(57)【要約】【課題】  Ｘ線回折法を用いた構造劣化を評価する上で、従来と比較して検出感度の向上が可能な、結晶の構造解析方法を提供する。【解決手段】  回折Ｘ線の受光系２の開口角条件のみを変えた条件で、他の測定条件は同じに保ち、同一の反射指数（ｈｋｌ）をもつ回折プロファイルを複数測定する第１の工程と、第１の工程で得られた複数の（ｈｋｌ）プロファイルから、複数の（ｈｋｌ）プロファイル中の各基板回折ピークのピークトップの回折強度および回折角度をそろえることにより、複数の（ｈｋｌ）プロファイルを重ねて表示した比較用プロファイルを作製する第２の工程と、第２の工程で得られた比較用プロファイルを用いて、エピタキシャル多層構造結晶からの回折ピークの複数の（ｈｋｌ）プロファイル間における回折強度の差を測定することにより、多層構造結晶の構造劣化の程度を判定する第３の工程とを含む。【選択図】  図３
2005031033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の基板上にエピタキシャル成長により作製された多層構造結晶を、Ｘ線回折により構造解析する結晶の構造解析方法において、
回折Ｘ線の受光系の開口角条件のみを変えた条件で、他の測定条件は同じに保ち、同一の反射指数（ｈｋｌ）をもつ回折プロファイルを複数測定する第１の工程と、
前記第１の工程で得られた複数の（ｈｋｌ）プロファイルから、該複数の（ｈｋｌ）プロファイル中の各基板回折ピークのピークトップの回折強度および回折角度をそろえることにより、該複数の（ｈｋｌ）プロファイルを重ねて表示した比較用プロファイルを作製する第２の工程と、
前記第２の工程で得られた比較用プロファイルを用いて、前記エピタキシャル多層構造結晶からの回折ピークの前記複数の（ｈｋｌ）プロファイル間における回折強度の差を測定することにより、該多層構造結晶の構造劣化の程度を判定する第３の工程と、
を含むことを特徴とする結晶の構造解析法。
【請求項２】
前記基板が面指数（ｈｋｌ）をもち、
前記反射指数が該面指数と同じ（ｈｋｌ）であるか、もしくは（ａｈ，ａｋ，ａｌ）の反射指数（ａは整数）であることを特徴とする請求項１記載の結晶の構造解析法。
【請求項３】
前記第１の工程では、複数の回折プロファイルを測定する際に用いる複数の受光系の開口角条件として、少なくとも「広開口角条件」と「狭開口角条件」とを含み、
該「広開口角条件」とは、Ｘ線受光器直前に開口角０.２５度以上の広さを有する受光用スリットを用いるか、もしくは受光用スリットを用いない配置での測定条件であり、
該「狭開口角条件」とは、Ｘ線受光器直前にアナライザー結晶を挿入することにより３軸配置条件をとり、開口角０.０１度以下の測定条件であることを特徴とする請求項１または２記載の結晶の構造解析法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜や多重量子井戸構造の構造解析方法に関する。
【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では、「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いる。臨界膜厚の評価、およ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（フォトルミネッセンス）測定、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）解析などとともに、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】
これらの各種評価法で評価された臨界膜厚値は、Matthews-Blakeslee（ＭＢ）モデル、People-Bean（ＰＢ）モデル等の理論からの予測値と比較することにより、議論されてきた。しかし、その一致の程度は、従来、実験例により様々であり、その原因が問題となっていた。さらに、上記各評価法から得られた臨界膜厚値の相関も十分とは言えず、その評価検出感度も問題視されていた。
【０００４】
このような状況のもとで、Ｘ線回折による転位の検出感度が他のＰＬ測定等の評価法を用いた場合の検出感度に比べて劣るという実験事実が報告された（非特許文献１、２）。このことから、Ｘ線回折により得られた臨界膜厚値は、ＰＬ測定等から得られた他の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ていた。そして、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、Ｘ線回折が不向きであることが指摘されていた。
【０００５】
