(57)【要約】【課題】汚染元素に汚染された超格子層の添加元素濃度を求める方法を提供する。【解決手段】方法は、基板上に、結晶性を有する第１の層と、結晶性を有する第２の層と、第２の層と格子整合して積層され、第２元素を含み、結晶性を有する第３の層とを、第１の層及び第２の層及び第３の層内に第１元素が同じ濃度を含むように形成した後、基板を除去して、試料を形成し、試料のＸ線回折光強度の角度分布を測定し、第１の層に起因する第１ピークの位置と、第２の層及び第３の層に起因する第２のピークの位置とに基づいて、第３の層に含まれる第２元素の濃度を求める。【選択図】図１９
2017032482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、
結晶性を有する第１の層と、
結晶性を有する第２の層と、
前記第２の層と格子整合して積層され、第２元素を含み、結晶性を有する第３の層とを、前記第１の層及び前記第２の層及び前記第３の層内に前記第１元素が同じ濃度を含むように形成した後、前記基板を除去して、試料を形成し、
前記試料のＸ線回折光強度の角度分布を測定し、前記第１の層に起因する第１ピークの位置と、前記第２の層及び前記第３の層に起因する第２のピークの位置とに基づいて、前記第３の層に含まれる前記第２元素の濃度を求める方法。
【請求項２】
第１元素を有し、結晶性を有する第１の層と、
前記第１元素を有し、結晶性を有する第２の層と、
前記第２の層と格子整合して積層されており、前記第１元素及び第２元素を含み、結晶性を有する第３の層と、
前記第１元素を含む第４の層であって、前記第１元素が入り得る全サイトが前記第１元素に置換されており、結晶性を有する第４の層と、
を有し、前記第１の層及び前記第２の層及び前記第３の層における前記第１元素の濃度が同じである試料のＸ線回折光強度の角度分布を測定し、
前記第１の層に起因する第１ピークの位置と、前記第４の層に起因する第２のピークの位置とに基づいて、前記第１の層及び前記第２の層及び前記第３の層における前記第１元素の濃度を求める方法。
【請求項３】
前記第１の層に起因する前記第１ピークの位置と、前記第２の層及び前記第３の層に起因する第３のピークの位置とに基づいて、前記第３の層に含まれる前記第２元素の濃度を求める請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第４の層と前記第１の層とは、積層されており、
前記第４の層と前記第１の層とは、同じ結晶構造を有する請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記第４の層と前記第１の層とは積層されており、
前記第４の層と前記第１の層とは、界面方向において格子整合している請求項２〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の層と、前記第２の層又は前記第３の層とは積層されており、
前記第１の層と、前記第２の層又は前記第３の層とは、界面方向において格子整合している請求項２〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
第１元素を有し、結晶性を有する第１の層と、
前記第１元素を有し、結晶性を有する第２の層と、
前記第２の層と格子整合して積層されており、前記第１元素及び第２元素を含み、結晶性を有する第３の層と、
前記第１元素を含む第４の層であって、前記第１元素が入り得る全サイトが前記第１元素に置換されており、結晶性を有する第４の層と、
を有し、前記第１の層及び前記第２の層及び前記第３の層における前記第１元素の濃度が同じである試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶されたＸ線回折光強度の角度分布の測定結果における前記第１の層に起因する第１ピークの位置と、前記第４の層に起因する第２ピークの位置とに基づいて、前記第１の層及び前記第２の層及び前記第３の層における前記第１元素の濃度を求める演算部と、
を備える装置。
【請求項８】
第１元素を有し、結晶性を有する第１の層と、
前記第１元素を有し、結晶性を有する第２の層と、
前記第２の層と格子整合して積層されており、前記第１元素及び第２元素を含み、結晶性を有する第３の層と、
前記第１元素を含む第４の層であって、前記第１元素が入り得る全サイトが前記第１元素に置換されており、結晶性を有する第４の層と、
を有し、前記第１の層及び前記第２の層及び前記第３の層における前記第１元素の濃度が同じである試料に対して、単色Ｘ線を照射するＸ線照射部と、
前記試料に対して入射するＸ線の入射角度を変更する入射角度変更部と、
前記試料から回折したＸ線回折光を検出するＸ線検出部と、
前記試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果における前記第１の層に起因する第１ピークの位置と、前記第４の層に起因する第２ピークの位置とに基づいて、前記第１の層及び前記第２の層及び前記第３の層における前記第１元素の濃度を求める演算部と、
を備えるＸ線回折装置。
【請求項９】
第１元素を有し、結晶性を有する第１の層と、
前記第１元素を有し、結晶性を有する第２の層と、
前記第２の層と格子整合して積層されており、前記第１元素及び第２元素を含み、結晶性を有する第３の層と、
前記第１元素を含む第４の層であって、前記第１元素が入り得る全サイトが前記第１元素に置換されており、結晶性を有する第４の層と、
を有し、前記第１の層及び前記第２の層及び前記第３の層における前記第１元素の濃度が同じである試料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方法、装置、Ｘ線回折装置及び試料に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化合物半導体を用いた半導体装置の開発が行われている。化合物半導体を用いた半導体装置は、シリコンを用いた半導体装置では実現することが困難な電気的特性又は光電気的特性が得られることが期待されている。
【０００３】
例えば、化合物半導体を用いた半導体装置として、高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）、量子井戸型赤外線検知素子（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＷＩＰ）、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ：ＰＤ）、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＢＴ）、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）、電界吸収型変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＥＡＭ）等のデバイスが提案されている。
【０００４】
化合物半導体を用いた構造として、超格子構造のような複数の化合物半導体層を周期的に積層した構造が用いられている。中でも、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓとＡｌｘＧａ１−ｘＡｓとを積層した積層構造が用いられている。
【０００５】
ＧａＡｓの格子定数は５．６５４Ａ（オングストローム）であり、ＡｌＡｓの格子定数は５．６６２Ａであり、両者の格子定数はほぼ同じであるため、ＧａＡｓとＡｌｘＧａ１−ｘＡｓとは格子整合する。
【０００６】
