特別論文

半導体デバイスの材料解析

山

口

章

Material Characterization of Semiconductor Devices ─ by Akira Yamaguchi ─ Analytical characterization
techniques using a transmission electron microscope (TEM) or a focused ion beam (FIB) system have contributed tothe development of semiconductor devices. In particular, at Sumitomo Electric these techniques have been applied
to the analysis of metal-InP interfaces and the investigation of ohmic contact formation mechanisms, with the aim ofdeveloping Pd based ohmic contacts for p-type InP with a shallow reaction layer and low contact resistance.
For the further reliability and quality improvement of semiconductor products, the author also conducted thedevelopment of TEM specimen preparation techniques by using FIB and sampling techniques. As a result, thedegradation mechanism of GaAs transistors under high temperature operation and the electrostatic damage (ESD)induced degradation mechanism of InGaAsP Laser Diodes (LDs) were clarified.
This paper describes his study on the material development and reliability improvement of semiconductor devices byusing characterization techniques.
Keywords: GaAs, InP, ohmic contacts, FET, LD, PD, ESD, TEM, FIB

1.

緒

言

光通信の本格的な進展は、低損失な通信用光ファイバの進めながらデバイスの解析を進めデバイス特性や信頼性の可能性が 1966 年に示唆されたことを契機として始まった。

課題を解決していくことが必要となった。本稿では、材料

その後、光ファイバ技術は 0.2dB/km 以下の低損失化が確解析技術を活用し半導体デバイスの材料開発と信頼性技術

立され、半導体レーザ（LD: Laser Diode）やフォトダイの開発を行なってきた内容を報告する。

オード（PD: Photo-diode）等の光半導体や、レーザの駆動回路や伝送信号処理の集積回路に代表される高速半導体
回路技術の発展により光通信技術が進展してきた。この結果、現在では家庭にまで 1Gbps もの高速の光伝送路が導入

2.

p 型 InP に対するオーミック・コンタクト材の開発
2－1

オーミック・コンタクト材とは半導体デバされる時代となった。光ファイバの低損失波長帯は 1.3 ～イスは半導体内部の電子やホールの物理的・電気的な挙動

1.6µm 帯であり、この波長域の発光や受光デバイスにはを活用しており、デバイスを動作させるための電流を半導InP 系化合物半導体が用いられており、1980 年頃より発光

体内部に送り込んだり半導体内部で発生した信号を半導体

ダイオード（LED: Light Emitting Diode）や PD、LD の外部へ取り出すため、半導体に電極を取り付け電気信号と開発が行われてきた。また高速電子デバイスとして GaAs

して外部とやりとりする必要がある。しかし、半導体に金集積回路（IC: Integrated Circuit）の開発が行われてきた。

属を接触させると、金属と半導体のフェルミレベルという当社でも 1961 年より開発が進められてきた GaAs や InP等の化合物半導体材料を活用し、半導体デバイスの開発が1970 年代後半から開始され、1980 年半ばから光通信事業を目指したデバイスやシステムの開発が本格的に進められてきた。これらの半導体デバイスの開発では、もの作りIVb）オーミックa）ショットキー（1）のプロセスの設計確認や高性能化のために、例えば添加しA

金属

た不純物の挙動や組成、構造の確認のために材料解析が必須であった。しかしながらデバイスの動作層は µm から

半導体

nm サイズと薄く、横方向のサイズも µm 級と小さなものであるのに対し、当時の解析技術は必ずしも満足行くものではなかった。そこで、材料解析技術自身の微細化対応を−（ 20 ）− 半導体デバイスの材料解析

図1

オーミック・コンタクトVエネルギー準位が揃うように接触界面でキャリヤの移動が（4）。
の反応層が生成していることがわかる（3）、生じるので、半導体表面にキャリヤが欠乏し界面にエネル

このような深い反応層が生じる過程は次のように考えら

ギー障壁が生成する。この結果、金属と半導体間はダイれる。まず AuZn コンタクト材は真空蒸着装置により形成

オード的な整流特性となる。これは界面で余計な電位差がされているが、成膜前に InP 表面の酸洗浄を行ない清浄な発生し、デバイスの動作に支障をきたす。そこで半導体と表面を出した後に成膜したとしても、洗浄後に真空蒸着装

