(57)【要約】      （修正有）【課題】ＧａＮに代表される窒化物半導体基板におけるキラー欠陥を、簡易かつ正確に評価する評価方法、さらには、キラー欠陥の位置が特定された窒化物半導体基板を提供する。【解決手段】窒化物半導体基板１の一主表面上に電解液２を接触させる工程と、前記窒化物半導体基板１の窒化物半導体層の厚み方向に対して前記電解液２を通じて電界をかける工程と、前記電界をかけた状態で前記窒化物半導体基板１の一主表面の上方から光学的手法５によって前記窒化物半導体基板１の一主表面上に存在するキラー欠陥を観察する工程とからなる評価方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体基板の一主表面上に電解液を接触させる工程と、前記窒化物半導体基板の窒化物半導体層に対して厚み方向に前記電解液を通じて電界をかける工程と、前記電界をかけた状態で前記窒化物半導体基板の一主表面の上方から光学的手法によって前記窒化物半導体基板の一主表面上に存在するキラー欠陥を観察する工程とからなることを特徴とする窒化物半導体基板の評価方法。
【請求項２】
前記電界は、前記窒化物半導体基板の耐圧上限値の７０％以上９５％以下の値であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体基板の評価方法。
【請求項３】
前記電解液は、エッチング性を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体基板の評価方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の評価方法によって、基板一主表面上におけるキラー欠陥の平面座標位置が特定されていることを特徴とする窒化物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイス用の化合物半導体に用いられる窒化物半導体基板の評価方法、および本評価方法を適用して作製された窒化物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代電子デバイス材料として期待されている窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体には、各種の欠陥が存在しており、これらは電子デバイスの電気特性に大きく影響する。そのため、これらの欠陥を正確に検出する評価方法が重要になるが、その評価方法についてはいくつかの方法が知られている。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、サファイア基板上に気相成長法で形成されたＧａＮ薄膜の表面を、溶融水酸化カリウム（ＫＯＨ）で処理した後、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて微小な欠陥を観察するという技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献１には、容易かつ安全にＧａＮの転位を検出するために、ＧａＮの結晶を８５℃に温めた濃度２５％のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液で１時間エッチングすると、結晶表面の転位部分にエッチピットが形成され、エッチピットを通して転位の検出や、エッチピットの個数を光学顕微鏡等でカウントすることによる転位密度の測定が可能となり、結晶の品質を評価できるという技術が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｋ．Ｓｈｉｏｊｉｍａ  Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｈｉ．Ｔｅｃｈｎｏ１．Ｂ１８（２０００）３７
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３２４５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、発明者らは、特にＧａＮに代表される窒化物半導体基板において、電気的に脆弱でデバイス設計時の素子位置と重なるとデバイス不良の原因となる、特有の欠陥（以後、本発明ではキラー欠陥と称する）が存在することを明らかにした。このキラー欠陥は、そのままでは、光学顕微鏡やＳＥＭ等で視覚的には観察できない。また、従来のエッチングによる欠陥の顕在化では、その他の欠陥との区別が付かないので、キラー欠陥のみを正確に検出することが困難であることも分ってきた。
【０００８】
非特許文献１に開示されている技術では、このキラー欠陥のみを顕在化させることが困難であった。また、この技術では溶融ＫＯＨを用いるので、加熱処理に手間がかかり、評価後の基板を再利用できなくなる点で、簡易かつ汎用性のある評価法としては、必ずしも適切とはいえない。
【０００９】
