(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘテロ構造変調ドープ電界効果トランジスタ中のデルタ関数状ドーピング層からの第１のキャリアと結合する、励起により生ずる第２のキャリアを、該デルタ関数状ドーピング層を含むバリア層中に存在させ、該第１のキャリアと該第２のキャリアとの結合による発光を観測することを特徴とするルミネッセンス観測法。
【請求項２】
前記第２のキャリアは、ルミネッセンス測定の励起光による励起により生ずることを特徴とする請求項１記載のルミネッセンス観測法。
【請求項３】
前記第２のキャリアを前記デルタ関数状ドーピング層を含むバリア層中に存在させる手段として、前記バリア層上にキャップ層を形成し、前記デルタ関数状ドーピング層と前記キャップ層との間の前記バリヤ層の価電子帯が正孔からみてポテンシャルエネルギーの谷を形成し、前記第２のキャリアである正孔を該谷に蓄積することを特徴とする請求項１または２記載のルミネッセンス観測法。
【請求項４】
前記バリア層と前記キャップ層との界面におけるバンド不連続は、前記界面において伝導帯と価電子帯とのエネルギーレベルが同一方向にずれて位置するタイプII不連続であることを特徴とする請求項３記載のルミネッセンス観測法。
【請求項５】
前記ヘテロ構造変調ドープ電界効果トランジスタを、３０Ｋより高温、１００Ｋより低温に保って、ルミネッセンス観測を行うことを特徴とする請求項１、２、３または４記載のルミネッセンス観測法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの構成に不可欠な半導体エピタキシャル多層膜の品質を検査するためのルミネッセンス観測法に係わり、特に、半導体エピタキシャル多層膜中のデルタ関数状ドーピング層からのルミネッセンス観測法を開示するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高速動作は、光伝送通信システムの高速化あるいはマイクロ波等無線通信システムの高速化等に伴い不可欠のものとなっている。ヘテロ構造変調ドープ電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）は半導体デバイスとして最も高速なものの一つである。特にＩｎＰ基板上のＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系ＨＦＥＴは近年超高速のデバイスとして脚光をあびはじめている。
【０００３】
このＨＦＥＴのバリヤ層にはチャネルヘの電子供給層としての役割を果たすため通常ｎ型の不純物がドーピングされる。従来バリヤ層への均一ドープｎ層を用いていたが、近年ＨＦＥＴの耐圧を高めるためアンドープバリヤ層中にデルタ関数状ドーピング層（以下、δドープ層と略記する）を含むように設計されるようになった。δドープ層は、ドーパント不純物を理想的には一原子層厚みを目標として非常な高濃度にドーピングしてなるものである。
【０００４】
しかし、δドープ層は、ドーピングの際の偏析現象やドーピング後の上層結晶成長時の高い成長温度に起因する拡散現象により不純物が一原子層厚みより広がってしまう。また、ドーピングした不純物がドナーとなってｎ型キャリヤを発生する活性化率が１００％を下まわってしまうという間題が生ずる。したがって、δドープ層のドナー濃度や分布等の品質を評価することがＨＦＥＴ特性を制御し、かつ向上させるために重要になる。
【０００５】
半導体エピタキシャル多層膜中のδドープ層から直接の信号の検出は、δドープ層が薄層の複雑に重なった膜構造の中に存在するゆえに、非常に難しい。特にＨＦＥＴ用エピタキシャル膜中のδドープ層の直接品質評価について成功例は今まで報告されていない。たとえば、そのδドープ層からのルミネッセンスはδドープ層の品質と密接に関連するので、これを観測することはδドープ層の品質評価に役立つのであるが、これに限って言うならば、δドープ層からのルミネッセンスピークは現われないか、非常に強度が弱いため検出されていなかった。そのルミネッセンスピークがほとんど現われない主な理由は、δドープ層の電子が結合できる正孔がδドープ層やその近傍の価電子帯に安定して存在できないためであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、半導体エピタキシャル多層膜特にＨＦＥＴ用エピタキシャル膜中のδドープ層に対する直接の品質評価法、特にδドープ層からのルミネッセンスピークを増強して簡単かつ明確に検出する方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