金属間は相互に自由に電流が流れる、いわゆるオームの法置に導入するまでのわずかな時間に InP の表面に自然酸化則が成り立つような特性が求められ、これをオーミック・膜が形成されてしまう。従って、AuZn コンタクト材を蒸コンタクトと呼ぶ。

着しただけの状態では金属と半導体の直接接触は得られず

オーミック・コンタクトは、その特性が悪ければいくら

界面の特性はショットキー性を示す。そこで、熱処理を実高品質な半導体結晶や構造が作製できてもその特性を製品施することで金属と半導体の接触が得られるようにしオーとして発揮できないという意味から重要な部位である。当ミック性を得ている。この場合、Au は InP 自体とは 250 ℃

社がこれまで開発してきたデバイスには、GaAs 系 LED、以上で良く反応する性質を持つが、界面に存在する自然酸

InP 系 LED、GaAs 系トランジスタ、InP 系 PD、InP 系 LD、化膜との反応性が低いため、400 ℃を越える温度で初めてZnSe 系 LED、GaN 系 LD、SiC 系トランジスタ等数々ある

InP 中へ拡散し反応層が生成される。ここで次の写真 2 はが、全てにおいてオーミック・コンタクト材の開発に相当

InP の表面に存在する自然酸化膜を透過電子顕微鏡（TEM:

な時間が割かれ改善が重ねられてきた。化合物半導体のTransmission Electron Microscope）にて断面方向からを参照いただきた観察した結果である。表面の極く薄い自然酸化膜の断面をいが、ここでは著者が中心に取り組んできた p 型 InP に対観察するため、表面に保護膜として Au を蒸着した上でするオーミック・コンタクト材の開発について述べる。

TEM 試料を作製し観察した。観察は 100 万倍程度に拡大

オーミック・コンタクトの総説は文献（2）

InP に対すされているが、微視的に見ると場所により膜厚の分布があるオーミック・コンタクトは、光通信用 InGaAs/InP 系

り 1 ～ 4nm 程度の自然酸化膜が表面を覆っていることがわ

PD や InGaAsP/InP 系 LD を始めとした InP 系光・電子デかった。突起状の反応層が生じるのは自然酸化膜が薄い部

バイスで使用されている。オーミック・コンタクトに対し分で優先的に反応が進行したためと思われる。

2－2

p 型 InP オーミック・コンタクトては、まず低い接触抵抗で高い信頼性が必要とされるが、一方で低コスト製造法も求められている。p 型 InP に対するコンタクト材の場合、接触抵抗率が 10-5 Ω cm2 台以下の低い値が得られる材料として Au をベース金属として p 型
不純物である Zn や Be を添加した AuZn や AuBe が標準材として用いられてきた。これらのコンタクト材では半導体表面への製膜後に熱処理を行ない、金属と半導体を反応させることにより低い接触抵抗を得ている。しかし（1）熱処理により界面に 0.5µm 以上の厚い反応層が生成するため薄膜のデバイスに向かないことや、（2）熱安定性が悪い、（3）
熱処理温度が n 型の電極としてデバイスでペアで用いられる
AuGeNi 材の 400 ℃に較べ 450 ℃と高い、という問題点がある。写真 1 に走査電子顕微鏡（SEM: Scanning Electron

写真 2

InP 表面の自然酸化膜の断面 TEM 像

Microscope）により AuZn 系コンタクト材の断面観察を行なった結果を示す。界面に深さが 0.5µm を超える突起状
このように AuZn コンタクト材の形成状況を詳細に観察した結果、金属と自然酸化膜との反応性を制御することが重要であり、これが浅く均一な厚さの反応層を得るための鍵になると考えられる。
2 －3 準貴金属（Ni, Pd）オーミック・コンタクト

前述

したように、AuZn 系のコンタクト材は低い接触抵抗が得られるものの、界面に生成する反応層の厚さが厚く、熱処
理温度がやや高いという問題がある。そこで、接触抵抗は10-5 Ω cm2 台を維持しながら反応層が 0.1µm 以下と浅く、熱処理温度が 400 ℃以下に低くできるような新材料が求め
写真 1

