(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体エピタキシャル結晶ウエハを破壊することなく、基板とバッファ層との界面の絶縁性を評価する方法の提供。【解決手段】ＩｎＰ基板とＩｎＡｌＡｓからなるバッファ層との界面を流れる漏れ電流量を非破壊で検査するＨＥＭＴウエハの非破壊検査方法が、ＨＥＭＴウエハのフォトリフレクタンススペクトルを測定するスペクトル測定工程（ステップＳ１）と、フォトリフレクタンススペクトルに基づいて内部電界強度Ｆを算出する電界強度算出工程（ステップＳ２〜Ｓ４）と、予め求めた内部電界強度Ｆと漏れ電流量との関係と、内部電界強度Ｆとに基づいて漏れ電流量を推定する漏れ電流量推定工程（ステップＳ５）とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板とエピタキシャル層との界面を流れる漏れ電流量を非破壊で検査する半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査方法において、
上記半導体エピタキシャル結晶ウエハのフォトリフレクタンススペクトルを測定するスペクトル測定工程と、
上記フォトリフレクタンススペクトルに基づいて上記基板の電界強度を算出する電界強度算出工程と、
予め求めた上記基板の電界強度と上記漏れ電流量との関係と、上記電界強度算出工程で算出した上記基板の電界強度とに基づいて上記漏れ電流量を推定する漏れ電流量推定工程とを有する
ことを特徴とする半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査方法。
【請求項２】
上記電界強度算出工程は、上記フォトリフレクタンススペクトルのフランツケルディッシュ振動におけるピーク位置と指数との関係に基づいて上記基板の電界強度を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査方法。
【請求項３】
上記電界強度算出工程は、上記フォトリフレクタンススペクトルのフランツケルディッシュ振動における基板材料のバンドギャップＥｇよりも高いエネルギーのピークに指数ｍを付与することによりピーク位置Ｅｍを求め、上記指数ｍと｛４／（３π）｝×（Ｅｍ−Ｅｇ）３／２とを変数として表した一次関数から求めた傾きａに基づいて上記基板の電界強度を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査方法。
【請求項４】
上記電界強度算出工程は、Θ＝（ｅ２Ｆ２ｈ２／２μ）１／３（Θは電気工学エネルギー、ｅは素電荷、Ｆは上記基板の電界強度、ｈは（プランク定数）／２π、μは結晶の還元有効質量）と、ａ＝（ｈΘ）３／２とに基づいて上記基板の電界強度を算出する
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査方法。
【請求項５】
上記半導体エピタキシャル結晶ウエハのＩｎＰからなる上記基板上に、変調ドープ電界効果トランジスタに用いられるエピタキシャル結晶が形成された
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板とエピタキシャル層との界面を流れる漏れ電流量を非破壊で検査する半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サブミリ波・ミリ波帯等の超高周波領域の利用拡大、通信システムの高速大容量化等に伴い、高周波半導体トランジスタの性能向上が求められている。その中でも高電子移動度トランジスタ（High  Electron  Mobility  Transistor：ＨＥＭＴ）、またはヘテロ接合電界効果トランジスタ（Heterojunction  Field  Effect  Transistor：ＨＦＥＴ）と呼ばれる変調ドープ電界効果トランジスタは、優れた高速性、低雑音特性を有している。特にＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系材料を用いたＩｎＰ系ＨＥＭＴは１００ＧＨｚ以上の超高周波領域のトランジスタとして期待されている。このようなトランジスタは、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）や有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）のような結晶成長法によって、基板となる結晶上に所望のエピタキシャル結晶層を成長させることによって作製されている。