ヘテロ構造変調ドープ電界効果トランジスタ中のデルタ関数状ドーピング層からの第１のキャリアと結合する、励起により生ずる第２のキャリアを、該デルタ関数状ドーピング層を含むバリア層中に存在させ、該第１のキャリアと該第２のキャリアとの結合による発光を観測することを特徴とするルミネッセンス観測法を構成する。
【０００８】
また、本発明は、請求項２に記載のように、
前記第２のキャリアは、ルミネッセンス測定の励起光による励起により生ずることを特徴とする請求項１記載のルミネッセンス観測法を構成する。
【０００９】
また、本発明は、請求項３に記載のように、
前記第２のキャリアを前記デルタ関数状ドーピング層を含むバリア層中に存在させる手段として、前記バリア層上にキャップ層を形成し、前記デルタ関数状ドーピング層と前記キャップ層との間の前記バリヤ層の価電子帯が正孔からみてポテンシャルエネルギーの谷を形成し、前記第２のキャリアである正孔を該谷に蓄積することを特徴とする請求項１または２記載のルミネッセンス観測法を構成する。
【００１０】
また、本発明は、請求項４に記載のように、
前記バリア層と前記キャップ層との界面におけるバンド不連続は、前記界面において伝導帯と価電子帯とのエネルギーレベルが同一方向にずれて位置するタイプII不連続であることを特徴とする請求項３記載のルミネッセンス観測法を構成する。
【００１１】
また、本発明は、請求項５に記載のように、
前記ヘテロ構造変調ドープ電界効果トランジスタを、３０Ｋより高温、１００Ｋより低温に保って、ルミネッセンス観測を行うことを特徴とする請求項１、２、３または４記載のルミネッセンス観測法を構成する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、ＨＦＥＴ用エピタキシャル膜のバリヤ層中のｎ型δドープ層からのフォトルミネッセンス（ＰＬ）検出を詳細に説明する。
【００１４】
本実施の形態において、バリヤ層中のδドープ層からのルミネッセンスの検出を可能にした方法がδドープ層を中に含むバリヤ層の上にキャップ層をつけた層構成のエピタキシャル膜を対象とする測定である。
【００１５】
本実施の形態におけるＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系ＨＦＥＴ用エピタキシャル膜の層構造の電子からみたエネルギー帯構造の概略図を図１に示す。この場合においては、前記第１のキャリアが電子であり、前記第２のキャリアが正孔である。
【００１６】
図１に示したように、キャップ層２の価電子帯の正孔からみたポテンシャルエネルギーがバリヤ層１の価電子帯の正孔からみたポテンシャルエネルギーより両層の界面の位置で高くしてある。これにより、δドープ層３とキャップ層２との間のバリヤ層に対応する価電子帯が正孔からみてポテンシャルエネルギーの谷を形成し、ルミネッセンス測定の励起光で誘起された正孔がその谷に蓄積されるようになる（図１参照）。このようにして蓄積され、安定に存在する正孔と、δドープ層に存在する電子とが結合する。これにより、従来に比べて著しく強いルミネッセンスが起こる（図１中、δ発光と表示）。これが本発明の効果の１つである。
【００１７】
また、本発明において、上記のルミネッセンスを他のルミネッセンスに邪魔されずにはっきりと検出できるための好ましい条件は、３０Ｋより高温、１００Ｋより低温でＰＬ測定を行うことである。液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）に近い低温ではバッファ層やδドープ層以外のバリヤ層からのエキシトン発光が高強度であるが、３０Ｋより高温では非常に低強度となる。一方、δドープ層からのルミネッセンスは強度が高温ほど次第に低下し、２００Ｋでは測定系によってはピーク形状の判別に支障が生じてくる。したがって、本発明の目的に適しているルミネッセンスの検出温度は、冷媒として取り扱いも容易な液体窒素の温度（７７Ｋ）前後の温度である。
【００１８】
本発明者は、上記方法によりＨＦＥＴ用バリヤ層中のδドープ層が直接関与するＰＬの検出・分離にはじめて成功した。
【００１９】
本実施の形態では、上記に概説したように、ＨＦＥＴ用エピタキシャル膜のバリヤ層中ｎ型δドープ層からのＰＬピークが現れる層構造を適用し、またそのＰＬを他のＰＬに邪魔されず検出できるように測定条件を設定し、ＰＬによるバリヤ層中のδドープ層の直接品質評価を実現した。
