(57)【要約】【課題】バッファ構造を有していて電界効果型トランジスタ構造を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハのバッファ構造部の結晶品質を非破壊にて評価できるようにすること。【解決手段】エピタキシャル層によるバッファ構造部を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハにおける半導体結晶の判別方法であって、バッファ構造部の内蔵電界を変調するためのパルス励起光５Ａを半導体エピタキシャル結晶ウエハに照射し、半導体エピタキシャル結晶ウエハからの反射光中の反射率差スペクトルに基づいてバッファ構造の結晶品質に由来する電気輸送特性を予測してバッファ構造部の結晶品質を判定するようにした。バッファ構造部の半導体化合物の由来のフランツケルディッシュ振動から算出される電界強度に基づいて判定してもよい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル層からなるバッファ構造部を有し且つ電界効果型トランジスタ構造を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質判定方法であって、
前記バッファ構造部の内蔵電界を変調するための励起光を前記半導体エピタキシャル結晶ウエハに照射し、
前記半導体エピタキシャル結晶ウエハからのフォトリフレクタンススペクトルに基づいて該半導体エピタキシャル結晶ウエハを用いて作製される電界効果型トランジスタの電気輸送特性を予測する
ことを特徴とする半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質判定方法。
【請求項２】
前記電気輸送特性の予測を、電気輸送特性の限度特性を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハから得られたフォトリフレクタンススペクトルと前記半導体エピタキシャル結晶ウエハからのフォトリフレクタンススペクトルとを対比することにより行う請求項１記載の半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質判定方法。
【請求項３】
前記対比を、フォトリフレクタンススペクトルの  形状、フランツケルディッシュ振動から算出される電界強度、フランツケルディッシュ振動をフーリエ変換して得られるスペクトルの形状、またはフランツケルディッシュ振動をフーリエ変換して算出される電界強度のうちの少なくとも１つを用いて行う請求項２記載の半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質判定方法。
【請求項４】
エピタキシャル層からなるバッファ構造部を有し且つ電界効果型トランジスタ構造を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハをエピタキシャル成長法により得るステップと、
請求項１、２または３記載の方法を用いて前記半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質を判定するステップと
を含むことを特徴とする半導体エピタキシャル結晶ウエハの製造方法。
【請求項５】
請求項４の製造方法を用いて製造された半導体エピタキシャル結晶ウエハ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の半導体素子の作製に用いられる半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質を非破壊で判定できるようにした半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質判定方法並びにこれを用いたウエハの製造方法等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体素子を作製する場合に使用される電界効果型トランジスタ構造を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハにあっては、通常、基板に由来する欠陥、不純物準位の影響を避けるため、所要の機能達成に必要な各種の半導体エピタキシャル結晶層を積層する前に、該基板上にエピタキシャル成長せしめたバッファ構造部を形成している。
【０００３】
このような目的で基板上に形成されるバッファ構造部は、基板表面を前処理した後に分子線エピタキシャル成長、有機金属化学気相エピタキシャル成長、或いはハイドライド気相成長等のエピタキシャル結晶成長により形成されるが、この基板上のバッファ構造部の品質が、出来上がった半導体素子のピンチフ特性やしきい値電圧等の電気輸送特性に大きな影響を及ぼす。すなわち、バッファ構造部の結晶品質が充分でないと、バッファ層の電気的絶縁性能が低下してしまい、作製された半導体素子においてピンチオフ不良等の電気的欠陥が発生する原因となるほか、半導体素子特性が設計仕様に適合しない等の特性不良を引き起こす結果となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、半導体エピタキシャル結晶ウエハの製造工程において、バッファ構造部の品質を判定し、所定レベルの品質のウエハのみを用いて半導体素子の作製を行うことにより、歩溜まりの改善を図ることが望まれる。しかし、従来にあっては、バッファ構造部の品質判定は、ウエハに対して電気的な測定系を直接接続してウエハに実際に電流を流し、この電流値を測定することによりウエハの評価を行っている。このため、ウエハの品質を判定するためには半導体エピタキシャル結晶ウエハの破壊が必須であり、検査に要する時間や手間が多大のものとなり短時間での検査が不可能な上に、ウエハの破壊による歩溜りの低下が避けられないという問題点を有している。