特許文献１に開示されている技術は、エッチングによってＧａＮ結晶に存在する欠陥を顕在化させ、光学的に観察できるようにしたものである。しかし、この技術によっても、このキラー欠陥のみを顕在化させることが困難であった。
【００１０】
本発明は、これらの課題を鑑みてなされたもので、ＧａＮ等に代表される窒化物半導体基板におけるキラー欠陥を、簡易かつ正確に評価することのできる評価方法、およびこの評価方法を用いた窒化物半導体基板を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る窒化物半導体基板の評価方法は、窒化物半導体基板の一主表面上に電解液を接触させる工程と、前記窒化物半導体基板の窒化物半導体層に対して厚み方向に前記電解液を通じて電界をかける工程と、前記電界をかけた状態で前記窒化物半導体基板の一主表面の上方から光学的手法によって前記窒化物半導体基板の一主表面上に存在するキラー欠陥を観察する工程とからなることを特徴とする。このような構成をとることで、簡易かつ確実に窒化物半導体基板の一主表面上に存在する欠陥を検出することが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る窒化物半導体基板の評価方法においては、前記電界は、前記窒化物半導体基板の耐圧上限値の７０％以上９５％以下の値であることが好ましい。このような構成をとることで、窒化物半導体基板の一主表面上に存在するキラー欠陥を、より精度を向上させて検出することが可能である。
【００１３】
あるいは、本発明に係る窒化物半導体基板の評価方法において、前記電解液は、エッチング性を有することが好ましい。このような構成をとることで、窒化物半導体基板の一主表面上に存在する欠陥を、簡易に検出することが可能である。
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体基板は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の評価方法によって、基板一主表面上におけるキラー欠陥の平面座標位置が特定されていることを特徴とする。このような構成をとることで、欠陥存在位置を回避してデバイス設計が可能となり、より効率的に窒化物半導体基板を利用することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る窒化物半導体基板の評価方法、および窒化物半導体基板では、ＧａＮに代表される窒化物半導体基板におけるキラー欠陥を、簡易かつ正確に評価することができる。さらに、キラー欠陥の位置が特定された窒化物半導体基板を提供することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板の評価方法を示す模式図である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一態様に係る、窒化物半導体基板の評価方法を示す模式図。
【図２】本発明の他の一態様に係る、窒化物半導体基板の評価方法を示す模式図。
【００１８】
本発明に係る窒化物半導体基板の評価方法は、窒化物半導体基板の一主表面上に電解液を接触させる工程と、前記窒化物半導体基板の窒化物半導体層に対して厚み方向に前記電解液を通じて電界をかける工程と、前記電界をかけた状態で前記窒化物半導体基板の一主表面の上方から光学的手法によって前記窒化物半導体基板の一主表面上に存在するキラー欠陥を観察する工程とからなる。
【００１９】
本発明に係る評価方法を適用できる窒化物半導体は、特別限定されるものではないが、顕著に欠陥が観察できる材料として、好適にはＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ(０≦ｘ＋ｙ≦１)と表記される三族窒化物半導体、より好適にはＧａＮが挙げられる。
【００２０】
また、窒化物半導体基板１の構造としては、評価される窒化物半導体基板の一主表面９が窒化物半導体であればよい。一例として、窒化物半導体基板１全体が窒化物半導体のみで構成されているバルク基板、Ｓｉ単結晶やサファイア等の下地基板１１上に窒化物半導体層１２が形成されてなる積層構造の基板が挙げられる。さらに、積層構造の基板の場合は、最上層の窒化物半導体層１２と下地基板１との間に、１層以上の、窒化物半導体その他の材料で構成される、いわゆる中間層があってもよい。
【００２１】
窒化物半導体基板１の一主表面９は、例えば、半導体基板の洗浄に用いられる各種の洗浄液で洗浄された清浄な状態であればよい。また、評価に支障の出ない範囲で、自然酸化膜やその他の保護膜、あるいはパーティクルや汚れが、適切に除去されていることが好ましい。なお、面粗さ、面方位については、評価目的や必要に応じて適時設定されていればよく、格別限定されるものではないが、面粗さの影響を回避できる点で、鏡面であることが好ましい。
【００２２】