【００２０】
図１にエネルギー帯構造を示したＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系ＨＦＥＴ用エピタキシャル膜の層構造の詳細を表１に示す。
【００２１】
【表１】
0003748338.tif 000002
【００２２】
ここで強調しておかねばならないことは、ＨＦＥＴ能動領域の上に薄いＩｎＰキャップ層を介してスペーサ層とｎ+コンタクト層が形成された状態で測定を行っている点である。
【００２３】
ＩｎＰキャップはＩｎＡｌＡｓバリヤに対し、バンドギャップが小さいにもかかわらず正孔からみた価電子帯ポテンシャルエネルギーが界面で約０．１ｅＶ高い。これは、界面が、伝導帯と価電子帯のポテンシャルエネルギーが同一方向にずれて位置するタイプIIのバンド不連続を示す（参考文献：Surface Science   267 (1992) pp. 479-482 および図１参照）ためである。したがって、正孔からみたｎ型δドープによる価電子帯ポテンシャルの山とＩｎＰキャップ／ＩｎＡｌＡｓバリヤ界面の障壁間のアンドープＩｎＡ１Ａｓバリヤにポテンシャルの谷が形成される。その谷にＰＬを励起するために照射したアルゴンレーザ光により誘起された正孔が蓄積される。この正孔と隣接するδドープ層に存在する電子とが結合するときにＰＬとしてエネルギーを放出する。このＰＬスペクトルがδドープ層のドーピングの濃度や広がりを反映して変化する。この正孔はＩｎＰキャップがなければδドープ層の近傍に有効に蓄積されないものである。
【００２４】
このＩｎＰキヤップは単独では数百オングストロームの厚みがあれば十分正孔の蓄積効果があると考えられるが、そのような厚いＩｎＰキャップはＨＦＥＴ作製時に障害となる。したがって、実際に使用可能なＩｎＰキャップの厚みは数十オングストロームとなる。しかしこの厚みであると、上記の蓄積された正孔がトンネル効果でＩｎＰキャップ表面にしみだし、表面準位を介しての消滅が起きて正孔の蓄積が消えてしまう恐れがある。ところがＩｎＡ１Ａｓ／ＩｎＧａＡｓ系ＨＦＥＴのエピタキシャル成長においては、ソース・ドレイン電極ノンアロイオーミックコンタクト用のＩｎＧａＡｓとＩｎＡ１Ａｓのコンタクト層およびＩｎＡｌＡｓスぺ一サ層がＩｎＰキャップ層の上に百オングストローム以上の厚さで形成されており、表面準位の形成すなわちＩｎＰキャップ表面での正孔の消減が阻止される。したがって、図１中、δ発光と表示した矢印で示すように、δドープ層によるポテンシャルの窪みに存在する電子がδドープ層・キャップ層間のバリヤ層中に蓄積した正孔（光励起により発生）と結合する時にルミネッセンス（以後δ発光と呼ぶ）が生じ、それを検出するとδドープ層の品質が評価できる。本実施の形態においては、種々のδドープ量のものを用い、そのδドープ量はコンタクト層をエッチングした領域のシートキャリヤ濃度（Ｎｓ）をホール効果で測定しチェックしている。
【００２５】
図２〜図９は、δドープ量の異なる、多層膜形成後のウェハ（以下、エピウェハと略称する）のＩｎＡ１Ａｓバンドギャップ近傍に対応する発光波長領域におけるＰＬスペクトルを、温度６Ｋ、３０Ｋ、４０Ｋ、６０Ｋ、８０Ｋ、１００Ｋおよび２００Ｋにおいて測定した結果を示す。図２および図３はエピウェハＡ（Ｎｓ≒７×１０12ｃｍ-2）に関する結果を示し、図４および図５はエピウェハＢ（Ｎｓ≒３．６×１０12ｃｍ-2）に関する結果を示し、図６および図７はエピウェハＣ（Ｎｓ≒２．２×１０12ｃｍ-2）に関する結果を示し、図８および図９はエピウェハＤ（Ｎｓ≒１．６×１０12ｃｍ-2）に関する結果を示している。
【００２６】
波長８１００オングストローム付近に主にバッファ層からのＩｎＡｌＡｓバンド端近傍のエキシトン発光（ｅｘ．と記した）があらわれる。６Ｋでは、そのエキシトン発光近傍にδと記したブロードなδ発光があるが、相対的に非常に弱いため見逃しがちで、またその正確なスペクトル形状の把握が困難である。３０Ｋではエキシトン発光とδ発光のピーク強度が同等程度となり、確かにδ発光が存在するのがわかるが、その正権なスペクトル形状の把握には障害がある。４０Ｋではエキシトン発光が非常に弱くなりバッファ層からのＩｎＡｌＡｓバンド端近傍の発光はエキシトン発光よりやや短波長側の弱いバンド間発光が主となる。それによって、δ発光のスペクトル形状が明確にあらわれている。