一方、ＧａＡｓのバンドギャップは１．４２ｅＶであり、ＡｌＡｓのバンドギャップは２．１６ｅＶであるので、両者のバンドギャップは大きく異なる。ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓのバンドギャップの値は、ＩＩＩ族元素であるＡｌの組成比ｘを変更することにより、調節可能である。具体的なバンドギャップの値は、積層構造に求められる電気的特性又は光電気的特性に基づいて決定され得る。
【０００７】
従って、積層構造の電気的特性又は光電気的特性は、添加元素であるＡｌ濃度を管理することにより行われる。
【０００８】
例えば、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ及びＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの超格子構造が形成された半導体装置のＸ線回折光強度の角度分布を測定し、ＧａＡｓ基板の（００４）面のＸ線回折光強度のピークの位置と、ＧａＡｓ及びＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの超格子構造に起因するピークの位置とに基づいて、Ａｌ濃度を求めることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−２７０５２号公報
【特許文献２】特開２００３−１２１３９１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｉ．Ｃ．Ｂａｓｓｉｇｎａｎａ  ｅｔ  ａｌ．、「Ｓｅｔｔｉｎｇ  ｌｉｍｉｔｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ａｃｃｕｒａｃｙ  ｏｆ  Ｘ−ｒａｙ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｌ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ  ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｌａｙｅｒｓ」、Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、１７２（１９９７）２５−３６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した化合物半導体の積層構造を有する半導体装置の商業生産では、製造を外部に委託して、ファウンドリにおいて製造することが行われている。
【００１２】
ファウンドリにおける半導体装置の製造では、同じチャンバを用いて、異なる層の形成が行われることがある。例えば、最初にＧａＰ層を形成したチャンバを用いて、次に、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との積層構造の成膜が行われる場合がある。
【００１３】
この場合、Ｖ族元素であるＰがチャンバ内に残っていると、積層構造におけるＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層のＶ族元素であるＡｓと置換して、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との積層構造に対して、Ｐによる汚染が生じるおそれがある。
【００１４】
ＧａＰの格子定数は５．４５１Ａであり、ＧａＡｓの格子定数とは、約０．２Ａも異なる。そのため、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との積層構造がＰによる汚染を受けると、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との積層構造に起因したＸ線回折光強度のピークの位置が変化して、添加元素であるＡｌの濃度測定に影響を与える。
【００１５】
そこで、汚染された状態においても、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との積層構造に含まれる添加元素であるＡｌ濃度を測定できることが望まれている。また、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との積層構造に含まれる汚染元素であるＰ濃度を測定することが望まれている。
【００１６】
本明細書では、上述した問題を解決し得る方法を提供することを課題とする。
【００１７】
また、本明細書では、上述した問題を解決し得る装置を提供することを課題とする。
【００１８】
また、本明細書では、上述した問題を解決し得るＸ線回折装置を提供することを課題とする。
【００１９】
更に、本明細書では、上述した問題を解決し得る試料を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本明細書に開示する方法の一形態によれば、基板上に、結晶性を有する第１の層と、結晶性を有する第２の層と、上記第２の層と格子整合して積層され、第２元素を含み、結晶性を有する第３の層とを、上記第１の層及び上記第２の層及び上記第３の層内に上記第１元素が同じ濃度を含むように形成した後、上記基板を除去して、試料を形成し、上記試料のＸ線回折光強度の角度分布を測定し、上記第１の層に起因する第１ピークの位置と、上記第２の層及び上記第３の層に起因する第２のピークの位置とに基づいて、上記第３の層に含まれる上記第２元素の濃度を求める。
【００２１】
また、本明細書に開示する方法の他の一形態によれば、第１元素を有し、結晶性を有する第１の層と、上記第１元素を有し、結晶性を有する第２の層と、上記第２の層と格子整合して積層されており、上記第１元素及び第２元素を含み、結晶性を有する第３の層と、上記第１元素を含む第４の層であって、上記第１元素が入り得る全サイトが上記第１元素に置換されており、結晶性を有する第４の層と、を有し、上記第１の層及び上記第２の層及び上記第３の層における上記第１元素の濃度が同じである試料のＸ線回折光強度の角度分布を測定し、上記第１の層に起因する第１ピークの位置と、上記第４の層に起因する第２のピークの位置とに基づいて、上記第１の層及び上記第２の層及び上記第３の層における上記第１元素の濃度を求める。
【００２２】
また、本明細書に開示する装置の一形態によれば、第１元素を有し、結晶性を有する第１の層と、上記第１元素を有し、結晶性を有する第２の層と、上記第２の層と格子整合して積層されており、上記第１元素及び第２元素を含み、結晶性を有する第３の層と、上記第１元素を含む第４の層であって、上記第１元素が入り得る全サイトが上記第１元素に置換されており、結晶性を有する第４の層と、を有し、上記第１の層及び上記第２の層及び上記第３の層における上記第１元素の濃度が同じである試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を記憶する記憶部と、上記記憶部に記憶されたＸ線回折光強度の角度分布の測定結果における上記第１の層に起因する第１ピークの位置と、上記第４の層に起因する第２ピークの位置とに基づいて、上記第１の層及び上記第２の層及び上記第３の層における上記第１元素の濃度を求める演算部と、を備える。
【００２３】
また、本明細書に開示するＸ線回折装置の一形態によれば、第１元素を有し、結晶性を有する第１の層と、上記第１元素を有し、結晶性を有する第２の層と、上記第２の層と格子整合して積層されており、上記第１元素及び第２元素を含み、結晶性を有する第３の層と、上記第１元素を含む第４の層であって、上記第１元素が入り得る全サイトが上記第１元素に置換されており、結晶性を有する第４の層と、を有し、上記第１の層及び上記第２の層及び上記第３の層における上記第１元素の濃度が同じである試料に対して、単色Ｘ線を照射するＸ線照射部と、上記試料に対して入射するＸ線の入射角度を変更する入射角度変更部と、上記試料から回折したＸ線回折光を検出するＸ線検出部と、上記試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果における上記第１の層に起因する第１ピークの位置と、上記第４の層に起因する第２ピークの位置とに基づいて、上記第１の層及び上記第２の層及び上記第３の層における上記第１元素の濃度を求める演算部と、を備える。