【０００５】
その点、光学的手法を用いた評価法は、非破壊という点で優れていると考えられる。光学的評価法として知られている従来の反射もしくは透過分光法、または発光分光法は、半導体エピタキシャル結晶の電子エネルギー構造を非破壊で調べる方法として、この分野で一般的に用いられている。しかしながら、多層構造を持つような半導体エピタキシャル結晶の場合、通常の反射もしくは透過分光法で得られるスペクトルには、ファブリーペロー干渉によるうなりが観測され、その干渉の中に電子エネルギー準位が隠れてしまうことが多々ある。また、発光分光法におけるスペクトルでも、その発光が目的のエネルギー準位からの発光か、または不純物準位などからの発光かの区別がつかないことがある。ましてや、通常の反射もしくは透過分光法、または発光分光法によっては、半導体エピタキシャル結晶中に生じた内部電場についての評価を行うことはできない。
【０００６】
このように、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）用途の半導体エピタキシャル結晶ウエハの結晶品質を非破壊で判定し、電気的特性にすぐれた半導体素子を作製するのに適したものを容易に選別することができる品質評価方法は従来存在しなかった。このため、半導体エピタキシャル結晶ウエハの製造工程において品質評価の工程に多くの時間と手間とが必要とされ、検査のための破壊による損失も生じ、コストアップの要因となっていた。さらに、十分な品質評価が行えないという理由から最終製品の歩留りも満足のいく状態ではないのが現状であり、製造された半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質のバラツキの更なる改善が望まれている。
【０００７】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決し得る半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質判定方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、バッファ構造を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質、特にウエハのバッファ構造部の結晶品質を非破壊にて短時間で評価し、電気的特性に優れた半導体素子の作製に適したものを容易に選別することができる半導体エピタキシャル結晶の品質判定方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、改善された半導体エピタキシャル結晶ウエハの製造方法を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、高品質の半導体エピタキシャル結晶ウエハを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者等は、ウエハの品質、特にバッファ構造部の結晶品質に関するデータを非破壊により得るための方法を種々検討した結果、驚くべきことに、フォトリフレクタンス法により得られたスペクトルと、該エピタキシャルウエハを用いて作製された電界効果型トランジスタのピンチオフ特性やしきい値等の電気輸送特性との間に相関があることを見出すとともに種々検討を重ねた結果、本発明をなすに至ったものである。
【０００９】
すなわち、本発明によれば、これまで困難であったバッファ構造部の結晶品質由来する電気輸送特性の良否をフォトリフレクタンス法により得られたスペクトルから非破壊で判定することが可能となり、電気的特性にすぐれた半導体素子の作製に適した半導体エピタキシャル結晶ウエハを容易に選別することができる。
【００１０】
本発明で利用しているフォトリフレクタンス法は、変調分光の一種である。変調分光法とは、半導体デバイス等の試料に周期的な外部摂動（電場、磁場、圧力や温度など）を与えることで、試料中のバンド構造が外部摂動に同期して変調され、その結果生じる反射光や透過光の変調成分を感度よく検出する方法である。この変調分光法によれば、内蔵電界を高感度に測定できることができる。フォトリフレクタンス法では、周期的な外部摂動として励起光を用い、励起光によって変調されたバンド構造の変化を反射によって取り出し、フォトリフレクタンススペクトル（以下、ＰＲスペクトルと略称する）を得る。このＰＲスペクトルには、通常、試料の内蔵電界に依存して振動構造が観測される。この振動構造は、電気光学効果によるフランツケルディッシュ振動（以下、ＦＫ振動と略称する）と呼ばれるものである。本発明においてはＰＲスペクトル、そのＦＫ振動等に基づいて、半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質を判定するようにしたものである。