６０Ｋ、８０Ｋ、１００Ｋと温度が上がるにつれて、発光強度が弱くなっているが、δ発光のスペクトル形状は４０Ｋとほとんど同じで明確に判別できる。液体窒素温度７７Ｋはこの温度領域にある。１００Ｋ以上では温度上昇とともにさらにδ発光の強度が弱くなる。２００Ｋになるとδ発光の存在は確認できるがかなりＳ／Ｎ比が悪くなりスペクトル形状の正確な把握に支障が生じる。特にＮｓの低いエピウェハではこの支障が著しい。室温ではδ発光の存在はかすかにわかるもののスペクトル形状の正確な把握は本測定系を使ってできなかった（図には示していない）。このδ発光は、図２、図４、図６、図８の比較から、Ｎｓが高いほどピークが短波長側にずれていることがわかる。このδ発光は、あらわれる波長域を考えると、ＩｎＡｌＡｓ層からの発光であり、またＮｓと密接に関係があることから、ＩｎＡｌＡｓバリヤ層中δドープ層の電子の関与する発光であるといえる。
【００２７】
図１０にエピウェハＡに対して示すように、ＩｎＰキャップ層まで上層をケミカルエッチングで除くとδ発光が観測されない。また、ＩｎＰキャップ層が５０オングストロームと薄い場合には、ＩｎＰキャップ層を残してもδ発光が観測されない。なお、ＩｎＡｌＡｓエキシトン発光については、チャネル層下約２５０オングストロームまでエッチングしても同様に現れ、主にＩｎＡｌＡｓバッファ層からのものであることが裏付けられた。
【００２８】
一方、図１１に示すように、ＩｎＰキャップ層が５００オングストロームと厚いエピウェハＥの場合には、その上にコンタクト領域をエピタキシャル成長していなくてもδ発光が観測される。したがって、δドープ層より表面側のＩｎＡｌＡｓバリヤ層中でＰＬ励起レーザにより励起され、その後δドープ層とＩｎＰキャップ層の間の価電子帯ポテンシャルエネルギーの谷に蓄積された正孔が関与し、δ発光が生じているのである。蓄積された正孔は、ＩｎＰキャップ層が薄いと、キャップ層の壁をしみだし、表面準位の関与する非発光過程で消滅し、ＩｎＰキャップ層が厚いと、しみだしが防止され、バリヤ層中での発光過程に寄与するのである。
【００２９】
δドープ層の電子量が高いと（いいかえるとＮｓが大であると）δドープ層の擬フェルミ準位が上がる。δ発光はその電子分布を反映してＰＬピークのエネルギーが高く、すなわち前に述べたように、短波長側へシフトする。この現象はバースタイン＝モスシフトとして知られているものである。また、そのスペクトル形状はδドープの量や広がりにより影響されるδドープ層およびその周囲の伝導帯ポテンシャルエネルギー形状を反映するものとなる。
【００３０】
以上、ＨＦＥＴ用エピタキシャル膜のＩｎＡｌＡｓバリヤ層上にＩｎＰキャップ層がコンタクト層をともなっている構造またはＩｎＰキャップ層が正孔のしみだしを抑制するだけ厚い構造を使って、δドープ層の電子分布を反映するδ発光をはじめて検出することに成功した。また、δ発光は、液体窒索温度およびその前後の温度で、δドープ層が関与しないエキシトン発光と明確に分離して検出できた。
【００３１】
本発明ではキャップ材としてＩｎＰを用いたが、これ以外にも、δドープ層との間のバリヤ層に正孔を閉じ込められる価電子帯のポテンシャルエネルギーの谷を形成してバリヤ層の正孔からみて障壁を作ることのできる材料であればよい。例えば、バリヤ層のＩｎＡｌＡｓよりＡｌＡｓ組成の高いＩｎＡｌＡｓでもよい。
【００３２】
もちろん、本発明の用途はＩｎＰ基板上のＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系ＨＦＥＴ構造エピタキシャル膜のみに限られるものではなくＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系あるいはＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＦＥＴ構造エピタキシャル多層膜にも適用でき、その際、キャップ層として例えばバリヤ層のＡｌＧａＡｓよりＡｌＡｓ組成の高いＡｌＧａＡｓやＡｌＡｓを使っても良い。
【００３３】