AuZn 系オーミック・コンタクトの断面 SEM 像られていた。このようなオーミック・コンタクトを実現す

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 21 ）−るには金属と半導体の界面に存在する自然酸化膜をどのよ

2－5

Zn 添加効果

オーミック・コンタクト材ではうに扱うかが重要であり、（1）自然酸化膜との反応性の高AuZn の様にベースとなる金属（Au）に対し、半導体中でい金属を用いるか、（2）界面に自然酸化膜を生成させない

p 型ないし n 型の不純物となる第 2 元素（Zn）を添加する

か、（3）あるいは除去することが効果的と考えられる。自ことにより良好な接触抵抗を実現する方法が用いられてい然酸化膜を除去する方法としては、蒸着装置内でウェハ表る。そこで Ni および Pd に対して典型的な p 型不純物であ面をスパッタ・クリーニングする方法があるが、InP の場

る Zn を添加した M/Zn/M（M は金属で Ni or Pd、/は積

合にはスパッタリングにより表面にドナー性の欠陥が生成層順序を示す）構造のコンタクト材を作製した。この結果、

ので p 型 InP に対しては適用が難しい。また、InP

Ni あるいは Pd の単層だけでは 1 × 10-4 Ω cm2 未満に下が表面に形成された超薄膜の Sb による InP 表面の自然酸化膜

ることのなかった接触抵抗が Zn の添加により 4 ～ 7 ×10-5の還元効果が報告されている 。これは、コンタクト材に

Ω cm2 の低接触抵抗が得られた。これらのコンタクト材はSb を用いれば自然酸化膜の除去効果が得られる可能性を示InP との反応層の厚さが約 50nm と目標に適うものであり、

唆 し て い る 。 一 方 、 Ni や Pd 等 の 遷 移 金 属 は 準 貴 金 属

AuZn に較べ同等の接触抵抗でかつ一桁浅い反応層が実現（Near Noble Metal）と言われ、InP の自然酸化膜との反

できた。

する

（5）

（6）

応性が高いことが知られている。これらの金属をベー

（7）、
（8）

Zn 添加により接触抵抗が下がった理由を検討した。例

（9）
、
（10）

ス金属として用いる例は GaAs に対しては開発例もある

えば AuZn の場合には、蒸着した薄膜中の Zn が半導体中が、InP に対しては十分検討されておらず、いずれが最適に拡散し半導体の表面のキャリヤ濃度を高め、金属と半導であるかを調べる必要があった。そこで Ni や Pd の準貴金

体間のエネルギー障壁を変化させていると信じられている属をベースとしたオーミック・コンタクトに関する検討をが、今回の場合もそのような現象が生じているのか考えて行なった。

みた。実験に用いた p 型 InP 中のキャリヤ濃度は半導体の新し

エピタキシャル層中への Zn のドーピングにより InP 表面

いオーミック・コンタクトに適した材料を選定するにあで約 4 ×1018cm-3 であるが Zn 濃度は 1 ×1019cm-3 であるこ

たっては、まずベースとなる金属と半導体間の反応、すなとが電気化学 C-V 測定及び SIMS 測定の結果わかった。

わちコンタクト材製膜後の熱処理でどのような界面反応がPd/Zn/Pd コンタクト材の場合の最適熱処理温度は 375 ℃生じるのかを理解する必要があると考えた。そこで、InP 基であるが、この温度における InP 中の Zn の固溶度は約 1 ×

板上に Ni あるいは Pd 薄膜を蒸着した後に熱処理を実施し1018cm-3 である（11）。つまり InP 中の Zn は既に過飽和の状たサンプルを作製し、X 線回折法（XRD: X-ray Diffraction）

態にある。このため 375 ℃の熱処理を行なうと InP 中の及び TEM による電子線回折の両手法より界面反応生成物を

Zn は徐々に InP 中から掃き出される方向に拡散すると考え

2－4

準貴金属（Ni, Pd）と InP の界面反応解析

調べた。XRD では入射角度を 5 ° に固定し薄層の評価を可られる。次に、蒸着した Zn が 375 ℃で InP 中に拡散する能とした。表 1 は InP 基板上に Ni あるいは Pd を 50nm 蒸のかを実験した。コンタクト材を蒸着し熱処理した試料の着した後に 2 分間の熱処理を実施した場合の結果である。