【００２４】
更に、本明細書に開示する試料の一形態によれば、第１元素を有し、結晶性を有する第１の層と、上記第１元素を有し、結晶性を有する第２の層と、上記第２の層と格子整合して積層されており、上記第１元素及び第２元素を含み、結晶性を有する第３の層と、上記第１元素を含む第４の層であって、上記第１元素が入り得る全サイトが上記第１元素に置換されており、結晶性を有する第４の層と、を有し、上記第１の層及び上記第２の層及び上記第３の層における上記第１元素の濃度が同じである。
【発明の効果】
【００２５】
上述した本明細書に開示する方法の一形態によれば、第２の層と格子整合して積層された第３の層に含まれる第２元素の濃度を求めることができる。
【００２６】
上述した本明細書に開示する方法の他の一形態によれば、第１の層及び第２の層及び第３の層における第１元素の濃度を求めることができる。
【００２７】
また、上述した本明細書に開示する装置の一形態によれば、第１の層及び第２の層及び第３の層における第１元素の濃度を求めることができる。
【００２８】
また、上述した本明細書に開示するＸ線回折装置の一形態によれば、第１の層及び第２の層及び第３の層における第１元素の濃度を求めることができる。
【００２９】
更に、上述した本明細書に開示する試料の一形態によれば、試料を用いてＸ線回折光強度の角度分布の測定することにより、第１の層及び第２の層及び第３の層における第１元素の濃度を求めることができる。
【００３０】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００３１】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来の半導体装置を説明する図である。
【図２】図１に示す半導体装置のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【図３】図２の要部を拡大して示す図である。
【図４】半導体装置が汚染されることを説明する図である。
【図５】汚染された半導体装置の構造を説明する図である。
【図６】図５に示す半導体装置のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【図７】図６の要部を拡大して示す図である。
【図８】本明細書に開示するＸ線回折装置の一実施形態を示す図である。
【図９】本明細書に開示する試料であって、汚染される前の状態を示す図である。
【図１０】図９に示す試料の製造工程を説明する図（その１）である。
【図１１】図９に示す試料の製造工程を説明する図（その２）である。
【図１２】図９に示す試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【図１３】本明細書に開示する試料であって、汚染された後の状態を示す図である。
【図１４】図１３に示す試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【図１５】本明細書に開示する他の試料であって、汚染される前の状態を示す図である。
【図１６】図１５に示す試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【図１７】本明細書に開示する他の試料であって、汚染された後の状態を示す図である。
【図１８】図１７に示す試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【図１９】試料の汚染元素濃度及び添加元素濃度を測定するフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
まず、超格子層及び半導体層を有する半導体装置における添加元素濃度の従来の測定について説明する。次に、この半導体装置が汚染元素に汚染された場合における添加元素濃度の従来の測定における課題を説明する。その後、従来の課題を解決し得る本明細書に開示する試料を用いたＸ線回折装置による測定について説明する。
【００３４】
図１は、従来の半導体装置を説明する図である。
【００３５】
半導体装置１３０は、基板１３５と、基板１３５上に配置される第１半導体層１３２と、第１半導体層１３２上に配置される超格子層１３３と、超格子層１３３上に配置される第２半導体層１３４を有する。図１に示す半導体装置１３０は、例えば、赤外線センサに使用される構造を有する。
【００３６】
基板１３５と、第１半導体層１３２と、超格子層１３３と、第２半導体層１３４は、結晶性を有する。本明細書において、結晶性を有するとは、Ｘ線回折光強度の角度分布を測定した時に、周期的構造に起因するＸ線回折光のピークが測定可能であることを意味しており、多結晶又はアモルファスな部分が含まれていてもよい。
【００３７】
図１に示す例では、基板１３５は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓの基板である。第１半導体層１３２及び第２半導体層１３４も、同様にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓにより形成されており、基板１３５と格子整合する。
【００３８】
超格子層１３３は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層とＧａＡｓ層との積層単位が２０積層された構造を有する。ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層とＧａＡｓ層とは、格子整合している。超格子層１３３は、第１半導体層１３２及び第２半導体層１３４との界面方向において、第１半導体層１３２及び第２半導体層１３４と格子整合する。本明細書において、半導体層と超格子層とが格子整合するとは、半導体層と超格子層の面内の格子定数が一致した状態にあることを意味し、通常、半導体層の格子定数と、超格子層の平均的な格子定数との差が、１％以下の場合に格子整合する場合が多い。また、本明細書において、層と層との界面方向は、界面の面内の方向を意味する。
【００３９】
半導体装置１３０は、超格子層１３３における添加元素であるＡｌ濃度を調整することにより、所望する電気的特性又は光電気的特性を得ることができる。超格子層１３３のＡｌ濃度は、Ｘ線回折光強度の角度分布の測定に基づいて求めることができる。
【００４０】
図２は、図１に示す半導体装置のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【００４１】
図２の測定では、添加元素であるＡｌの組成比ｘを、０．３、０．２９５、０．２９、０．２８、０．２７、０．２５、０．２（図２中３０％〜２０％に対応）の７水準に変化させた半導体装置１３０を用いた。本明細書では、組成比は、原子数の割合を示している。各Ａｌ組成比の半導体装置１３０は、θ／２θ法を用いて、Ｘ線回折光強度の角度分布が測定された。
【００４２】
図２の横軸は、Ｘ線回折光の出射角度を示しており、ＧａＡｓ結晶の（００４）面のＸ線回折光強度のピークの位置を基準としている。図２の縦軸は、各出射角度におけるＸ線回折光強度を示す。なお、図２の横軸及び縦軸に対する説明は、他のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図にも適宜適用される。