【０００３】
上記のＨＥＭＴでは、電子はチャネル層を走行するように設計されている。しかし、チャネル層より下層のバッファ層や、バッファ層と基板との界面の絶縁性が悪い場合、チャネル層以外に電流経路が形成され、電極間の漏れ電流が生じ、ピンチオフ特性の不良をもたらす。特に基板の表面には、結晶成長前にシリコン（Ｓｉ）や硫黄（Ｓ）等のドナーとなる不純物が付着しやすく、バッファ層と基板との界面に漏れ電流の経路が形成されてしまう。すなわち、上記のＩｎＰ系ＨＥＭＴでは、ＩｎＰ基板上にバッファ層として通常ＩｎＡｌＡｓが用いられている。ＩｎＡｌＡｓとＩｎＰとのヘテロ界面はバンド構造がタイプII型であるが、ドナー型の不純物原子が成長前の基板表面に付着すると、伝導帯端の高いＩｎＡｌＡｓバッファ層が障壁となって伝導帯端の低いＩｎＰ基板側に電子が蓄積されやすくなり、漏れ電流を生じやすい。このためＩｎＰ系ＨＥＭＴでは、基板とエピタキシャル層との界面の良好な絶縁性を確保することが、良好な素子特性を実現するために不可欠である。そこで、これまでにも成長前の基板の表面処理やバッファ層の結晶成長方法を工夫することによって絶縁性を高め、漏れ電流を抑制する検討が行われてきた。そのような従来の検討に関しては、非特許文献１に記載されている。
【０００４】
近年、結晶成長技術の進展により良好な絶縁性を有するバッファ層が実現され、遮断周波数が５００ＧＨｚを上回るような優れた素子特性が実現されているが、素子の製造においては上記の漏れ電流量が十分に少なく、良好な絶縁性を有する半導体エピタキシャル結晶ウエハを用いることが必須である。そのため、確実に良好な素子を製造するためには、素子製造プロセスに半導体エピタキシャル結晶ウエハを投入する前に、半導体エピタキシャル結晶ウエハのバッファ層と基板との界面の絶縁性を検査しておく必要がある。
【０００５】
従来、この絶縁性検査は、製造プロセスに投入する半導体エピタキシャル結晶ウエハと同時に結晶成長を行った半導体エピタキシャル結晶ウエハを用いた破壊検査により行われていた。つまり、破壊検査用ウエハを用いて上記の非特許文献１にあるような簡易素子を作製し、絶縁性を調べていた。
【非特許文献１】N. Pan, J. Elliott, H. Hendriks, L. Aucoin, P. Fay and I. Adesida,Applied Physics 66(1995) 212.
【非特許文献２】P. Y. Yu and M. Cardona, “Fundamentals of Semiconductors”(Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1996) p.312.
【非特許文献３】F. H. Pollak, Surface and Interface Analysis 31(2001) 938.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した従来の絶縁性検査においては、半導体エピタキシャル結晶ウエハを破壊しなければ、基板とバッファ層との界面の絶縁性を評価することができない。素子製造コストの低減のためには、この絶縁性検査を非破壊で行う手法が望ましい。また、上記の破壊検査はあくまで抜き取り検査であるため、より確実に素子製造の歩留まりを向上させるためには、プロセス投入前ウエハの全数検査が可能な簡便な非破壊検査手法が望まれる。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、半導体エピタキシャル結晶ウエハを破壊することなく、基板とバッファ層との界面の絶縁性を評価することができる半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査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】
【０００８】