まず、評価対象となる窒化物半導体基板１の一主表面９上に対して、図１に示すような方法にて、電解液２を接触させる。電解液２は、適量をスポイト等の器具により、窒化物半導体基板の一主表面上に滴下され、表面張力により水滴状の形態に保持された液滴の形状で保持される。このときの液滴の体積、液滴が窒化物半導体基板１の一主表面９上を占める占有面積については、評価する範囲に応じて、適時設定されてよい。
【００２３】
ここで、本発明においては、窒化物半導体基板の一主表面９に対して厚み方向である垂直方向に、半導体基板１内部を導電させることから、下地基板１１は、導電性を有する材料であることが好ましい。好適には、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、アンチモン（Ｓｂ）等がドープされたシリコン（Ｓｉ）基板が挙げられる。
【００２４】
なお、電解液２を接触させる方法の他の例として、図２に示すように、一主面に対して複数個の液滴を形成してもよい。このような装置は、サファイアなどの絶縁体を下地基板１１として用いていることで、下地基板１１から電解液２に向かって垂直方向に対して電界をかけることができない場合に適用することができる。
【００２５】
電解液２は、良好な導電性を有すること、半導体基板の処理に適用できる程度に金属元素等の濃度レベルが低いことがそれぞれ好ましい。この点で、本発明において格別明確な基準を必要とするものではないが、導電性は、例えば電気抵抗１０Ωｃｍ以下であればよい。また、金属元素等の濃度レベルは、例えば鉄、銅、ニッケル、アルミニウム、等の元素が、それぞれ１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であればよい。
【００２６】
次に、電解液２からなる液滴に、導電性材料からなるプローブ３を接触させる。プローブ３の材質は、導電性を有する材料であれば特に限定されないが、タングステン、白金、その他の難腐食性金属が、扱いやすさの点で好適である。プローブ３の形状も、特に限定されないが、一般的な半導体評価装置で用いられる細い針形状が、好適である。
【００２７】
そして、プローブ３を介した電解液２を通じて、支持台７を介した下地基板１１の間に電界が印加される。電界の発生は、電源や出力制御回路などからなる電界制御装置４にて行われる。この電界制御装置４の構造や仕様は、評価対象や評価条件によって適時設計され、格別限定されない。
【００２８】
窒化物半導体に存在するキラー欠陥は、欠陥のない正常な部位と比較すると、電気的には弱く、適切な電界をかけると、欠陥として顕在化される。さらに、窒化物半導体基板１の耐圧上限値に近いほどの高い電界をかけると、キラー欠陥の顕在化した部位からのＥｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ（ＥＬ）発光が起こるので、これにより、キラー欠陥の位置を特定することができる。
【００２９】
このようにして電界をかけた状態で、光学顕微鏡５を、窒化物半導体基板１の一主表面９の上方に配置し、適時水平又は垂直に移動させて、顕在化されたキラー欠陥を観察し、さらには、例えばＣＣＤカメラ６で観測、または撮影する。ＣＣＤカメラ６は、特にその詳細な仕様や性能を限定することを要しない。また、光学的な観察が可能なものであれば、ＣＣＤカメラ以外の手段も、広く適用できる。
【００３０】
電界は、窒化物半導体基板１の耐圧上限値の７０％以上９５％以下の値であることが好ましい。ここで、窒化物半導体基板の耐圧上限値とは、窒化物半導体層１２に、例えばＨＥＭＴ構造のトランジスタを形成したときの、基板の厚み方向で絶縁破壊を引き起こす電界値であり、評価に用いる窒化物半導体基板ごとに適時設定される。
【００３１】
窒化物半導体基板１の耐圧上限値の７０％未満では、キラー欠陥からのＥＬ発光を引き起こすには不十分である。一方、窒化物半導体基板１の耐圧上限値の９５％を超えると、窒化物半導体層１２自体で真性絶縁破壊が生じてしまう場合があり、キラー欠陥以外の箇所でも絶縁破壊による欠陥の発生がおこるので、正確な欠陥の評価が困難となる。
【００３２】
さらに、キラー欠陥のみを確実に顕在化させるためには、窒化物半導体層１２のキャリア濃度が、１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。この値より高い場合は、窒化物半導体層１２が高抵抗化するので、ＥＬ発光を引き起こすのに十分高い電界をかけることができるためである。
【００３３】
本発明に係る窒化物半導体基板の評価方法において、電解液２は、エッチング性を有することが好ましい。キラー欠陥は、特に室温でのエッチングのみでは、欠陥の顕在化の進行が遅い。本発明においては、エッチング性を有する電解液を用いて、エッチングの進行を電界がサポートすることで、キラー欠陥の顕在化がより短時間で進行する。これにより、欠陥をより明確な形状、一例としてエッチビットの形で、残存させることが可能となる。
【００３４】