【００４３】
図２において、ピークＰ１は、第１半導体層１３２及び第２半導体層１３４並びに基板１３５を形成するＧａＡｓ結晶の（００４）面に起因するＸ線回折光強度である。
【００４４】
また、図２において、複数のピークＰ２が含まれるピーク群は、各Ａｌ濃度の超格子層１３３に起因するＸ線回折光強度である。
【００４５】
図３は、ピークＰ１及びピーク２のピーク群を拡大して示す。
【００４６】
図２及び図３に示すように、ピークＰ１の位置は、超格子層１３３の添加元素であるＡｌ濃度が変化しても実質的変化しないので、ピークＰ１の位置と、ピークＰ２の位置とに基づいて、超格子層１３３のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層のＡｌ濃度を求めることができる。Ａｌ濃度を求める方法としては、例えば、非特許文献１に記載の方法を用いることができる。なお、本明細書において、ピークの位置が実質的に変化しないとは、例えピークの位置に違いがあったとしても、元素濃度の測定に対して許容される測定誤差の範囲内で影響しないことを意味する。
【００４７】
次に、半導体装置が汚染元素に汚染された場合における添加元素濃度の従来の測定における課題を説明する。
【００４８】
図４は、半導体装置が汚染されることを説明する図である。
【００４９】
図４に示すように、半導体装置１３０の製造工程では、成膜チャンバ４０内において、基板１３５上に、第１半導体層１３２と、超格子層１３３と、第２半導体層１３４とが順番に形成される。
【００５０】
ここで、半導体装置１３０の製造を行う前に、成膜チャンバ４０において、元素Ｐを用いる成膜（例えば、ＧａＰ層の形成）が行われており、成膜チャンバ４０の内壁に元素Ｐが付着して残っていたとする。
【００５１】
図４に示すように、半導体装置１３０の製造工程では、第１半導体層１３２及び超格子層１３３及び第２半導体層１３４内には、成膜チャンバ４０の内壁に付着していたＰが取り込まれる。
【００５２】
図５は、汚染された半導体装置の構造を説明する図である。
【００５３】
図５に示すように、各層において、汚染元素Ｐと同じＶ族元素であるＡｓの一部又は全部が置換して、各層の汚染した状態が形成される。各層は、成膜チャンバ４０において、原料ガスが導入され、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法等を用いて、エピタキシャル成長により形成される。各層が成長する際に、汚染元素Ｐが取り込まれることになる。第１半導体層１３２及び超格子層１３３及び第２半導体層１３４には、通常、汚染元素Ｐが均一に取り込まれて、同じ濃度を有する。
【００５４】
なお、基板１３５は、成膜チャンバ４０内で形成されるものではないので、基板１３５の表面において汚染元素Ｐによる汚染を受けるものの、バルクに対する汚染はほとんど生じない。
【００５５】
第１半導体層１３２及び超格子層１３３及び第２半導体層１３４内に汚染元素Ｐが取り込まれると、格子定数の変化が生じる。一方、基板１３５のバルクにおける格子定数の変化は、実質的に生じない。
【００５６】
図６は、図５に示す半導体装置のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【００５７】
図６の測定では、超格子層１３３における添加元素であるＡｌの組成比ｘを０．３として、汚染元素Ｐの組成比ｙを、０、０．０００５、０．００１、０．００２、０．００３、０．００５、０．０１、０．０２、０．０３、０．０５（図６中０％〜５％に対応）の１０水準に変化させた半導体装置１３０を用いた。各Ｐ組成比の半導体装置１３０は、θ／２θ法を用いて、Ｘ線回折光強度の角度分布が測定された。
【００５８】
図６において、複数のピークＰ１が含まれるピーク群は、第１半導体層１３２及び第２半導体層１３４並びに基板１３５を形成するＧａＡｓ結晶の（００４）面に起因するＸ線回折光強度である。第１半導体層１３２及び第２半導体層１３４は、汚染元素Ｐが組み込まれたことにより格子定数が変化するが、基板１３５には格子定数の変化がないので、第１半導体層１３２及び第２半導体層１３４の格子定数と、基板１３５の格子定数との間には差が生じている。従って、各Ｐ濃度におけるＧａＡｓ結晶の（００４）面に起因するＸ線回折光の位置は、第１半導体層１３２及び第２半導体層１３４並びに基板１３５の合成されたものになる。従って、ＧａＡｓ結晶の（００４）面に起因するＸ線回折光の位置は、Ｐ濃度によって異なることになる。そのため、図６に示すように、ピーク群が見られることになる。
【００５９】
また、図６において、複数のピークＰ２が含まれるピーク群は、各Ｐ濃度の超格子層１３３に起因するＸ線回折光強度である。図６では、各Ｐ濃度におけるピークＰ２の位置の違いは、各Ａｌ濃度の違いによるピークＰ２の位置の違い（図２及び図３参照）よりも大きくなっている。これは、汚染元素Ｐが、Ａｓと置換されることにより、格子定数が大きく変化するためである。
【００６０】
図７は、ピークＰ１のピーク群及びピーク２のピーク群を拡大して示す。
【００６１】
複数のピークＰ２の位置には、汚染元素Ｐの影響を受けない基板１３５に起因するピークが重なって現れている。また、複数のピークＰ２は、各Ｐ濃度において、ピークＰ１を基準として示されているが、このピークＰ１の位置は、Ｐ濃度の影響を受けているので変動している。
【００６２】
このように、超格子層１３３に起因するピークＰ２の位置は、添加元素であるＡｌ濃度と共に、汚染元素であるＰ濃度の影響も受ける。
【００６３】
また、超格子層１３３の添加元素であるＡｌ濃度を求める時には、ＧａＡｓ結晶の（００４）面に起因するＸ線回折光の位置を基準として用いるが、この基準となるピークの位置も、汚染元素であるＰ濃度の影響も受けて変化する。
【００６４】
従って、半導体装置１３０が汚染元素Ｐにより汚染されている場合には、添加元素であるＡｌ濃度を求めることが困難となる。また、汚染の程度を調べるために汚染元素のＰ濃度を求めることが望まれる。
【００６５】
以上が、半導体装置が汚染元素に汚染された場合における添加元素濃度の従来の測定における課題の説明である。
【００６６】
以下、上述した課題を解決し得る本明細書で開示するＸ線回折装置の好ましい一実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００６７】
図８は、本明細書に開示するＸ線回折装置の一実施形態を示す図である。
【００６８】
本実施形態のＸ線回折装置１０は、結晶性を有する試料のＸ線回折光強度の角度分布を測定し、測定結果に基づいて、試料に含まれる超格子層の添加元素の濃度及び試料の汚染元素の濃度を求める。
【００６９】
Ｘ線回折装置１０は、Ｘ線照射部１１と、試料台１２と、入射角度変更部１３と、Ｘ線検出部１４と、制御部２０を備える。
【００７０】
Ｘ線照射部１１は、所定の範囲の連続スペクトルを有するＸ線を出力する白色Ｘ線源１１ａと、入力した白色Ｘ線を分光して単色Ｘ線を生成する分光器１１ｂを有する。
【００７１】
試料３０は、分光器１１ｂから出力される単色Ｘ線が入射するように、試料台１２上に配置される。試料台１２の向きが入射角度変更部１３によって変更されることにより、試料３０に入射する単色Ｘ線の入射角度が調節可能になされている。
【００７２】
Ｘ線検出部１４は、単色Ｘ線の試料３０への入射角度θに対して、出射角度が２θとなる角度でＸ線を受光するように配置されてＸ線強度を検出する。Ｘ線検出部１４の試料３０に対する角度は、単色Ｘ線の試料３０への入射角度θが変更されることに対応して変更される。
【００７３】