しかし、Ｘ線回折による評価法の問題点は、あまり広く認識されていない。特に、他の材料系での臨界膜厚の評価、構造劣化の検出では、上記問題点を十分認識しないまま、Ｘ線回折を適用して評価した報告例が最近でも散見されている。
【０００６】
さらに、上記問題点を十分認識した場合においても、Ｘ線回折は評価に用いず、より検出感度の高い他の評価法を用いて、臨界膜厚の評価、構造劣化の検出を行う形の対応がとられるのみであった。すなわち、「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はなされず、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。
【０００７】
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。しかし、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、目立った改善効果が見られなかった。
【非特許文献１】I. J. Fritz, P. L. Gourley, and L. R. Dawson, Appl. Phys. Lett. 51, 1004-1006 (1987)
【非特許文献２】P. L. Gourley, I. J. Fritz, and L. R. Dawson, Appl. Phys. Lett. 52, 377-379 (1988)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、歪系エピタキシャル層、歪超格子構造の作製で重要となる、臨界膜厚の評価、およ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、構造劣化をＸ線回折法を用いて評価する際に、従来、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、という課題がある。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決し、Ｘ線回折法を用いた構造劣化を評価する上で、従来と比較して検出感度の向上が可能な、結晶の構造解析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、任意の基板上にエピタキシャル成長により作製された多層構造結晶を、Ｘ線回折により構造解析する結晶の構造解析方法において、回折Ｘ線の受光系の開口角条件のみを変えた条件で、他の測定条件は同じに保ち、同一の反射指数（ｈｋｌ）をもつ回折プロファイルを複数測定する第１の工程と、前記第１の工程で得られた複数の（ｈｋｌ）プロファイルから、該複数の（ｈｋｌ）プロファイル中の各基板回折ピークのピークトップの回折強度および回折角度をそろえることにより、該複数の（ｈｋｌ）プロファイルを重ねて表示した比較用プロファイルを作製する第２の工程と、前記第２の工程で得られた比較用プロファイルを用いて、前記エピタキシャル多層構造結晶からの回折ピークの前記複数の（ｈｋｌ）プロファイル間における回折強度の差を測定することにより、該多層構造結晶の構造劣化の程度を判定する第３の工程とを含むことを特徴とする結晶の構造解析法である。
請求項２の発明は、請求項１記載の結晶の構造解析法において、前記基板が面指数（ｈｋｌ）をもち、前記反射指数が該面指数と同じ（ｈｋｌ）であるか、もしくは（ａｈ，ａｋ，ａｌ）の反射指数（ａは整数）であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２記載の結晶の構造解析法において、前記第１の工程では、複数の回折プロファイルを測定する際に用いる複数の受光系の開口角条件として、少なくとも「広開口角条件」と「狭開口角条件」とを含み、該「広開口角条件」とは、Ｘ線受光器直前に開口角０.２５度以上の広さを有する受光用スリットを用いるか、もしくは受光用スリットを用いない配置での測定条件であり、該「狭開口角条件」とは、Ｘ線受光器直前にアナライザー結晶を挿入することにより３軸配置条件をとり、開口角０.０１度以下の測定条件であることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、上記各工程により、欠陥の生成に伴う多層構造結晶の不完全性を反映する回折Ｘ線の広がりを、受光系の開口角条件の異なる２つのＸ線回折プロファイルにおける強度の差として、簡便に測定できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、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、およ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、構造劣化をＸ線回折法を用いて評価する際に、従来問題であった他の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課題を解決することができる。Ｘ線回折法を用いた構造劣化を評価する上で、従来法と比較して検出感度を向上させることが可能となった。特に、歪を含むエピタキシャル薄膜および歪超格子構造の構造劣化の有無およびその程度を調べる上で有用である。