この目的を達成するため、本発明においては、基板とエピタキシャル層との界面を流れる漏れ電流量を非破壊で検査する半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査方法において、上記半導体エピタキシャル結晶ウエハのフォトリフレクタンススペクトルを測定するスペクトル測定工程と、上記フォトリフレクタンススペクトルに基づいて上記基板の電界強度を算出する電界強度算出工程と、予め求めた上記基板の電界強度と上記漏れ電流量との関係と、上記電界強度算出工程で算出した上記基板の電界強度とに基づいて上記漏れ電流量を推定する漏れ電流量推定工程とを有する。
【０００９】
この場合、上記電界強度算出工程は、上記フォトリフレクタンススペクトルのフランツケルディッシュ振動におけるピーク位置と指数との関係に基づいて上記基板の電界強度を算出するようにしてもよい。
【００１０】
この場合、上記電界強度算出工程は、上記フォトリフレクタンススペクトルのフランツケルディッシュ振動における基板材料のバンドギャップＥｇよりも高いエネルギーのピークに指数ｍを付与することによりピーク位置Ｅｍを求め、上記指数ｍと｛４／（３π）｝×（Ｅｍ−Ｅｇ）３／２とを変数として表した一次関数から求めた傾きａに基づいて上記基板の電界強度を算出するようにしてもよい。
【００１１】
この場合、上記電界強度算出工程は、Θ＝（ｅ２Ｆ２ｈ２／２μ）１／３（Θは電気工学エネルギー、ｅは素電荷、Ｆは上記基板の電界強度、ｈは（プランク定数）／２π、μは結晶の還元有効質量）と、ａ＝（ｈΘ）３／２とに基づいて上記基板の電界強度を算出するようにしてもよい。
【００１２】
これらの場合、上記半導体エピタキシャル結晶ウエハのＩｎＰからなる上記基板上に、変調ドープ電界効果トランジスタに用いられるエピタキシャル結晶が形成されるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査方法においては、基板とエピタキシャル層との界面を流れる漏れ電流量を推定することができるから、半導体エピタキシャル結晶ウエハを破壊することなく、基板とバッファ層との界面の絶縁性を評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１〜図５を用いて、本発明に係る半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査方法を説明する。評価対象となる半導体エピタキシャル結晶ウエハとしてＩｎＰ基板（基板）上に、ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層（エピタキシャル層）、ＩｎＡｌＡｓからなるバッファ層（エピタキシャル層）を有するＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系のＨＥＭＴウエハを用意した。表１にその層構造を示す。
【００１５】
【表１】
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本発明に係るＨＥＭＴウエハの非破壊検査方法を図１により説明する。まず、ＨＥＭＴウエハのフォトリフレクタンス（photoreflectance）スペクトル（以下、「ＰＲスペクトル」と略称する。）を室温で測定する（ステップＳ１、スペクトル測定工程）。ここで、表１に示した層構造を有し、成長前の基板表面処理が異なる２枚のＨＥＭＴウエハ（Ａ、Ｂ）について得られたＰＲスペクトルの例を図２に示す。図において、横軸はPhoton  Energy（光子エネルギー、単位：ｅＶ）、縦軸は後に述べるＰＲ信号強度ΔＲ／Ｒ（arb.  unit：任意単位）である。なお、ＩｎＰ系ＨＥＭＴにおいては、ＩｎＰ基板に起因したＰＲスペクトルを容易に観測することができる。
【００１６】
なお、上記のＰＲスペクトルは、フォトリフレクタンス法（以下、「ＰＲ法」と略称する。）を用いて測定する。このＰＲ法は、変調分光法の一種である。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、温度等）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。ＰＲ法では、励起光源からパルス励起光を試料に照射する。一方、白色光源からの光を分光器で分光し、分光されたプローブ光を試料に照射し、その反射光の強度Ｒを検出器で受光する。検出器からの信号をロックイン増幅器を通して出力器に入力することによって、励起光によるプローブ光反射強度の変調成分ΔＲ、つまり励起光照射時と励起光非照射時のプローブ光反射強度の差ΔＲを抽出し、ＰＲ信号強度ΔＲ／Ｒのスペクトルを出力する。このＰＲスペクトルには、通常、試料の内部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（Franz-Keldysh）振動（以下、「ＦＫ振動」と略称する。）と呼ばれるものである。なお、上記のＰＲ法、ＦＫ振動の解析方法については、上述した非特許文献２、非特許文献３に詳述されている。