制御部２０は、Ｘ線照射部１１と、入射角度変更部１３と、Ｘ線検出部１４とを制御して、θ／２θ法を用いて、試料３０のＸ線回折光強度の角度分布を測定する。
【００７４】
なお、Ｘ線検出部として、ライン上にＸ線強度を検出する１次元センサ又は平面上にＸ線強度を検出する２次元センサを用いる場合には、Ｘ線検出部の向きを、試料に対する入射角度の変更と共に変更しなくてよい。
【００７５】
制御部２０は、演算部２１と、記憶部２２と、入力部２３と、表示部２４と、通信部２５を有する。
【００７６】
演算部２１は、記憶部２２に記憶された所定のプログラムを実行することにより、制御部２０の各機能を実現する。所定のプログラムは、例えば通信部２５を用いて、ネットワーク（図示しない）を介して記憶部２２に記憶することができる。また、測定されたＸ線回折光強度の角度分布の測定結果は、記憶部２２に記憶される。演算部２１は、通信部２５を用いて、Ｘ線照射部１１及び入射角度変更部１３及びＸ線検出部１４と通信する。入力部２３は、ユーザから処理に用いる情報等を入力する。表示部２４は、演算部２１が処理した結果を表示する。
【００７７】
また、演算部２１は、記憶部２２に記憶された試料３０のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果に基づいて、試料に含まれる超格子層の添加元素濃度及び試料の汚染元素濃度を求める。
【００７８】
次に、Ｘ線回折装置１０を用いて測定される試料について、図９を参照しながら、以下に説明する。図９に示す試料３０は、汚染元素がＰである場合に使用される試料の例である。
【００７９】
図９は、本明細書に開示する試料であって、汚染される前の状態を示す図である。
【００８０】
試料３０は、支持板３１と、支持板３１上に配置される汚染元素特定層３５と、汚染元素特定層３５上に配置される第２半導体層３４と、第２半導体層３４上に配置される超格子層３３と、超格子層３３上に配置される第１半導体層３２を有する。超格子層３３と、第１半導体層３２及び第２半導体層３４とは、第１半導体層３２及び第２半導体層３４との界面方向において格子整合している。
【００８１】
支持板３１は、支持板３１上に積層される各層を支持する。
【００８２】
図９に示す試料では、第１半導体層３２及び第２半導体層３４は、結晶性を有し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓにより形成される。
【００８３】
汚染元素特定層３５は、試料の汚染元素濃度を求めるために用いられる層である。汚染元素特定層３５は、結晶性を有し、第２半導体層３４との界面方向において、第２半導体層３４と格子整合する。汚染元素特定層３５に関する説明は後述する。
【００８４】
本明細書では、超格子層は、以下に説明する３つのタイプがある。
【００８５】
第１のタイプでは、超格子層は、結晶性を有する第１の層と、第１の層と格子整合しており、第１の層に含まれない所定の元素を含み、結晶性を有する第２の層とが積層された構造を意味する。また、超格子層は、第１の層と第２の層とが積層された積層単位が、繰り返して積層された構造を有していてもよい。
【００８６】
第２のタイプでは、超格子層は、結晶性を有する第１の半導体層と、第１の半導体層と格子整合しており、第１の半導体層に対して所定の元素が添加されており、結晶性を有する第２の半導体層と、が積層された構造を意味する。例えば、第１の半導体層が、ＧａＡｓ層であり、第２の半導体層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層である例がある。また、第１の半導体層が、ＩｎＰ層であり、第２の半導体層が、ＧａｘＩｎ１−ｘＰ層である例がある。第２のタイプの超格子層は、第１のタイプに含まれる。
【００８７】
第３のタイプでは、超格子層は、結晶性を有する第１の半導体層と、第１の半導体層と格子整合しており、第１の半導体層を形成する一部の元素が、他の元素と置換されており、結晶性を有する第２の半導体層と、が積層された構造を意味する。例えば、第１の半導体層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層であり、第２の半導体層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層である例がある。また、第１の半導体層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＰｙ層であり、第２の半導体層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＰｙ層である例がある。第３のタイプの超格子層は、第１のタイプに含まれる。
【００８８】
図９に示す超格子層３３は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層とＧａＡｓ層との積層単位が２０積層された構造を有する。ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層とＧａＡｓ層とは格子整合している。超格子層３３は、第１半導体層３２及び第２半導体層３４との界面方向において、第１半導体層３２及び第２半導体層３４と格子整合する。図９に示す超格子層３３は、上述した第２のタイプである。
【００８９】
次に、図９に示す試料３０の製造方法を、図１０及び図１１を参照しながら、以下に説明する。
【００９０】
まず、図１０に示すように、図１に示す半導体装置の第２半導体層１３４上に、汚染元素特定層３５が、第２半導体層１３４との界面方向において、第２半導体層１３４と格子整合するように形成される。汚染元素特定層３５は、結晶性を有し、後述する汚染元素Ｐを含み、Ｖ族元素であるＰが入り得る全サイトがＰに置換されている。本実施形態では、汚染元素特定層３５は、ＩｎｚＡｌ１−ｚＰにより形成される。汚染元素特定層３５は、例えば、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法を用いて、エピタキシャル成長により形成される。
【００９１】
次に、図１１に示すように、汚染元素特定層３５上に、支持板３１が接着された後、第１半導体層１３２から、基板１３５が除去されて、試料３０が得られる。ここで、第１半導体層１３２が第１半導体層３２へ、超格子層１３３が超格子層３３へ、第２半導体層１３４が第２半導体層３４へとそれぞれ対応することになる。
【００９２】
支持板３１は、非晶質であることが、各層のＸ線回折光の測定に影響を与えない観点から好ましい。又は、支持板３１が結晶性を有する場合には、支持板３１は、各層のＸ線回折光のピークの位置と重ならない格子定数を有する材料を用いて形成されることが好ましい。
【００９３】
図９に示す試料３０の例では、第１半導体層３２及び第２半導体層３４を形成するＧａＡｓの厚さは１μｍとした。超格子層３３を形成するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層の厚さは０．０５μｍとし、ＧａＡｓ層の厚さは０．００５μｍとした。汚染元素特定層３５を形成するＩｎｚＡｌ１−ｚＰの厚さは０．３μｍとした。
【００９４】
汚染元素特定層３５を有する試料３０は、対応する半導体層及び超格子層を有する半導体装置と同じ製造工程を用いて形成される。
【００９５】
汚染元素特定層３５を有する試料３０は、例えば、基板に形成される複数の半導体装置と共に、基板の隅に形成してもよい。また、汚染元素特定層３５が、半導体装置の電気的特性及び光電気的特性に影響は与えない場合には、汚染元素特定層３５を半導体装置の構造に組み込んで、半導体装置を製造してもよい。なお、試料３０は、第１半導体層及び第２半導体層の内の何れか一方を有していなくてもよい。
【００９６】