【実施例】
【００１３】
本実施例では、面指数（００１）のＧaＡs基板上に、ＭＯＶＰＥ成長法（有機金属気相成長法）により作製したＧaＩnＮＡs／ＧaＡs ２重量子井戸（Double Quatum Well, ＤＱＷ）構造試料を、本発明を適用して構造評価した例を以下に述べる。
【００１４】
本実施例で用いたＧaＩnＮＡs／ＧaＡs ＤＱＷ試料は４試料である。４試料ともに、（００１）ＧaＡs基板上に、
ＧaＡs buffer層（膜厚１００ｎｍ）
ＧaＩnＮＡs／ＧaＡs ＤＱＷ構造
ＧaＡs clad層（膜厚１００ｎｍ）
を順次成長した層構造をもつ。ＤＱＷ構造部分に用いたwell層であるＧaＩnＮＡs層の組成は共通であり、歪量に換算して、２.２％圧縮歪をもつ組成Ｇa０.７Ｉn０.３Ｎ０.０２Ａs０.９８を用いた。また、ＧaＡs barrier層の膜厚も１１ｎｍで共通である。
【００１５】
４試料においては、well層であるＧaＩnＮＡs層の膜厚ｄを順次変化させた。各試料でのＧaＩnＮＡs層の膜厚ｄはそれぞれ、
サンプルＡ（sample A）：ｄ＝３.２ｎｍ
サンプルＢ（sample B）：ｄ＝４.５ｎｍ
サンプルＣ（sample C）：ｄ＝６.０ｎｍ
サンプルＤ（sample D）：ｄ＝９.０ｎｍ
である。
【００１６】
まず、他の測定手法の代表例として、上記４試料のＰＬ測定結果を図４に示す。well層であるＧaＩnＮＡs層の膜厚が大きくなるにつれて、ＰＬピーク波長が長波長側にシフトしている。これは、ＤＱＷ構造の量子閉じこめ効果が弱くなるためであり、定性的に妥当な結果である。しかし、ＧaＩnＮＡs層の膜厚が大きくなるにつれて、ＰＬ強度が著しく低下しており、また、それに伴いＰＬ半値幅も著しく増大していることが判る。この結果は、４試料間でＧaＩnＮＡs層の膜厚が大きくなるにつれて、臨界膜厚を越え、ＤＱＷ構造中に欠陥が導入され、構造劣化が進んでいることを示している。このことから、ＰＬ測定による評価では、構造劣化がはっきりと検出されていることが判る。
【００１７】
これに対して、従来からよく用いられてきた００４Ｘ線回折rocking curve測定法により、上記４試料を測定した結果を図５および図６に示す。測定は、Ｘ線受光器の直前に受光スリットを使用しない測定配置で、θ−２θ法スキャンにより測定した。図５および図６には、運動学的理論を用いたシミュレーションによりfittingされた計算プロファイルも合わせて示してある。また、fittingにより得られた構造パラメータ、つまり、図５および図６に示す回折プロファイルのシミュレーションによるfitting解析により得られたＤＱＷ構造の構造パラメータ（well層およびbarrier層の歪量εおよび膜厚ｄの値）を次の表１にまとめた。
【００１８】
【表１】
2005031033.tif 000003
【００１９】
表１の結果より、ほぼ設計通りの歪量が得られていることが判る。また、図５および図６のプロファイルの回折強度、およびピーク形状のbroadeningに関しても、計算プロファイルとよく一致していることから、構造劣化を示す顕著な兆候は観測されていないことが判る。
【００２０】
次に、Ｘ線回折評価において近年よく用いられる、２２４反射を用いた逆格子マッピング測定による評価結果を図７および図８に示す。逆格子マッピング測定では、通常よく用いられる、Ｘ線受光器の前には０２２反射Ｇｅアナライザー結晶を挿入する測定配置で測定した。図７および図８から判るように、４試料ともに、ＤＱＷ構造からのサテライトスポット（satellite spot）の位置は、基板ピークのスポットの位置と横軸の座標が一致している。これから、４試料ともにＤＱＷ構造はＧaＡs基板に対して弾性的に歪んだ状態を保っており、格子緩和はおきていないことが結論できる。従来の逆格子マッピング測定評価では、このような結果が得られた場合、通常、顕著な構造劣化はみられないことが結論されていた。
【００２１】
以上により、前述した４試料に対し、従来のＸ線回折評価で通常用いられていた代表的な２つの評価解析法を適用した結果、いずれの場合も、構造劣化を示す顕著なデータは得られないことが判った。しかし、ＰＬ測定では、先に述べたように、構造劣化が確認されている。このことから、従来のＸ線回折評価はＰＬ測定による評価に比べて構造劣化に対する感度が低いことがわかり、従来、指摘されていた問題点が再確認できる。
