(57)【要約】【課題】Ｘ線回折法において、基準ピークとなるようなピークが解析対象ピークの近傍に観測できないような場合にも適用できる結晶の構造解析方法を提供する。【解決手段】Ｘ線回折装置のＸ線受光器開口角が広い条件（without a receiving slit）と狭い条件（with analyzer crystal）とで、同一の反射指数（０００６）をもつ回折プロファイルのピークトップ点での回折強度値を測定し、開口角が広い条件における回折強度値に対する狭い条件における回折強度値の相対比の大小を評価することにより結晶の完全性や構造劣化の程度を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルク結晶、基板上に形成された単層構造結晶又は多層構造結晶を、Ｘ線回折により測定して、結晶構造の回折プロファイルを取得し、その解析を行う際、
Ｘ線回折装置の受光系の開口角条件のみを変えて、同一の反射指数を持つ回折プロファイルを複数測定する工程と、
得られた前記複数の回折プロファイル中に観測されるピーク毎又は一連のピーク群毎に、該ピーク又は該ピーク群のピークトップ点での回折強度値を測定する工程と、
測定された前記ピーク毎又は前記ピーク群毎の回折強度値に基づき、前記ピーク毎又は前記ピーク群毎に、開口角条件の異なる回折プロファイル間の回折強度値を比較すると共に、開口角条件が広い場合の回折強度値に対する開口角条件が狭い場合の回折強度値の相対比を算出する工程と、
算出された前記ピーク毎又は前記ピーク群毎の相対比の大小により、ピーク又はピーク群に対応する結晶層の構造劣化の有無及び程度を判定する工程とを有することを特徴とする結晶の構造解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルク結晶あるいは半導体薄膜結晶や多重量子井戸構造の構造解析方法に関する発明であり、特に、格子不整合度の大きいヘテロエピタキシャル成長薄膜結晶の不完全性、歪を含むエピタキシャル薄膜及び歪超格子構造の構造劣化の有無及びその程度、特徴等を調べる上で有用である。
【背景技術】
【０００２】
従来、InGaAs/GaAs、Si/SiGeなどの材料系を用いた歪系エピタキシャル層、歪超格子構造の作製においては、「臨界膜厚」（あるいは「臨界歪」）という量の重要性がよく知られており、臨界膜厚の評価及び臨界膜厚をこえた領域での格子緩和過程の評価は重要な評価対象であった。Ｘ線回折は、ＰＬ（Photoluminescence）測定、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）解析などとともに、これら臨界膜厚の評価、格子緩和過程の評価に従来からよく用いられてきた。
【０００３】
しかるに、これらの各種評価法で評価された臨界膜厚値は一般には一致せず、その不一致の原因の１つとして、従来のＸ線回折評価が他の評価手法に比べて、構造劣化に対する検出感度が劣る点が指摘されていた（非特許文献１、２）。
【０００４】
すなわち、Ｘ線回折により得られた臨界膜厚値は、他のＰＬ等から得られた臨界膜厚値に比べて大きな値になり、正しい値が得られないことが指摘され、欠陥等の密度が小さい場合の初期的構造劣化の検出には不向きであることが報告されていた。また、「なぜＸ線回折では検出感度がとれないのか？」という点に対しての更なる検討例も少なく、Ｘ線回折の立場からの検出感度の向上の方法等はこれまで全く検討されてこなかった。
【０００５】
上記におけるＸ線回折評価では、rocking curve測定法を用いた評価が主であったのに対し、その後、逆格子mapping測定などの方法が開発されたが、これらの新しく開発された手法においても、上記の「他の測定法に比べての構造劣化の検出感度」という問題点に関しては、目立った改善効果、詳細検討は見られなかった。
【０００６】
このような中、最近筆者らによって、この検出感度問題を改善する新しいＸ線回折を用いた評価解析法が提出された（非特許文献３）。この方法は、２種類の測定条件で測定した回折プロファイルを、基準ピークをそろえて重ねて表示し、回折強度差を比較することにより、検出感度よく構造劣化の有無及びその程度を判定する評価法である。