次に、試料３０を用いて、超格子層３３の添加元素であるＡｌ濃度を求めることを、図１２を参照しながら、以下に説明する。
【００９７】
図１２は、図９に示す試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【００９８】
図１２の測定では、添加元素であるＡｌの組成比ｘを、０．３、０．２９５、０．２９、０．２８、０．２７、０．２５、０．２（図１２中３０％〜２０％に対応）の７水準に変化させた試料３０を用いた。各Ａｌ組成比の試料３０は、図８に示すＸ線回折装置１０を用いて、Ｘ線回折光強度の角度分布が測定された。
【００９９】
図１２の横軸は、Ｘ線回折光の出射角度を示しており、ＧａＡｓ結晶の（００４）面のＸ線回折光強度のピークの位置を基準としている。図１２の縦軸は、各出射角度におけるＸ線回折光強度を示す。
【０１００】
図１２において、ピークＰ１は、第１半導体層３２及び第２半導体層３４を形成するＧａＡｓ結晶の（００４）面に起因するＸ線回折光強度である。
【０１０１】
また、図１２において、複数のピークＰ２が含まれるピーク群は、各Ａｌ濃度の超格子層３３に起因するＸ線回折光強度である。
【０１０２】
図１２に示すように、ピークＰ１の位置は、超格子層３３の添加元素であるＡｌ濃度が変化しても実質的変化しないので、ピークＰ１の位置と、ピークＰ２の位置とに基づいて、超格子層３３におけるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層のＡｌ濃度を求めることができる。
【０１０３】
また、図１２に示すように、汚染元素特定層３５に起因する単一のピークＰ３が、ピーク１及びピークＰ２とは離れた位置に現れている。
【０１０４】
即ち、汚染元素特定層３５に起因するピークＰ３の位置は、超格子層３３におけるＡｌ濃度の影響を受けない。
【０１０５】
次に、試料３０が、汚染元素により汚染された場合に、汚染元素特定層３５を用いて、汚染元素濃度を測定することを、以下に説明する。
【０１０６】
図１３は、本明細書に開示する試料であって、汚染された後の状態を示す図である。
【０１０７】
試料３０は、図４を用いて説明したように、汚染元素Ｐにより汚染された成膜チャンバを用いて、第１半導体層３２と、超格子層３３と、第２半導体層３４と、汚染元素特定層３５を順番に積層して形成される。
【０１０８】
第１半導体層３２と、超格子層３３と、第２半導体層３４は、汚染元素Ｐと同じＶ族元素であるＡｓの一部又は全部が置換して、各層の汚染した状態が形成される。第１半導体層３２及び超格子層３３及び第２半導体層３４には、通常、汚染元素Ｐが均一に取り込まれており、汚染元素Ｐの組成比ｙは、各層において同じである。本明細書では、各層における元素Ｐの濃度が同じであることは、各層における元素Ｐの組成比ｙが同じであることを意味する。また、本明細書では、汚染元素Ｐに汚染された同じ成膜チャンバを用いて、各層を順番に形成した時には、各層における汚染元素Ｐの濃度が変動する程度の違いは、同じ濃度又は同じ組成比であると解釈される。
【０１０９】
超格子層３３を形成する２つの層は、汚染元素であるＰ濃度が同じなので、格子定数の変化量も同じになるため、汚染前の格子整合した状態が維持される。
【０１１０】
一方、汚染元素特定層３５は、即ちＩｎｚＡｌ１−ｚＰは、Ｖ族元素である汚染元素Ｐが入り得る全サイトが汚染元素Ｐに置換されるように形成されるので、例え成膜チャンバが汚染元素Ｐにより汚染されていてもＰの組成は影響を受けない。
【０１１１】
図１４は、図１３に示す試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【０１１２】
図１４の測定では、超格子層３３における添加元素であるＡｌの組成比ｘを０．３として、汚染元素Ｐの組成比ｙを、０、０．０００５、０．００１、０．００２、０．００３、０．００５、０．０１、０．０２、０．０３、０．０５（図１４中０％〜５％に対応）の１０水準に変化させた試料３０を用いた。汚染元素特定層３５の形成材料であるＩｎｚＡｌ１−ｚＰの組成比は、ｚ＝０．４４とした。各Ｐ濃度の試料３０は、図８に示すＸ線回折装置１０を用いて、Ｘ線回折光強度の角度分布が測定された。
【０１１３】
図１４において、ピークＰ１は、第１半導体層３２及び第２半導体層３４を形成するＧａＡｓ結晶の（００４）面に起因するＸ線回折光強度である。試料３０は、ＧａＡｓ基板が除去されているので、Ｘ線回折では、共に同じ組成比ｙの汚染元素Ｐを含む第１半導体層３２及び第２半導体層３４を形成するＧａＡｓ１−ｙＰｙの（００４）面に起因する単一のピークが得られる。そのため、各Ｐ濃度のＸ線回折光強度の角度分布を、ピークＰ１の位置を基準に重ねた場合には、図６とは異なり、各Ｐ濃度におけるピークＰ１の位置が実質的に一致する。
【０１１４】
即ち、ピークＰ１の位置は、汚染元素であるＰ濃度の影響を受けない。
【０１１５】
図１４において、ピークＰ２は、各Ｐ濃度の超格子層３３に起因するＸ線回折光強度である。また、超格子層３３と、第１半導体層３２及び第２半導体層３４とは、各層における汚染元素であるＰ濃度が同じであるので、ＡｓがＰに置換されることによる格子定数の変化量は、各層において実質的に同じである。そのため、各Ｐ濃度において、汚染元素Ｐの影響による格子定数の変化に伴うピークＰ１の変化量と、汚染元素Ｐの影響による格子定数の変化に伴うピークＰ２の変化量は、正確には同じではないものの実質的に等しくなる。本明細書では、ピークＰ１の変化量とピークＰ２の変化量とが実質的に同じとは、例え変化量が異なっていても、元素濃度の測定に対して許容される測定誤差の範囲内で影響しないことを意味する。
【０１１６】
また、試料３０は、ＧａＡｓ基板が除去されているので、汚染元素Ｐの影響を受けない基板に起因するピークが、ピークＰ２と重なって現れなくなっている。
【０１１７】
その結果、各Ｐ濃度のＸ線回折光強度の角度分布を、ピークＰ１の位置を基準に重ねた場合には、図６とは異なり、各濃度におけるピークＰ２の位置が実質的に一致する。
【０１１８】
ピークＰ２の位置は、超格子層３３に含まれる添加元素であるＡｌ濃度によって変化する。
【０１１９】
従って、ピークＰ１の位置と、ピークＰ２の位置とに基づいて、超格子層３３におけるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＰｙ層のＡｌ濃度を求めることができる。
【０１２０】
また、図１４において、複数のピークＰ３が含まれるピーク群は、各Ｐ濃度の試料３０における汚染元素特定層３５に起因するＸ線回折光強度である。ここで、各Ｐ濃度の試料３０において、汚染元素特定層３５のＰ濃度は同じなので、汚染元素特定層３５の格子定数は同じである。各Ｐ濃度の試料３０において、格子定数が変化するのは、第１半導体層３２及び第２半導体層３４と、超格子層３３である。
【０１２１】
上述したように、図１４は、ＧａＡｓ結晶の（００４）面のＸ線回折光強度のピークの位置を基準としているので、第１半導体層３２及び第２半導体層３４に起因するピークＰ１の位置が基準となり、ピークＰ１と連動して回折角度が変化するピークＰ２の位置は、ピークＰ１に対して実質的に変化しない。一方、格子定数が変化しない汚染元素特定層３５に起因するピークは、ピークＰ１に対して相対的に変化して、複数のピークＰ３が含まれるピーク群が現れる。即ち、ピークＰ１の位置と、各ピークＰ３の位置との差は、試料３０の汚染元素であるＰ濃度に基づいている。
【０１２２】
このように、図１４では、ピークＰ１の位置は、汚染元素のＰ濃度が変化しても実質的変化しない。従って、ピークＰ１の位置と、ピークＰ３の位置とに基づいて、第１半導体層３２及び第２半導体層３４並びに超格子層３３の汚染元素であるＰ濃度を求めることができる。
【０１２３】