【００１７】
図２に示したＰＲスペクトルには、エピタキシャル結晶を構成しているＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓのバンドギャップに対応するエネルギー近傍に特徴的な構造が現れている。特に、ＩｎＰのバンドギャップ１．３５ｅＶ付近には、高エネルギー側に強度振動が現れている。これが、上述したＦＫ振動であり、結晶の内部電界に起因する特徴的なスペクトルとなっている。図２から、２枚のＨＥＭＴウエハの間ではＦＫ振動の周期が異なることがわかる。
【００１８】
つぎに、測定したＰＲスペクトルからピーク位置Ｅｍを求め、基板材料であるＩｎＰのバンドギャップＥｇよりも高いエネルギーに現れるピークについて、指数ｍ（ｍ＝１、２、３…）を付与する（ステップＳ２）。
【００１９】
なお、ピーク位置Ｅｍと指数ｍとの関係は次式で与えられる。
【００２０】
【数１】
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ここで、ｈは（プランク定数）／２π、χは任意定数である。また、Θは電気光学エネルギーと呼ばれるもので、次式で与えられる。
【００２１】
【数２】
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ここで、ｅは素電荷、Ｆは内部電界強度（基板の電界強度）、μは結晶の還元有効質量である。
【００２２】
つぎに、横軸を指数ｍ、縦軸を｛４／（３π）｝×（Ｅｍ−Ｅｇ）３／２としてグラフにプロットする。すると、直線が得られ、この直線はたとえば図２の場合、図３に示すようになる。図３により、振動周期の違いに伴う直線の傾きの違い、すなわち電界強度の違いが明瞭にわかる。つぎに、直線の傾きａを算出する（ステップＳ３）。
【００２３】
つぎに、その傾きａから内部電界強度Ｆを算出する（ステップＳ４）。すなわち、（１）式から傾きａは次式で表される。
【００２４】
【数３】
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（２）式と（３）式とから、内部電界強度Ｆは次式で表される。
【００２５】
【数４】
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式（４）において、傾きａ、ｈ、素電荷ｅ、結晶の還元有効質量μの値が定まっているため、内部電界強度Ｆを算出することができる。なお、ステップＳ２〜Ｓ４が電界強度算出工程に相当する。
【００２６】
そして、予め内部電界強度Ｆと、ＩｎＰ基板とバッファ層との界面を流れる漏れ電流量との関係を求めておく。ここで、内部電界強度Ｆは上記と同様の方法（ステップＳ１〜Ｓ４）によりＨＥＭＴウエハのＰＲスペクトルから測定し、漏れ電流量は破壊検査により測定する。図４は漏れ電流量測定用の試料の構造を示す図である。図に示すように、この漏れ電流量測定用の試料の構造は、半絶縁基板（基板）１上にバッファ層（エピタキシャル層）２が形成され、バッファ層２上にＨＥＭＴ能動領域（エピタキシャル層）３が形成され、ＨＥＭＴ能動領域３上にＨＥＭＴコンタクト領域（エピタキシャル層）４が形成され、ＨＥＭＴコンタクト領域４上に電極５が形成されている。また、電極５以外の領域では、ウェットエッチングによってＨＥＭＴコンタクト領域４、ＨＥＭＴ能動領域３を除去することによって、バッファ層２と半絶縁基板１を介して流れる漏れ電流量を測定する。図５に、成長前の基板表面処理が異なる計５枚のＨＥＭＴウエハ（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）のＰＲスペクトルから測定した内部電界強度Ｆと、上記測定で得られた印加電圧５０Ｖのときの漏れ電流量との関係を示す。図において、横軸はElectric  Field（内部電界強度、単位：ｋＶ／ｃｍ）、縦軸はCurrent（漏れ電流量、単位：μＡ）を示している。図に示すように電界強度が大きいＨＥＭＴウエハでは、漏れ電流量が多いことがわかる。また、同様の測定を表１に示した層構造を有する他のＨＥＭＴウエハにおいても実施してデータを蓄積し、内部電界強度Ｆと漏れ電流量との関係を求めておく。