さらに、本実施の形態では、励起手段として光学的な手段を記載したが、励起手段はそれのみに限らず、例えば電子線やＸ線で励起することも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明はＨＦＦＴを作る材料であるエピタキシャル膜を破壊することなくバリヤ層中のδドープ層の品質を簡単にかつ明確に評価するためのものである。本発明の実施により、δドープ層からのルミネッセンスを強め、それを他のルミネッセンスと区別して観測することが可能となり、その結果として、エピタキシャル膜に対しデバイス作製プロセスに供する前に非被壊評価等によりδドープ層の品質を求め、スクリーニングして、耐圧、しきい値電圧等のデバイス特性等に関して高性能のＨＦＥＴを歩留まり良く作製することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＨＦＥＴエピタキシャル成長多層膜構造の電子からみたポテンシャルエネルギーの概略によって高強度δ発光のメカニズムを説明する図である。
【図２】エピウェハＡ（Ｎｓ≒７×１０12ｃｍ-2）のＩｎＡ１Ａｓに対応する波長（エネルギー）領域の温度６Ｋ、３０Ｋ、４０Ｋ、６０Ｋでのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを示す図である。
【図３】エピウェハＡ（Ｎｓ≒７×１０12ｃｍ-2）のＩｎＡ１Ａｓに対応する波長（エネルギー）領域の温度８０Ｋ、１００Ｋ、２００Ｋでのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを示す図である。
【図４】エピウェハＢ（Ｎｓ≒３．６×１０12ｃｍ-2）のＩｎＡ１Ａｓに対応する波長（エネルギー）領域の温度６Ｋ、３０Ｋ、４０Ｋ、６０Ｋでのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを示す図である。
【図５】エピウェハＢ（Ｎｓ≒３．６×１０12ｃｍ-2）のＩｎＡ１Ａｓに対応する波長（エネルギー）領域の温度８０Ｋ、１００Ｋ、２００Ｋでのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを示す図である。
【図６】エピウェハＣ（Ｎｓ≒２．２×１０12ｃｍ-2）のＩｎＡ１Ａｓに対応する波長（エネルギー）領域の温度６Ｋ、３０Ｋ、４０Ｋ、６０Ｋでのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを示す図である。
【図７】エピウェハＣ（Ｎｓ≒２．２×１０12ｃｍ-2）のＩｎＡｌＡｓに対応する波長（エネルギー）領域の温度８０Ｋ、１００Ｋ、２００Ｋでのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを示す図である。
【図８】エピウェハＤ（Ｎｓ≒１．６×１０12ｃｍ-2）のＩｎＡ１Ａｓに対応する波長（エネルギー）領域の温度６Ｋ、３０Ｋ、４０Ｋ、６０Ｋでのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを示す図である。
【図９】エピウェハＤ（Ｎｓ≒１．６×１０12ｃｍ-2）のＩｎＡ１Ａｓに対応する波長（エネルギー）領域の温度８０Ｋ、１００Ｋ、２００Ｋでのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを示す図である。
【図１０】コンタクト領域まであるいはＩｎＰキャップ層（５０オングストローム）まであるいはチャネル領域下約２５０オングストロームまでケミカルエッチングで除いたエピウェハＡのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルとエッチング前  as-grown エピウェハのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルとを比較する図である。エッチングによりδ発光が観測されなくなるが、ＩｎＡｌＡｓのエキシトン発光（ｅｘ．）とそのフォノンカップリングレプリカはエッチング後も観測されている。
【図１１】コンタクト層を成長せず、ＩｎＰキャップ層が５００オングストロームと厚いＨＦＥＴエピウェハＥのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを示す図である。この多層膜は、エピウェハＡと同じく、Ｎｓ≒７×１０12ｃｍ-2を目標として成長されているが、δ発光が観測される。
【符号の説明】
１…バリヤ層、２…キャップ層、３…δドープ層。
【図１】
0003748338.tif 000003
【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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