試料３０は、製品である半導体装置と同じ製造工程で形成することにより、製品の仕様に対応して超格子層に含まれる添加元素であるＡｌ濃度が変化し、また、工程の状態に応じて汚染元素であるＰ濃度が変化し得る。そして、試料３０を用いて、Ｘ線回折光強度の角度分布を測定することにより、試料における添加元素の濃度及び汚染元素の濃度を求めることができる。なお、半導体装置に汚染元素特定層を含められる場合には、試料として、基板が除去された半導体装置を用いてもよい。
【０１２４】
図１２及び図１４を参照して説明したように、第１半導体層３２及び第２半導体層３４を形成するＧａＡｓ結晶の（００４）面に起因するＸ線回折光のピークＰ１の位置は、汚染元素であるＰ濃度の影響を受けない。また、汚染元素特定層３５に起因するＸ線回折光のピークＰ３の位置は、添加元素であるＡｌの影響を受けない。
【０１２５】
従って、ピークＰ１の位置を基準として、超格子層に含まれる添加元素であるＡｌ濃度を求め、且つ、汚染元素の濃度を求めることができる。具体的には、ピークＰ１の位置と、ピークＰ２の位置とに基づいて、超格子層に含まれる添加元素であるＡｌ濃度を求めることができる。また、ピークＰ１の位置と、ピークＰ３の位置とに基づいて、汚染元素の濃度であるＰ濃度を求めることができる。
【０１２６】
次に、上述した汚染元素特定層３５について、更に、以下に説明する。
【０１２７】
図１３に示す試料３０では、汚染元素特定層３５は、第２半導体層３４との界面方向において、第２半導体層３４と格子整合するように積層されていたが、試料３０における汚染元素特定層３５の位置は、特に限定されるものではない、例えば、汚染元素特定層３５は、第１半導体層３２の外側に配置されていてもよい。また、汚染元素特定層３５は、超格子層３３と積層されていてもよい。また、汚染元素特定層３５と、第２半導体層２４との間に、他の層が配置されていてもよい。
【０１２８】
ここで、汚染元素特定層３５は、隣接して積層される層と、界面方向において格子整合していることが好ましい。隣接して積層される層と格子整合する観点から、汚染元素特定層３５は、隣接して積層される層と同じ結晶構造を有することが好ましい。
【０１２９】
半導体層又は超格子層が化合物半導体である場合には、Ｚｉｎｃ  Ｂｌｅｎｄｅ構造又はＷｕｒｔｚｉｔｅ構造を有することが多い。
【０１３０】
例えば、上述した図１３に示す試料３０では、第２半導体層３４を形成するＧａＡｓはＺｉｎｃ  Ｂｌｅｎｄｅ構造を有する。
【０１３１】
Ｚｉｎｃ  Ｂｌｅｎｄｅ構造を有する化合物半導体として、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＡｌＳｂ、ＣｄＴｅ等が挙げられる。
【０１３２】
ここで、汚染元素であるＰを含む化合物半導体として、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＰ又はこれらの化合物が挙げられる。汚染元素特定層３５は、汚染元素Ｐが入り得る全サイトが汚染元素に置換されるためである。
【０１３３】
また、汚染元素特定層３５に起因するピークの位置は、第１半導体層３２及び第２半導体層３４に起因するピークの位置及び超格子層３３に起因するピークの位置とは、分離されるように汚染元素特定層３５を形成する材料を選択することが好ましい。
【０１３４】
汚染元素特定層３５に起因するピークの位置と、他の層に起因するピークの位置との差は、０．０１度以上、好ましくは０．０２度以上異なることが、添加元素濃度及び汚染元素濃度を精確に求める観点から好ましい。
【０１３５】
そして、第２半導体層３４を形成するＧａＡｓと、界面方向において格子整合する観点から、上述した汚染元素特定層３５の形成材料として、ＩｎｚＡｌ１−ｚＰ（ｚ＝０．４４）が選択された。
【０１３６】
また、汚染元素特定層３５の厚さは、０．１μｍ〜０．３μｍの範囲にあることが好ましい。
【０１３７】
汚染元素特定層３５の厚さが０．１μｍよりも薄いと、汚染元素特定層３５に起因するピークの大きさが減少して、汚染元素の濃度を求める精度が低下するおそれがある。また、汚染元素特定層３５の厚さが０．３μｍよりも厚いと、他の層を、界面方向と直交する厚さ方向において歪ませるおそれがある。他の層に歪みが生じると、Ｘ線回折光を用いた元素濃度の測定に影響を与える場合がある。
【０１３８】
上述した本実施形態のＸ線回折装置を用いて、図１３に示す試料を測定することにより、試料の超格子層３３の添加元素濃度を求めると共に、汚染元素濃度を求めることができる。
【０１３９】
次に、Ｘ線回折装置１０を用いて測定される他の試料について、図１５を参照しながら、以下に説明する。図１５に示す試料３０は、汚染元素がＡｓである場合に使用される試料の例である。
【０１４０】
図１５は、本明細書に開示する他の試料の構造であって、汚染される前の状態を示す図である。
【０１４１】
試料３０は、支持板３１と、支持板３１上に配置される汚染元素特定層３５と、汚染元素特定層３５上に配置される第２半導体層３４と、第２半導体層３４上に配置される超格子層３３と、超格子層３３上に配置される第１半導体層３２を有する。本実施形態の試料３０の構造は、図９に示す試料と同様である。
【０１４２】
図１５に示す試料では、第１半導体層３２及び第２半導体層３４は、結晶性を有し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎＰにより形成される。
【０１４３】
超格子層３３は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａｘＩｎ１−ｘＰ層と、ＩｎＰ層との積層単位が２０積層された構造を有する。ＧａｘＩｎ１−ｘＰ層とＩｎＰ層とは格子整合している。試料３０では、ＧａｘＩｎ１−ｘＰ層に含まれるＧａが添加元素である。超格子層３３は、第１半導体層３２及び第２半導体層３４との界面方向において、第１半導体層３２及び第２半導体層３４と格子整合する。
【０１４４】
汚染元素特定層３５は、結晶性を有し、汚染元素Ａｓを含み、Ｖ族元素であるＡｓが入り得る全サイトがＡｓに置換されている。具体的には、汚染元素特定層３５は、ＡｌＡｓにより形成される。
【０１４５】
第１半導体層３２及び第２半導体層３４を形成するＩｎＰの厚さは１μｍとした。超格子層３３を形成するＧａｘＩｎ１−ｘＰ層の厚さは０．０５μｍとし、ＩｎＰ層の厚さは０．００５μｍとした。汚染元素特定層３５を形成するＡｌＡｓの厚さは０．２μｍとした。
【０１４６】
次に、試料３０を用いて、超格子層３３の添加元素であるＧａ濃度を求めることを、図１６を参照しながら、以下に説明する。
【０１４７】
図１６は、図１５に示す試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【０１４８】
図１６の測定では、添加元素であるＧａの組成比ｘを、０．０５、０．０６、０．０７、０．０８、０．０９、０．１０（図１６中５％〜１０％に対応）の６水準に変化させた試料３０を用いた。各Ｇａ組成比の試料３０は、図８に示すＸ線回折装置１０を用いて、Ｘ線回折光強度の角度分布が測定された。
【０１４９】
図１６の横軸は、Ｘ線回折光の出射角度を示しており、ＩｎＰ結晶の（００４）面のＸ線回折光強度のピークの位置を基準としている。図１６の縦軸は、各出射角度におけるＸ線回折光強度を示す。
【０１５０】
図１６において、ピークＰ１は、第１半導体層３２及び第２半導体層３４を形成するＩｎＰ結晶の（００４）面に起因するＸ線回折光強度である。
【０１５１】
また、図１６において、複数のピークＰ２が含まれるピーク群は、各Ｇａ濃度の超格子層３３に起因するＸ線回折光強度である。
【０１５２】