【００１１】
半導体エピタキシャルウエハのバッファ構造部の結晶品質に由来する電気輸送特性としては、ピンチオフ特性やしきい値電圧、ドレイン−ソース電流等、電界効果型トランジスタのトランジスタ特性が例示できる。本発明による判定法は、特にピンチオフ特性やしきい値電圧に関する特性の良否判定に好適である。
【００１２】
バッファ構造部の結晶品質に及ぼす要因としては、残留不純物濃度、結晶欠陥密度、転位欠陥密度、基板とエピタキシャル層界面の残留不純物等があり、いずれも、バッファー構造部のエネルギーバンド構造に変化を与えるため、半導体素子の電気輸送特性に影響を与えるものと考えられる。
【００１３】
ＰＲスペクトルを利用して半導体エピタキシャル結晶の品質を判定するに当っては、電気輸送特性の限度特性を有する半導体結晶ウエハをあらかじめ選出しておき、このウエハのＰＲスペクトルと判定すべきウエハのスペクトルとを対比することにより品質判定を行う。ここで、限度特性を有する半導体結晶ウエハのＰＲスペクトルとしては、実測したものであっても数値シュミレーションにより得られたものであっても良い。
【００１４】
ＰＲスペクトルの対比方法としては、例えばＰＲスペクトルの形状、ＰＲスペクトル中のＦＫ振動から算出される電界強度、ＦＫ振動をフーリエ変換して得られるスペクトル、若しくはＦＫ振動をフーリエ変換して算出される電解強度等を対比する方法が挙げられる。
【００１５】
このように、判定したい半導体エピタキシャル結晶ウエハのＰＲスペクトルを非破壊で測定し、あらかじめ選出した電気輸送特性の限度特性を有する半導体結晶ウエハから求めたＰＲスペクトルと対比することにより、ウエハの良否を非破壊でかつ迅速に判定することが可能となる。そして、この判定方法を用いて半導体エピタキシャル結晶ウエハの製造を行えば、半導体エピタキシャル結晶ウエハの製造工程において品質評価工程の時間と手間とが大幅に縮小され、検査のための破壊による損失も生じないので、コストを著しく低減させることが可能となる。さらに、十分な品質評価が行えるので、最終製品の歩留りも向上し、製造された半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質のバラツキも少なくなる。
【００１６】
請求項１の発明によれば、エピタキシャル層からなるバッファ構造部を有し且つ電界効果型トランジスタ構造を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質判定方法であって、前記バッファ構造部の内蔵電界を変調するための励起光を前記半導体エピタキシャル結晶ウエハに照射し、前記半導体エピタキシャル結晶ウエハからのフォトリフレクタンススペクトルに基づいて該半導体エピタキシャル結晶ウエハを用いて作製される電界効果型トランジスタの電気輸送特性を予測することを特徴とする半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質判定方法が提案される。
【００１７】
請求項２の発明によれば、請求項１記載の発明において、前記電気輸送特性の予測を、電気輸送特性の限度特性を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハから得られたフォトリフレクタンススペクトルと前記半導体エピタキシャル結晶ウエハからのフォトリフレクタンススペクトルとを対比することにより行う半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質判定方法が提案される。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項２記載の発明において、前記対比を、フォトリフレクタンススペクトルの形状、フランツケルディッシュ振動から算出される電界強度、フランツケルディッシュ振動をフーリエ変換して得られるスペクトルの形状、またはフランツケルディッシュ振動をフーリエ変換して算出される電界強度のうちの少なくとも１つを用いて行う半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質判定方法が提案される。
【００１９】
請求項４の発明によれば、エピタキシャル層からなるバッファ構造部を有し且つ電界効果型トランジスタ構造を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハをエピタキシャル成長法により得るステップと、請求項１、２または３記載の発明の方法を用いて前記半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質を判定するステップとを含むことを特徴とする半導体エピタキシャル結晶ウエハの製造方法が提案される。
【００２０】