【０００７】
しかるに、この方法を適用するためには、測定プロファイル中に解析対象ピーク以外にreferenceとなる基準ピークが観測できることが必要であった。しかるに、格子不整合度の大きいヘテロエピタキシャル成長薄膜結晶などでは、基準ピークとなるようなピークが、解析対象ピークの近傍に観測できないような場合が頻繁に現れ、このような一般的場合には上記の手法は適用できなかった。
【０００８】
【非特許文献１】I. J. Fritz, P. L. Gourley and L. R. Dawson, "Critical layer thickness in In0.2Ga0.8As/GaAs single strained quantum well structures", App1. Phys. Lett. 51. 1004-1006, 28 September 1987
【非特許文献２】P. L. Gourley, I. J. Fritz, and L. R. Dawson, "Controversy critical layer thickness for InGaAs/GaAs strained-layer epitaxy", Appl. Phys. Lett. 52, 377-379, 1 February 1988
【非特許文献３】K. Nakashima and K. Tateno, "X-ray diffraction analysis of GaInNAs double-quantum-well structures", J. App1. Cryst. 37, 14-23, 2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、臨界膜厚の評価及び臨界膜厚をこえた領域での格子緩和過程の評価などの構造劣化の評価は、歪系エピタキシャル層、歪超格子構造の作製において重要となるものであるが、Ｘ線回折法を用いて評価する際には、他のＰＬ測定法などを用いた場合と比べて検出感度が悪いということが従来から問題となっていた。本発明は、このような問題を解決し、Ｘ線回折法を用いて構造劣化を評価する上で、従来法と比較して検出感度が向上するような新しい評価解析手法を提供する。特に、従来提案されていた方法が適用できないような場合、すなわち、バルク結晶又は格子不整合度の大きいヘテロエピタキシャル成長薄膜結晶などにおいて、基準ピークとなるようなピークが解析対象ピークの近傍に観測できないような場合にも適用できる新しい評価解析手法を提供する。
【００１０】
要約すると、本発明は、Ｘ線回折法において、基準ピークとなるようなピークが解析対象ピークの近傍に観測できないような場合にも適用できる結晶の構造解析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明に係る結晶の構造解析方法は、
任意のバルク結晶、任意の基板上にエピタキシャル成長等により形成された任意の材料系からなる単層構造結晶又は多層構造結晶を、Ｘ線回折により測定して、結晶構造の回折プロファイルを取得し、その解析を行う際、
Ｘ線回折装置の受光系の開口角条件のみを変え、他の測定条件は同じに保って、同一の反射指数（ｈｋ１）を持つ回折プロファイルを複数測定する工程と、
得られた前記複数の回折プロファイル中に観測されるピーク毎又は一連のピーク群毎に、該ピーク又は該ピーク群のピークトップ点での回折強度値を測定する工程と、
測定された前記ピーク毎又は前記ピーク群毎の回折強度値に基づき、前記ピーク毎又は前記ピーク群毎に、開口角条件の異なる回折プロファイル間の回折強度値を比較すると共に、開口角条件が広い場合の回折強度値に対する開口角条件が狭い場合の回折強度値の相対比を算出する工程とを有し、
算出された前記ピーク毎又は前記ピーク群毎の相対比の大小により、ピーク又はピーク群に対応する結晶層の構造劣化の有無及び程度を判定する工程、つまり、バルク結晶の場合は、解析対象としているピーク又はピーク群に対応する結晶層の構造について、単層又は多層構造結晶の場合は、解析対象としているピーク又はピーク群に対応する結晶の構造について、その結晶学的完全性を判定する工程とを有することを特徴とする。