エッチング性を有する電解液２としては、ＫＯＨ、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、アンモニア（ＮＨ３）のうち、少なくとも１つを含むアルカリ性水溶液が、好適に用いられる。なおＧａＮ結晶のキラー欠陥の顕在化という点では、ＫＯＨがより好ましい。
【００３５】
ただし、電解液２は、必ずしもアルカリ性水溶液でなくてもよい。例えば酸性水溶液も、成分、濃度、温度等の最適化を行った上で、適時用いることができる。酸性水溶液の一例として、フッ化水素（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ３）、塩酸（ＨＣＬ）等を挙げることができる。
【００３６】
また、電解液２にエッチング性を持たせた場合は、電界をかけた後のキラー欠陥が、エッチピットの形状で残存するので、例えば、レーザー散乱トモグラフィ装置等で、欠陥の位置を観察することもできる。このエッチピットのサイズは、印加する電界の大きさや印加時間により、調整することができる。
【００３７】
本発明においては、評価を行うときの環境温度、すなわち、窒化物半導体基板１と電解液２の温度は、室温であることが好ましい。ここで、室温とは、おおむね０℃以上４０℃以下であるものとする。
【００３８】
キラー欠陥の顕在化を促進するという観点では、一手法として、エッチング液を高温化することでエッチング性を高めることが考えられる。しかしこの場合、欠陥以外の箇所もエッチングされ、欠陥の特定が困難になること、エッチング条件の最適化が難しくなること、さらには、面荒れ等が併発し評価後の基板は再利用できない、等が懸念される。本発明においては、室温環境に準じた負荷の少ない状態で評価を実施できるので、キラー欠陥を簡易に顕在化できる点で、好ましいものといえる。
【００３９】
また、０℃以上４０℃以下の温度範囲を外れた環境は、一般的には、冷蔵室や加熱装置等の、格別温度を一定に保持する装置、設備を用いて作り出す必要があるので、簡易な測定方法としては、好ましいとはいえない。
【００４０】
本発明に係る窒化物半導体基板は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の評価方法によって、基板一主表面上におけるキラー欠陥の平面座標位置が特定されている。よって、少なくともキラー欠陥に起因する不良の発生する部位を、素子形成前に排除できるので、デバイスプロセスにおけるスループットを向上することができる。なお、この場合、用途に応じて、エッチング性を持たない電解液で、エッチピットを残存させなくても、エッチング性を持たせた電解液で、エッチピットを残存させてもよい。
【００４１】
さらに、本発明に係る窒化物半導体基板の評価方法を適用した窒化物半導体基板は、洗浄等の適切な処理をすることで、デバイス製造プロセスに投入することも可能である。あらかじめキラー欠陥の平面位置情報が得られている窒化物半導体基板１は、デバイス回路の設計プロセスにおいて、不良箇所の排除を含め、より多角的な設計を可能とする。
【００４２】
以上のとおり、本発明に係る窒化物半導体基板の評価方法、および窒化物半導体基板では、ＧａＮに代表される窒化物半導体基板におけるキラー欠陥を、簡易かつ正確に評価することができる。さらに、キラー欠陥の位置が特定された窒化物半導体基板を提供することも可能となる。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づき説明するが、本発明はこの実施例により限定されるものではない。
【００４４】
（実験１）
チョクラルスキー（ＣＺ）法で製造された、面方位（１１１）、直径４インチ、厚さ６２５μｍ、アンチモン（Ｓｂ）がドープされた抵抗率２０ｍΩ・ｃｍのＳｉ単結晶基板を準備し、この基板に対して、窒化物半導体からなる中間層とデバイス活性層を、気相成長法により堆積することで、評価用窒化物半導体基板を作製した。
【００４５】
Ｓｉ単結晶基板を、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置にセットし、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、およびアンモニア（ＮＨ３）を用い、１１００℃での気相成長により、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ単結晶層を形成した。さらにその上に、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡおよびＮＨ３を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２００ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ単結晶層を積層させた。この、ＡｌＮ単結晶層とＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ単結晶層の２層を、初期バッファ領域とした。