請求項５の発明によれば、請求項４の発明による製造方法を用いて製造された半導体エピタキシャル結晶ウエハが提案される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の方法により半導体結晶の判定を行うために用いる測定装置の構成を示すブロック図である。測定装置１は、フォトリフレクタンス法を用いて半導体エピタキシャル結晶ウエハＳのＰＲスペクトルを測定することによりウエハＳの電気輸送特性の良否を判定評価するためのデータを得ることができるように構成された装置である。通常の反射分光法に、変調光であるレーザー光を付加した光学系で構成される。レーザー光は、例えばチョッパーで変調され、レーザー光を照射している時と照射していない時もしくは強度が弱いときの反射光強度（ＤＲ）の差をロックイン検出器で検出する方法である。
【００２３】
ここでは、ウエハＳとして、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を作製するのに用いられる半導体エピタキシャル結晶ウエハが用いられている。半導体エピタキシャル結晶ウエハは、ＧａＡｓ基板上にｉ−ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とを含むバッファー層を積層させた後、その上に変調ドープしたＡｌＧａＡｓ層で挟むような構造をしたＩｎＧａＡｓ層の単一量子井戸層を積層し、さらに、この上にキャップ層であるｎ−ＧａＡｓ層を積層させてある電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）用途の公知のウエハである。
【００２４】
このウエハＳを用いて電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を作製した場合、エピウエハーの成長プロセスにおけるなんらかの原因で、ピンチオフ特性が良好なウエハとそうでないウエハが生じる。このようにピンチオフ特性の善し悪しが生じるウエハにおいて、ＰＲスペクトルを室温で測定した。ピンチオフの良好ウエハおよび不良ウエハをそれぞれＯＫウエハおよびＮＧウエハと呼ぶことにする。このＮＧウエハが判定の基準となる電気輸送特性の限度特性を有する半導体結晶ウエハである。
【００２５】
測定装置１において、２は白色光源で、白色光源２からの光は分光器３で分光されてプローブ光３Ａとなり、プローブ光３Ａがレンズ４によって集束されて試料Ｓ上の所望の観測点に照射される。
【００２６】
レーザー光源５のレーザ光を変調用チョッパ６によりパルスとされてパルス励起光５Ａとされ、パルス励起光５Ａは、試料Ｓに照射され、これにより、プローブ光３Ａによる試料Ｓからの反射プローブ光３Ｂがパルス励起光５Ａにより変調されるようになっている。
【００２７】
上述のようにして変調のかけられた反射プローブ光３Ｂは、レンズ８によって収束されてフォトディテクター７に入力され、フォトディテクター７からの検出電圧Ｒ＋ΔＲがロックインアップ９に入力される構成となっている。
【００２８】
ロックインアップ９には、チョッパ６からの変調信号が同期用の参照信号として入力されており、検出電圧Ｒ＋ΔＲのうち、プローブ光３Ａの反射率Ｒに対応している基準信号に対応する信号がＲとして、パルス励起光５Ａにより変調されたプローブ光反射率の変調分ΔＲに対応した成分に対応する信号が出力信号ΔＲとしてロックインアップ９から出力される。出力信号ΔＲと基準信号Ｒとはコンピュータ１０に入力されている。
【００２９】
コンピュータ１０では、出力信号ΔＲと基準信号Ｒとに基づいて反射率の励起光による微小変化の割合ΔＲ／Ｒが計算され。通常、分光波長もしくは、分光波長のエネルギーに対するΔＲ／ＲのスペクトルがＰＲスペクトルと呼ばれる。また、波長およびΔＲ／Ｒをそれぞれ、適当な演算処理した後、グラフ化したものも、ＰＲスペクトルと考えてもよい。このＰＲスペクトルには、半導体のバンドギャップエネルギーよりも高エネルギー側において、ＦＫ振動と呼ばれる振動が現れることが知られている。このＦＫ振動の波形のピーク位置の周期から試料Ｓのバッファ構造部における内蔵電界の強度が算出される。
【００３０】
次に図２を参照して、ＰＲスペクトルに基づく、ウエハＳの良否の判定処理について具体的に説明する。図２は、室温で測定したＯＫウエハ試料およびＮＧウエハのＰＲスペクトルである。点線で示したのが実験結果である。１．４３ｅＶ  付近に観測される大きな振幅を持つ成分のエネルギーは、バッファ構造部に含まれるＧａＡｓによるバンドギャップエネルギーに対応していると考えれる。このバンドギャップエネルギーよりも高エネルギー側においＦＫ振動と呼ばれる振動が明瞭に観測されている。すなわち、ＰＲスペクトルにあらわれたＦＫ振動の波形からそのピーク位置の周期が異なることが明瞭にわかり、ＯＫウエハとＮＧウエハの差異が明瞭に異なることが明らかであり、本発明により、ＰＲスペクトルの対比から半導体エピタキシャル結晶ウエハの電気輸送特性の良否を判定できることが明らかである。
【００３１】
次に、このエピ構造をもつ試料の内部に生じている内部電界を調べるため、前記で観測されたＦＫ振動から、電界強度Ｆを算出することを行った。このＦＫ振動は、下式
2004265945.tif 000003
の形をもつ。
【００３２】
ここで、ｎは振動構造における振動の次数、Ｅｎは振動のｎ次目のエネルギー、Ｅ０は電子遷移エネルギー、Ｆは内部電界強度、μは遷移に関する電子・正孔換算質量、ｄは次元性に依存した値、ｈはプランク定数、ｅは電子の電気量、Ωは電気光学エネルギーである。この式（１）から、ＰＲスペクトルに観測されるＦＫ振動のＥｎ−Ｅ０を振動の次数の関数としてプロットすることで、試料に生じている電界強度Ｆを算出することができる。