なお、上記各工程は、Ｘ線回折を測定するＸ線回折装置に接続されたコンピュータ等の計算機を用いて、プログラム等により自動処理されて、結晶学的完全性、構造劣化の程度の判定が行われる。
【００１２】
［作用］
本発明に係る結晶の構造解析方法を用いることにより、基準ピークを用いた解析及び補正から、解析対象ピークに関する評価解析を分離して、解析対象ピークに関する評価解析のみを独立して行えるような評価解析手法を構築することができる。その結果、基準ピークが解析対象ピークの近傍に必ずしも観測されずとも、上記評価解析手法がうまく機能し、より一般的な場合（基準ピークが解析対象ピークの近傍に観測されない場合）に検出感度よく構造劣化を検出、評価できるという作用を生み出す。
【発明の効果】
【００１３】
歪系エピタキシャル層、歪超格子構造の作製において重要となる、臨界膜厚の評価及び臨界膜厚をこえた領域での格子緩和過程の評価などの構造劣化の評価を、Ｘ線回折法を用いて評価する際には、他のＰＬ測定法などを用いた場合と比べて検出感度が悪いという点が、従来から問題となっていたが、本発明に係る結晶の構造解析方法により、Ｘ線回折法を用いて構造劣化を評価する上で、従来法と比較して検出感度が向上させることが可能となり、上記問題点を解決することができた。特に、バルク結晶又は格子不整合度の大きいヘテロエピタキシャル成長薄膜結晶などにおいて頻繁に遭遇する、基準ピークとなるようなピークが解析対象ピークの近傍に観測できないような場合、すなわち、従来提案されていた方法では解析できないような場合にも構造劣化を簡便かつ検出感度よく評価解析することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る結晶の構造解析方法は、特に、格子不整合度の大きいヘテロエピタキシャル成長薄膜の不完全性、歪を含むエピタキシャル薄膜及び歪超格子構造の構造劣化の有無と程度を、Ｘ線回折によって、簡便かつ検出感度よく評価するものである。具体的には、Ｘ線回折装置の受光系の開口角が広い条件と狭い条件とで、同一の反射指数（ｈｋ１）をもつ回折プロファイルのピークトップ点での回折強度値を測定し、開口角が広い条件の回折強度値に対する狭い条件の回折強度値の相対比の大小を評価することにより、結晶の完全性や構造劣化の程度を判定するものである。
以下、本発明に係る結晶の構造解析方法の実施形態について、図面を参照しながら説明を行う。
【実施例１】
【００１５】
本発明に係る結晶の構造解析方法の具体的実施例として、（０００１）サファイア基板上にＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）成長法により作製した単層構造結晶のＧａＮエピタキシャル薄膜試料を、本発明に適用して構造評価した例を以下に述べる。なお、サファイアとＧａＮは格子不整合度が約１９％あり、格子不整合度の大きな材料系の典型例である。したがって、Ｘ線回折測定においてサファイア基板ピークはＧａＮエピタキシャル層ピークの近傍には観測されず、その結果、ＧａＮエピタキシャル層ピークの近傍に基準ピークとなりうるような回折ピークは観測されない場合の典型例となっている。
【００１６】
ＧａＮエピタキシャル薄膜試料としては、成長条件の異なる２つの試料（試料Ａ及び試料Ｂ）を準備し、それぞれについて構造劣化の程度を評価した。
【００１７】
本実施例の構造評価の具体例として、図１に、ＧａＮ試料Ａの０００６反射Ｘ線回折測定プロファイルを示す。これは、上記試料Ａを、ω−２θ法スキャンのＸ線回折により結晶の構造評価を行う際、他の測定条件は同じに保ち、Ｘ線回折装置の受光系、具体的には、Ｘ線受光器の開口角条件のみを変えた条件で、同一の反射指数（０００６）をもつ回折プロファイルを複数測定したものである。例えば、図１には、２種類の受光系開口角条件で測定した２つのプロファイルが表示してあり、各プロファイルにはＧａＮ層に起因したピークのみが観測される。用いた受光系開口角条件は、１つが受光器の前に受光スリットを置かない広い受光系開口角条件（without a receiving slit）、他の１つは受光器の前に受光用アナライザ結晶を挿入した極端に狭い受光系開口角条件（with analyzer crystal）である。なお、図１のグラフの縦軸においては、回折強度をcounts/secondを単位として表示している。
