入射し、分光された光は検出器２６によって検出され、アンプ２７によって増幅されて信号処理部２８へ入力される。ここで、入射光学系２２は、チョッパー、レンズ、バンドパスフィルタ、ＮＤフィルタなどから構成されている。また、出射光学系２４は、レンズ、ローパスフィルタなどから構成されている。
【００４７】
次に、上記フォトルミネッセンス測定装置によるフォトルミネッセンス測定を以下のように行った。
インゴット１６の側面を表面処理したのち、フォトルミネッセンス装置２０の試料台２３にセットした。励起光原１のＡｒレーザーをインゴット１６側面に照射し、先の目印をもとに（００１）面に対して±２°以内に面合わせを行った。成長方向に沿って５ｍｍピッチでフォトルミネッセンススペクトルを測定し、波長情報から成長方向のキャリア濃度分布を求めた。
さらに、（１００）ウエハにスライス加工後、ホール効果測定用のサンプルを抜き取りＶａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法を用いたホール効果測定を実施して、ウエハ中央部のキャリア濃度評価を実施し、フォトルミネッセンス法との比較を行った。
【００４８】
図８は、実施例１のフォトルミネッセンス法とホール効果測定によるキャリア濃度測定結果の比較を示す図である。図において、横軸はインゴットの種側からの成長方向位置（ｍｍ）を、縦軸は測定により得られたキャリア濃度（ｃｍ-3）を示す。また、図中の●（黒丸）はインゴット１６側面のフォトルミネッセンス測定の場合で、○（白丸）はウェハ中央部のホール効果測定の場合である。
図から明らかなように、インゴット１６の側面のフォトルミネッセンス測定により、ウェハ中央部のホール効果測定によるキャリア濃度と一致するキャリア濃度を得ることができた。ここで、両者の差異は、最大４．８％であった。
【００４９】
（実施例２）
実施例１と同様の単結晶インゴットで、（０１−１）面と（０−１−１）面の晶癖線の中間位置として（００−１）面を割り出した。この場合、おのおのの晶癖線の中央位置間の周長を二等分して（００−１）面を決定した。晶癖線中央位置の決定ならびに目印を付ける際の位置誤差は、２〜３ｍｍ程度であった。これは、（００−１）面の割り出し誤差として、おおよそ±３〜５°に相当する。
実施例１と同様にキャリア濃度の測定を実施したが、この場合もフォトルミネッセンス法とホール効果測定結果との差異は、５．２％以下であった。
【００５０】
（実施例３）
実施例１と同様な単結晶インゴットを用い、（０１１）面の晶癖線と（０１−１）面の晶癖線の中間位置の（０１０）面を、Ｘ線回折で割り出した。フォトルミネッセンス装置での励起光照射位置を一度目印に合わせたのち、インゴットを試料台上で意図的に１８°〔０１−１〕方向へ面内回転させた。すなわち、（０１０）面からのズレはセット誤差を含め１８±２°であった。
実施例１と同様にフォトルミネセンス法の測定及びホール効果の測定を行い、両者のキャリア濃度を比較したところ、両者の差異は６．３％以下であった。
【００５１】
（実施例４）
実施例１と同様な単結晶インゴットを用い、機械加工を用いた円筒研削により７９ｍｍφの定径加工を実施し、（０−１１）面の晶癖線とＸ線回折で（０−１１）面を割り出し、（０−１１）面に対して±２°に幅２０ｍｍの平面研削面を形成した。
次に、平面研削面の表面処理を実施したのち、励起光照射位置が当該平面となるようにフォトルミネッセンス装置の試料台にインゴットをセットした。この場合のセット誤差は２〜３°であった。実施例１と同様に、フォトルミネッセンス法の測定及びホール効果測定を実施し、両者のキャリア濃度を比較したところ、両者の差異は、最大５．８％であった。
【００５２】
（実施例５）
実施例５では、結晶成長方位が〔−１−１−１〕の直径５７ｍｍφのＳｉドープＧａＡｓの場合、結晶表面には〔１１−１〕、［１−１１］、［−１１１］方向に晶癖線が現れる。晶癖線から３０°面内回転すると｛０１１｝面郡が得られるので、その情報と（４４０）面のＸ線回折から（１−１０）面を割り出し、結晶の端面に目印を付けた。円筒研削により５４ｍｍφに定径加工を行い、次いで側面の表面処理を実施した。励起光照射位置が（１−１０）面となるようにフォトルミネッセンス装置の試料台にインゴットをセットした。
この場合の（１−１０）面からの照射位置のズレは、±２°以内であった。実施例１と同様に、フォトルミネッセンス法の測定及びホール効果測定を実施し、両者のキャリア濃度を比較したところ、両者の差異は最大３．８％であった。
【００５３】
次に比較例を示す。
（比較例１）