【００２７】
つぎに、ステップＳ４において求めた内部電界強度Ｆと、予め測定により求めた内部電界強度Ｆと漏れ電流量との関係とに基づいて漏れ電流量を推定する（ステップＳ５、漏れ電流量推定工程）。
【００２８】
上述したとおり、ＨＥＭＴウエハの漏れ電流量とその漏れ電流を生じるバッファ層と基板との界面の電界強度の関係を予め調べることによって、非破壊のフォトリフレクタンス測定で得られた電界強度から、漏れ電流量を推定することが可能となる。その結果、素子製造に用いる新しいＨＥＭＴウエハに対してその都度電界強度を測定すれば、バッファ層と基板との界面の絶縁性の良否を非破壊で選別することが可能となる。
【００２９】
すなわち、本発明者は、実験的検討の結果、図２に示したＩｎＰのバンドギャップエネルギー近傍に現れるＦＫ振動が、エピタキシャル層とＩｎＰ基板との界面のバンドの湾曲によるＩｎＰ内部の電界に起因していることを確認し、またＰＲスペクトルの解析から求めた基板結晶内の電界強度と、破壊検査によって得られたエピタキシャル層と基板との界面に起因する漏れ電流量に相関があることを見出し、上記構成からなる発明を考案した。このように、本発明者は、上記ＰＲスペクトルの解析から得られた基板結晶内の電界強度がエピタキシャル層と基板との界面近傍のバンドの湾曲に起因することを実験的に確認した。そして、本発明者は上記の電界強度と漏れ電流量の相関関係を次の理由によるものと考える。つまり、電界強度が大きいことは、エピタキシャル層と基板との界面近傍のバンドの湾曲が大きくなることに対応する。バンドの湾曲が大きい場合は、界面に多くの電子が蓄積しており、漏れ電流量が多いことに対応する。逆に、電界強度が小さいほどバンドの湾曲は小さく、界面に電子は蓄積されにくくなり、漏れ電流量が少ない場合に対応する。したがって、基板結晶内の電界強度と破壊検査による漏れ電流量のデータとを予め蓄積することによって、ＰＲスペクトルから得られた電界強度値から漏れ電流量を推定し、エピタキシャル層と基板との界面の絶縁性の良否を選別することが可能となる。
【００３０】
このように、上述したＨＥＭＴウエハの非破壊検査方法においては、基板とエピタキシャル層との界面を流れる漏れ電流量を推定することができるから、ＨＥＭＴウエハを破壊することなく、基板とバッファ層との界面の絶縁性を評価することができる。すなわち、素子作製プロセスにＨＥＭＴウエハを投入する前に非破壊で基板とバッファ層との界面の絶縁性の良否を選別することが可能となる。その結果、破壊検査に関するコストの削減および良好な特性を有する素子の高い歩留まりでの製造が可能となる。
【００３１】
なお、上述した半導体エピタキシャル結晶ウエハの非破壊検査方法においては、半導体エピタキシャル結晶ウエハとして、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓからなるチャネル層、ＩｎＡｌＡｓからなるバッファ層を有するＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系のＨＥＭＴウエハを用いたが、半導体エピタキシャル結晶ウエハとして、ＩｎＰからなる基板上に他の変調ドープ電界効果トランジスタに用いられるエピタキシャル結晶が形成されたものを用いてもよい。
【００３２】
なお、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るＨＥＭＴウエハの非破壊検査方法における処理を示すフローチャートである。
【図２】本発明に係るＨＥＭＴウエハのＰＲスペクトルを示す図である。
【図３】図２に示したＰＲスペクトルのピーク位置Ｅｍと指数ｍとの関係を示す図である。
【図４】漏れ電流量測定用の試料の構造を示す図である。
【図５】内部電界強度と漏れ電流量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…半絶縁基板
２…バッファ層
３…ＨＥＭＴ能動領域
４…ＨＥＭＴコンタクト領域
５…電極
【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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