【００３３】
ここで、図２にＯＫウエハ、ＮＧウエハそれぞれのＦＫ振動のピークに指数が付けてある。この指数に関係した値（ｎ）を横軸に、指数付けした振動ピークのエネルギーを縦軸に取って、プロットし、その傾きから、ＯＫウエハ：６．５ｋＶ／ｃｍ、ＮＧウエハ：１０ｋＶ／ｃｍと内部電界強度を算出することができる。すなわち、ＰＲスペクトルのＦＫ振動から算出された電界強度を利用する方法をとることで、半導体エピタキシャル結晶ウエハの電気輸送特性の良否を判定できることが明らかである。
【００３４】
次に、図３を参照して、ＰＲスペクトルに観測されるＦＫ振動をフーリエ解析することに基づく、ウエハＳの良否の判定処理について具体的に説明する。ここでは、上記Ｓウエハとは異なるバッファ構造をもつ半導体エピタキシャル結晶ウエハＳ２を測定した。上記と同様に、ピンチオフの良好ウエハおよび不良ウエハをそれぞれＯＫ２ウエハおよびＮＧ２ウエハと呼ぶことにする。
【００３５】
上記のように、ＰＲスペクトルに観測されるＦＫ振動は、式（１）で表わされる。この式においてτ≡（Ｅｎ−Ｅ０）３／２、η≡（２／３）（１／（ｈθ）３／２）とおけば、式（１）は以下のように変形される。
2004265945.tif 000004
【００３６】
ここで、φは次元性に依存する項である。これは、η−１を周期としたτについての振動関数（三角関数）になっており、ＦＫ振動をフーリエ変換することで、ηの値を得ることができるということを示している。今回測定した試料は、電界が深さ方向で変化するウエハであると考えられる。そこで、内部電場が深さ方向の場所に対して変化している場合でも、それぞれの電界の生じた領域からＦＫ振動が独立して観測されるとし、式（１）の重ね合わせで表わされるものとする。すなわち、ウエハＳ２の深さ方向に電界強度が変化した場合でも、以下の式で表わされるものとする。
【００３７】
2004265945.tif 000005
添え字のｊは重ねあわせであらわした、ｊ個目のＦＫ振動をあらわす。上式をフーリエ変換することで、ηについてのスペクトルΨ（η）が得られる。
【００３８】
2004265945.tif 000006
この式は、ＰＲスペクトルの横軸をτの関数に直した後フーリエ変換し、得られたスペクトルにおいてピークが観測されているηの値を読み取ることで、ウエハＳ２の電界の分布を求めることができることを示している。
【００３９】
実際に、今回測定した試料にＰＲスペクトルに観測されるＦＫ振動をフーリエ変換し、横軸を電界強度にしてプロットしたのが図３である。電界強度の分布は、ＧａＡｓ層が存在する領域の電界強度を示しており、複雑な構造を示している。ＯＫ２ウエハおよびＮＧ２ウエハを比較すると、内部電場の分布が、一致している点と一致していない点が混在している。例えば、フーリエ変換スペクトルにおいて、ＯＫ２ウエハではピークが約３７  ｋＶ／ｃｍにあり、ＮＧ２ウエハにおいては約３３  ｋＶ／ｃｍにピークが観測される。このことは、ＮＧ２ウエハに生じている内部電界強度は、ＯＫ２ウエハに生じている内部電界強度と比べて小さくなっていることを示していると考えられる。
【００４０】
ＦＫ振動をフーリエ変換することで得られたスペクトルから算出される内部電界強度を利用して半導体エピタキシャル結晶ウエハの電気輸送特性の良否を判定できることが明らかである。
【００４１】
さらに、約２６ｋＶ／ｃｍの内部電場において、ＯＫ２ウエハにおいてはフーリエ変換スペクトルにピークが観測されているが、ＮＧ２ウエハにおいては、そのピークが現れていない。すなわち、ＦＫ振動をフーリエ変換することで得られたスペクトルの形状を利用して半導体エピタキシャル結晶ウエハの電気輸送特性の良否を判定できることが明らかである。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、バッファ構造を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハのバッファ構造部の結晶品質を非破壊にて短時間で評価できるとともに、電気的特性に優れた半導体素子の作製に適した半導体エピタキシャル結晶ウエハを容易に選別することができ、製造効率及び歩留りを著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法により半導体結晶の判定を行うために用いる判定装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した装置で測定された、ＰＲスペクトルを示す図。
【図３】ＰＲスペクトルのＦＫ振動をフーリエ変換したスペクトル図
【符号の説明】
１  測定装置
２  励起光源
３  分光器
３Ａ  プローブ光
３Ｂ  反射プローブ光
４  レンズ
５  レーザー光源
５Ａ  パルス励起光
６  チョッパ
７  フォトディテクター
８  レンズ
９  ロックインアップ
１０  コンピュータ
Ｒ  基準信号
ΔＲ  出力信号
Ｒ＋ΔＲ  検出信号
Ｓ  ウエハ
【図１】
2004265945.tif 000007
【図２】
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【図３】
2004265945.tif 000009