比較例１は、実施例１と同じインゴットを用い、実施例１のフォトルミネッセンス測定を行った後、試料台上でインゴットを４５°面内回転させ（０１１）面に励起光を照射するように調整した。実施例１と同様にフォトルミネッセンス測定とホール測定によるキャリア濃度の比較を行った。
図９は、比較例１のフォトルミネッセンス法とホール効果測定によるキャリア濃度測定結果の比較を示す図である。図９に示すように、結晶成長前半部での両者の値の乖離が大きく、最大で１３０％の差異であった。
【００５４】
（比較例２）
比較例２は、実施例１と同様の単結晶インゴットを用い、励起光を照射する側面の結晶学的な方位を規定せず、５０回ランダムにフォトルミネッセンス測定ステージにセットして、成長方向のフォトルミネッセンスを測定した。その結果、ホール効果測定で得られたキャリア濃度との差異が１０％を超える場合が２２回発生した。
【００５５】
以上のように本発明によれば、半導体単結晶がインゴットの状態であっても、フォトルミネッセンス法における励起光照射位置を特定の結晶学的な面に規定して測定するならば、結晶内部のキャリア濃度を正確に反映した評価が可能となるのである。そのため、ウエハ状にスライスする前のインゴットの状態でキャリア濃度の分布を十分な精度で予測することができる。これにより、ウエハ加工時の損失を大幅に低減できるとともに、迅速に結晶成長工程にフィードバックすることができる。
【００５６】
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体インゴットのキャリア濃度評価方法は、フォトルミネッセンス法の測定とホール効果の測定とのキャリア濃度が一致する領域である特定の結晶学的な面を規定することができるので、規定した結晶学的な面に対してインゴット外周から励起光を照射してフォトルミネッセンススペクトルに基づいて非破壊な状態でキャリア濃度を精度良く評価することができる。
【００５８】
したがって、本発明によれば、半導体単結晶がインゴットの状態であっても、フォトルミネッセンス法における励起光照射位置を特定の結晶学的な面に規定して測定するならば、結晶内部のキャリア濃度を正確に反映した評価が可能となるため、ウエハ状にスライスする前のインゴットの状態でキャリア濃度の分布を十分な精度で予測することが可能になる。これにより、ウエハ加工時の損失を大幅に低減することができるとともに、迅速に結晶成長工程にフィードバックすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】円柱状インゴットを示す図で、（ａ）は円柱状インゴットの側面図、（ｂ）は円柱状インゴットの端面図である。
【図２】フォトルミネッセンス法とホール効果測定でのキャリア濃度測定結果を示すグラフである。
【図３】〔−１００〕成長方位の結晶側面の外周部のキャリア濃度分布を示すグラフである。
【図４】〔−１−１−１〕成長方位の結晶側面の外周部のキャリア濃度分布を示すグラフである。
【図５】〔−１００〕成長方位の成長結晶のファセット成長領域を示す図で、（ａ）はインゴット成長方向の断面の（０−１１）面を示し、（ｂ）はインゴットの成長方向に垂直な断面の（１００）面を示す図である。
【図６】〔−１００〕方向成長の成長結晶表面の晶癖線の出現状態を示す図である。
【図７】フォトルミネッセンス測定に用いたフォトルミネッセンス装置の構成概略図である。
【図８】実施例１のフォトルミネッセンス法とホール効果測定によるキャリア濃度測定結果の比較を示すグラフである。
【図９】比較例１のフォトルミネッセンス法とホール効果測定によるキャリア濃度測定結果の比較を示すグラフである。
【符号の説明】
２    円柱状インゴット
４    テール面
６    矢印
１０    インゴットの成長方向断面
１２，  １４  ファセット成長領域
１３    ウエハ面
１６    インゴット
１８，１９    晶癖線
２０    フォトルミネセンス装置
２１    励起用光源
２２    入射光学系
２３    試料台
２４    出射光学系
２５    分光器
２６    検出器
２７    アンプ
２８    信号処理部
【図１】
0003711120.tif 000002
【図２】
0003711120.tif 000003
【図３】
0003711120.tif 000004
【図４】
0003711120.tif 000005
【図５】
0003711120.tif 000006
【図６】
0003711120.tif 000007
【図７】
0003711120.tif 000008
【図８】
0003711120.tif 000009
【図９】
0003711120.tif 000010