【００２２】
これに対して、上記４試料に本発明を適用した結果を以下に示す。図１および図２は、別々のＸ線受光器の開口角条件を用いて測定した２種類の、反射指数００４の反射Ｘ線回折プロファイルを、両プロファイル中に観測される基板ピークのピークトップの位置がちょうど一致するように合わせることにより、重ねて表示したものを、各試料ごとに示したものである。
【００２３】
ここに用いた２種類の００４反射Ｘ線回折プロファイルのうち、１つは受光器の直前に受光スリットを置かない、極端な広開口角条件で測定したプロファイルである。図５および図６に示したプロファイルと同一のものである。もう１つのプロファイルは、受光器の直前に、逆格子マッピング測定用のアナライザ結晶を挿入した、極端な狭開口角条件となる配置で測定したプロファイルである。
【００２４】
サンプルＡでは、これら２種類のプロファイルはほとんど一致しており、回折強度、プロファイルの形状等に差は見られない。これに対し、サンプルＢ〜Ｄでは、ＤＱＷ構造からのプロファイルの形状自体に差は見られないのに対し、その回折強度には顕著な差が見られる。さらに、この差の大きさは、well層の膜厚が大きなサンプルほど大きくなっていることが判る。
【００２５】
この回折強度の差を定量化するため、ＤＱＷ構造からのプロファイルの形状中の回折強度が最大となる点を代表点にとり、この点での回折強度の強度比として数値化したデータを構成する。構成したデータのサンプル依存性を図３に示す。図３には、図４から得られるＰＬ強度のサンプル依存性もあわせて示す。
【００２６】
図３からわかるように、図１および図２のＸ線回折評価結果（本発明）の示すサンプル依存性と、図４のＰＬ評価から得られるサンプル依存性とは極めてよく似ており、両者のサンプル依存性には、強い相関があることが判る。これは、図１および図２のＸ線回折評価結果および図４のＰＬ評価ともに、同一の構造劣化を顕著な信号として検出していることを示している。
【００２７】
図５、６および図７、８に示した従来の方法で用いられるような、１つの開口角条件での測定プロファイルのみに対しての単独の解析では、先に述べたように、構造劣化を顕著な信号として検出できなかったこととあわせると、本発明で示したような、複数の受光器開口角条件により測定した複数の測定結果の差を比較検討するという新しい解析法は、Ｘ線回折における構造劣化の検出感度が従来の方法に比べて向上し、ＰＬ評価のもつ検出感度と同等の検出感度を持っていることが結論できる。
【００２８】
以上の本実施例により、本発明がＸ線回折評価において、構造劣化に対する検出感度を向上させる上で、非常に有効に働くことが実験的に確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明をＧaＩnＮＡs／ＧaＡs ＤＱＷ試料４試料に対して適用した結果を示す図であり、（ａ）はサンプルＡを示し、（ｂ）はサンプルＢを示す。
【図２】本発明をＧaＩnＮＡs／ＧaＡs ＤＱＷ試料４試料に対して適用した結果を示す図であり、（ａ）はサンプルＣを示し、（ｂ）はサンプルＤを示す。
【図３】図１、２中の２種類のＸ線回折プロファイル間のＤＱＷ構造からのサテライトハターンの間の回折強度差のサンプル依存性、および図４のＰＬ強度のサンプル依存性を示す図である。
【図４】ＧaＩnＮＡs／ＧaＡs ＤＱＷ試料４試料のＰＬ測定結果を示す図である。
【図５】ＧaＩnＮＡs／ＧaＡs ＤＱＷ試料４試料の００４Ｘ線回折rocking curve測定結果およびシュミレーション解析結果を示す図であり、（ａ）はサンプルＡを示し、（ｂ）はサンプルＢを示す。
【図６】ＧaＩnＮＡs／ＧaＡs ＤＱＷ試料４試料の００４Ｘ線回折rocking curve測定結果およびシュミレーション解析結果を示す図であり、（ａ）はサンプルＣを示し、（ｂ）はサンプルＤを示す。
【図７】ＧaＩnＮＡs／ＧaＡs ＤＱＷ試料４試料の２２４Ｘ線回折逆格子マッピング測定結果を示す図であり、（ａ）はサンプルＡを示し、（ｂ）はサンプルＢを示す。
【図８】ＧaＩnＮＡs／ＧaＡs ＤＱＷ試料４試料の２２４Ｘ線回折逆格子マッピング測定結果を示す図であり、（ａ）はサンプルＣを示し、（ｂ）はサンプルＤを示す。
【図１】
2005031033.tif 000004
【図２】
2005031033.tif 000005
【図３】
2005031033.tif 000006
【図４】
2005031033.tif 000007
【図５】
2005031033.tif 000008
【図６】
2005031033.tif 000009
【図７】
2005031033.tif 000010
【図８】
2005031033.tif 000011