【００１８】
両プロファイルの測定において、受光系開口角条件以外の他のすべての測定条件、例えば、Ｘ線源の条件、スキャンスピード等は同一に保っているため、図１の表示における２つのプロファイルの間の相対強度差は、受光系開口角条件の違いに起因して生じる回折強度差の絶対表示とみなせる点が重要である（以降、上記条件において測定した回折強度を絶対回折強度と呼ぶ。）。この点に着目して、図１の各プロファイル中の解析対象ピーク毎にピークトップ点での回折強度値を測定すると、図１のグラフから、極端に狭い受光系開口角条件で測定した場合のＧａＮ層ピークの絶対回折強度は、広い受光系開口角条件で測定した場合の絶対回折強度に比べて著しく減少していることが分かる。
【００１９】
そこで、上述した絶対回折強度の減少の程度の大小を評価解析するため、上記絶対回折強度に基づいて、解析対象ピーク毎に受光系開口角条件の異なる測定プロファイル間での回折強度値の相対比を算出する。これにより、解析対象層であるＧａＮ層の結晶の完全性、構造劣化の程度を評価できる。具体的には、２つのプロファイル中のＧａＮピークの回折強度の相対比（狭開口角条件での回折強度値Inを、広開口角条件での回折強度値Iwで割った値(In/Iw)）を図１から求めると、約０．０１という極めて小さな値が得られ、構造劣化の程度が大きいことが結論できる。
【００２０】
同様の測定を試料Ｂについて行った結果を図２に示す。用いた測定条件はすべて図１の測定で用いたものと同一に揃えておき、これにより試料間における構造劣化の程度の比較が容易になるようにした。そして、図１に適用した手順と同様に、図２のグラフの各プロファイルを評価、解析することにより、試料Ｂにおける回折強度の相対比(In/Iw)として、約０．０６が得られた。この相対比の値は小さいものの、試料Ａの場合よりも大きい。このことから、試料ＢのＧａＮ層は試料Ａの場合に比べて構造劣化の程度が小さいことが簡便に結論できる。すなわち、試料Ｂは試料Ａに比べて結晶性がよいことが簡便に検出、解析できた。
【００２１】
以上述べたように、本発明に係る結晶の構造解析方法を用いると、構造劣化の有無及びその程度を、従来に比べてより一般的な場合に検出感度よく検出、評価できることが分かった。
【００２２】
なお、本発明の評価対象は、任意の基板上にエピタキシャル成長により作製された任意の材料系からなる単層構造結晶に限らず、任意の基板上にエピタキシャル成長により作製された任意の材料系からなる多層構造結晶でもよいし、任意のバルク結晶でもよい。又、図１、２に示すような明らかなピークが無いような場合には、一連のピーク群を１つのピークとして取り扱い、上記手順を行うことにより、上記と同様な評価を行うことができる。又、本実施例では、反射指数（０００６）の回折プロファイルを評価することにより、反射指数（０００６）に対応する結晶層又は結晶の構造劣化の有無及びその程度を評価したが、他の反射指数の回折プロファイルも、上記手順により評価することにより、その反射指数に対応する結晶層又は結晶の構造劣化の有無及びその程度を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】２種類の受光系開口角条件で測定したＧａＮ試料（試料Ａ）の０００６反射Ｘ線回折測定プロファイルである。
【図２】２種類の受光系開口角条件で測定したＧａＮ試料（試料Ｂ）の０００６反射Ｘ線回折測定プロファイルである。
【図１】
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【図２】
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