図１６に示すように、ピークＰ１の位置は、超格子層３３の添加元素であるＧａ濃度が変化しても実質的変化しないので、ピークＰ１の位置と、ピークＰ２の位置とに基づいて、超格子層３３におけるＧａｘＩｎ１−ｘＰ層の添加元素であるＧａ濃度を求めることができる。
【０１５３】
また、図１６に示すように、汚染元素特定層３５に起因する単一のピークＰ３が、ピーク１及びピークＰ２とは離れた位置に現れている。
【０１５４】
即ち、汚染元素特定層３５に起因するピークＰ３の位置は、超格子層３３におけるＧａ濃度の影響を受けない。
【０１５５】
次に、試料３０が、汚染元素により汚染された場合に、汚染元素特定層３５を用いて、汚染元素濃度を測定することを、以下に説明する。
【０１５６】
図１７は、本明細書に開示する他の試料であって、汚染された後の状態を示す図である。
【０１５７】
第１半導体層３２と、超格子層３３と、第２半導体層３４は、汚染元素Ａｓと同じＶ族元素であるＰの一部又は全部が置換して、各層の汚染した状態が形成される。第１半導体層３２及び超格子層３３及び第２半導体層３４には、通常、汚染元素Ａｓが均一に取り込まれており、汚染元素Ａｓの組成比ｙは、各層において同じである。本明細書では、各層における元素Ａｓの濃度が同じであることは、各層における元素Ａｓの組成比ｙが同じであることを意味する。また、本明細書では、汚染元素Ａｓに汚染された同じ成膜チャンバを用いて、各層を順番に形成した時には、各層における汚染元素Ａｓの濃度が変動する程度の違いは、同じ濃度であると解釈される。
【０１５８】
超格子層３３を形成する２つの層は、汚染元素であるＡｓ濃度が同じなので、格子定数の変化量も同じになるため、格子整合した状態が維持される。
【０１５９】
一方、汚染元素特定層３５は、即ちＡｌＡｓは、Ｖ族元素である汚染元素Ａｓが入り得る全サイトが汚染元素Ａｓに置換されるように形成されるので、例え成膜チャンバが汚染元素Ａｓにより汚染されていてもＡｓの組成に影響を受けない。
【０１６０】
図１８は、図１７に示す試料のＸ線回折光強度の角度分布の測定結果を示す図である。
【０１６１】
図１８の測定では、超格子層３３における添加元素であるＧａの組成比ｘを０．０５として、汚染元素Ａｓの組成比ｙを、０、０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５（図１８中０％〜５％に対応）の６水準に変化させた試料３０を用いた。各Ｇａ濃度の試料３０は、図８に示すＸ線回折装置１０を用いて、Ｘ線回折光強度の角度分布が測定された。
【０１６２】
図１８において、ピークＰ１は、第１半導体層３２及び第２半導体層３４を形成するＩｎＰ結晶の（００４）面に起因するＸ線回折光強度である。各Ａｓ濃度のＸ線回折光強度の角度分布を、ピークＰ１の位置を基準に重ねた場合には、各Ａｓ濃度におけるピークＰ１の位置が実質的に一致する。
【０１６３】
即ち、ピークＰ１の位置は、汚染元素であるＡｓ濃度の影響を受けない。
【０１６４】
図１８において、ピークＰ２は、各Ａｓ濃度の超格子層３３に起因するＸ線回折光強度である。各Ａｓ濃度において、汚染元素Ａｓの影響による格子定数の変化に伴うピークＰ１の変化量と、汚染元素Ａｓの影響による格子定数の変化に伴うピークＰ２の変化量は、実質的に等しい。そのため、各Ａｓ濃度のＸ線回折光強度の角度分布を、ピークＰ１の位置を基準に重ねた場合には、各濃度におけるピークＰ２の位置が実質的に一致する。
【０１６５】
即ち、ピークＰ２の位置は、汚染元素であるＡｓ濃度の影響を受けない。
【０１６６】
従って、ピークＰ１の位置と、ピークＰ２の位置とに基づいて、超格子層３３におけるＧａｘＩｎ１−ｘＰ１−ｙＡｓｙ層のＧａ濃度を求めることができる。
【０１６７】
また、図１８において、複数のピークＰ３が含まれるピーク群は、各Ａｓ濃度の試料３０における汚染元素特定層３５に起因するＸ線回折光強度である。各Ａｓ濃度の試料３０において、汚染元素特定層３５のＡｓ濃度は同じなので、汚染元素特定層３５の格子定数は同じである。各Ａｓ濃度の試料３０において、格子定数が変化するのは、第１半導体層３２及び第２半導体層３４と、超格子層３３である。
【０１６８】
上述したように、図１８は、ＩｎＰ結晶の（００４）面のＸ線回折光強度のピークの位置を基準としているので、第１半導体層３２及び第２半導体層３４に起因するピークＰ１の位置が基準となり、ピークＰ１と連動して回折角度が変化するピークＰ２の位置は、ピークＰ１に対して実質的に変化しない。一方、格子定数が変化しない汚染元素特定層３５に起因するピークＰ３が、ピークＰ１に対して相対的に変化して、複数のピークＰ３が含まれるピーク群が現れる。即ち、ピークＰ１の位置と、各ピークＰ３の位置との差は、試料３０の汚染元素であるＡｓ濃度に基づいている。
【０１６９】
このように、図１８では、ピークＰ１の位置は、汚染元素のＡｓ濃度が変化しても実質的変化しない。従って、ピークＰ１の位置と、各ピークＰ３の位置とに基づいて、第１半導体層３２及び第２半導体層３４並びに超格子層３３の汚染元素であるＡｓ濃度を求めることができる。
【０１７０】
上述したように、汚染元素に対応して、汚染元素が入り得る全サイトが汚染元素に置換されている材料を用いて汚染元素特定層を形成することにより、超格子層の添加元素濃度を求めると共に、試料の汚染元素濃度を求めることができる。
【０１７１】
上述した本実施形態に開示する試料の汚染元素濃度及び添加元素濃度を測定する方法を、図１９を参照して、以下に説明する。
【０１７２】
図１９は、試料の汚染元素濃度及び添加元素濃度を測定するフローチャートを示す図である。
【０１７３】
まず、ステップＳ１０において、基板上に半導体層及び超格子層が積層された基板積層体上に、汚染元素特定層を形成する（図１０参照）。
【０１７４】
次に、ステップＳ１２において、基板積層体上に支持板を接着した後、基板積層体から基板を除去して、試料を作成する（図１１参照）。
【０１７５】
次に、ステップＳ１４において、試料のＸ線回折光強度の角度分布を測定する。
【０１７６】
次に、ステップＳ１６において、Ｘ線回折光強度の角度分布の測定結果に基づいて、試料の超格子層の添加元素濃度を求める。
【０１７７】
次に、ステップＳ１８において、Ｘ線回折光強度の角度分布の測定結果に基づいて、試料の汚染元素濃度を求める。なお、ステップＳ１６とステップＳ１８とは順番を入れ替えてもよい。
【０１７８】
本発明では、上述した実施形態の方法、装置及びＸ線回折装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【０１７９】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【０１８０】
１０    Ｘ線回折装置
１１    Ｘ線照射部
１１ａ    白色Ｘ線源
１１ｂ    分光器
１２    試料台
１３    入射角度変更部
１４    Ｘ線検出部
２０    制御部
２１    演算部
２２    記憶部
２３    入力部
２４    表示部
２５    通信部
３０    試料
３１    支持板
３２    第１半導体層（第１の層）
３３    超格子層（第２の層及び第３の層）
３４    第２半導体層（第１の層）
３５    汚染元素特定層（第４の層）
４０    成膜チャンバ
１３０    半導体装置
１３２    第１半導体層
１３３    超格子層
１３４    第２半導体層
１３５    基板
Ｐ１    半導体層に起因するピーク
Ｐ２    超格子層に起因するピーク
Ｐ３    汚染元素特定層に起因するピーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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