【００４６】
次に、原料としてＴＭＡおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、前記初期バッファ領域上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層を積層させ、続けて厚さ２０ｎｍのＧａＮ単結晶層を積層させた。前記ＡｌＮ単結晶層およびＧａＮ単結晶層を同様の工程にて交互に繰り返し、積層数を５０として、第１の多層バッファ領域を形成した。さらに、前記第１の多層バッファ領域上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さを２５０ｎｍのＧａＮ単結晶層を交互に繰り返し積層させ、積層数を２４として、それ以外は、前記第１の多層バッファ領域の形成と同様の工程にて、第２の多層バッファ領域を形成した。以上のようにして、初期バッファ領域と第１の多層バッファ領域と第２の多層バッファ領域を合わせた領域を中間層とした。
【００４７】
前記第２の多層バッファ領域上に、原料としてＴＭＧおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０００ｎｍのＧａＮ単結晶層と、これに続けて、原料としてＴＭＧ、ＴＭＡ、およびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０ｎｍのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ単結晶層を積層させて、電子供給層を形成した。このようにして、評価用窒化物半導体基板を作製した。なお、気相成長により形成した各層の厚さは、ガス流量および供給時間の調整により行った。
【００４８】
作製した評価用窒化物半導体基板について、図１に示す構造の評価装置を用いて評価した。電解液は、ＫＯＨ飽和水溶液を使用し、スポイトにて、評価用窒化物半導体基板の中心部に、基板半径の半分程度の円形状になるように、液滴を形成した。そして、タングステン製のプローブの先端を、この液滴の表面に接触させた状態で保持した。この状態で電界を印加し、光学顕微鏡およびＣＣＤカメラにて、キラー欠陥からのＥＬ発光を観察した。なお、電界条件は、＋１０００Ｖを１０秒間印加、室温２５℃の室内にて実施した。なお、基板外周にはＧａＮ単結晶層と電子供給層の界面に発生する２次元電子ガスをＳｉ単結晶基板と電気的絶縁を確保するためアイソレーション処理を施した。これを実施例１とした。
【００４９】
この結果、評価用窒化物半導体基板の数箇所から、ＥＬ発光および気泡の発生を確認した。図４に、この電界を印加した後の評価用窒化物半導体基板を洗浄後、レーザー散乱トモグラフィ（装置名Ｓｕｒｆｓｃａｎ  ４５００）で検出したキラー欠陥のエッチピット形状の電子顕微鏡像を示す。
【００５０】
次に、実施例１の評価用窒化物半導体基板を用いて、Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＦＥＴ）素子を１００個作製した。そして、実験１で得られたキラー欠陥の位置情報によるキラー欠陥が存在するとした部位から得た素子３個と、存在しないとした部位から得た素子９７個について、それぞれ基板厚み方向の耐圧（縦耐圧）をしきい値電圧±１０００Vで評価したところ、キラー欠陥が存在するという位置情報をもつ素子は、全て特性ＮＧとなり、キラー欠陥が存在しないという位置情報をもつ素子は、全て特性ＯＫとなった。
【００５１】
（実験２）
さらに、実施例１で用いたものと同じ窒化物半導体基板を用いて、表１に示す内容で評価条件を変更して評価を行った。
【００５２】
【表１】
2012182261.tif 000003
【００５３】
表１の結果より、本発明のより好ましい実施範囲においては、さらに適切なキラー欠陥の評価が出来る点で、優れているといえる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速・高温での動作可能な電子素子等に用いられる、各種の窒化物半導体基板の評価方法として好適である。さらには、印加電界値、電解液の種類、その他評価条件の選択と最適化により、基板上に存在する特異な欠陥を顕在化させることができる点で、広く半導体以外の基板の評価手法に応用することも可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１・・窒化物半導体基板、２・・電解液、３・・プローブ、４・・電界制御装置、５・・光学顕微鏡、６・・レーザー散乱トモグラフィ、７・・支持台、８・・窒化物半導体基板の一主表面、１１・・下地基板、１２・・窒化物半導体層。
【図１】
2012182261.tif 000004
【図２】
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