InP 表 面 近 傍 の 不 純 物 を 二 次 イ オ ン 質 量 分 析 （ SIMS:

この結果より Ni も Pd も 250 ℃以下で InP と反応して Ni2.7

Secondary Ion Mass Spectroscopy）で調べた。今回は、InP や Pd2InP などの三元合金を生成しており、確かに反応

基板裏面側から測定する Back-side SIMS 法を用いた。基性が良いことがわかった。Ni の場合は 300 ℃を越えると板側から測定する理由は、金属側から SIMS 測定すると金Ni2P や In などの化合物へ分解することがわかった。一方、属中に多量に存在する Zn の影響で InP 中の微量の Zn の存

Pd の場合には三元合金は 450 ℃まで安定に存在することが在の可否を判断できないからである。この実験の結果、コわかった。生成する化合物が着目する温度領域でどのよう

ンタクト材として蒸着した Zn は InP 中には拡散していなに変化するかを個々のケースについて把握することができ

いことがわかった。従って、M/Zn/M コンタクト材においた。これらは材料の選択を行なう上で重要な知見である。

て準貴金属単層に較べ Zn 添加で接触抵抗が低減するのは、
M/Zn/M 中の Zn が InP 中に拡散しキャリヤ濃度を高めるというようなものではないことがわかる。p 型のキャリヤ

表1

Ni 及び Pd と InP の反応生成物

Ni

Pd

250 ℃

Ni
2.7InP, Ni
�
�

300 ℃

Ni
2.7InP, Ni2InP��
(Ni2P)

400 ℃

Ni
2InP, Ni2P, In�� �(Ni2.7InP)

450 ℃

Ni
2InP, Ni2P, In
�
� �

�
�

500 ℃

Ni2InP, Ni2P, In

PdIn, PdP2−（ 22 ）− 半導体デバイスの材料解析

Pd2InP, Pd��

Pd2InP, (Pd)��

Pd2InP, (Pd5InP)��

Pd2InP, (Pd5InP)として活性化していない Zn が既に InP 中に存在している（6 ×1018cm-3）ことを考えると、電極材料への Zn 添加は、
おそらく InP 中の Zn の外部拡散を抑制するような効果（キャップ効果）であると考えられる。
次に、最小の接触抵抗が得られる熱処理温度（Ni は300 ℃、Pd は 375 ℃）における接触抵抗の熱処理時間依存性を比較した結果が図 2 である（12）。

Ni/Zn/Ni の場合には、最適熱処理時間の 1 分間に対し

0.5 分間熱処理時間が長くなるだけで接触抵抗が約 1 桁増

Specific Contact Resistivity (Ωcm2)態の中間状態にあるので、熱処理時間が 3 分間へと増大す
ると界面の Ni2.7InP は Ni2P と In に分解し始める。分解が起
こると InP 中の Zn は表面側へ拡散し InP 表面のキャリヤ濃10-3

度が低下してしまい接触抵抗が増大してしまう。一方、

Ni/Zn/Ni

Pd/Zn/Pd コンタクト材の場合、最小の接触抵抗が得られる
375 ℃は Pd と InP の反応により生成した Pd2InP が安定に存在する温度領域なので熱処理時間が長くなっても安定し10-4た状態が保たれやすいと考えられる。このように p 型 InP

Pd/Zn/Pdに対するオーミック・コンタクトのベース金属として Ni とPd を比較すると、両者とも約 50nm の浅い反応層と典型値
10-5

0

1

2

3

4

5

としては 7 × 10-5 Ω cm2 の同等の接触抵抗が得られるが、6

Pd の方が熱安定性が高く優れている。

Annealing Time (min.)

図2

2－6

Pd/Zn/Pd オ ー ミ ッ ク ・ コ ン タ ク ト の 問 題 点

前節で述べた Pd/Zn/Pd コンタクト材は AuZn の問題点を

接触抵抗の熱処理時間依存性克服した優れた材料であるが、浅い反応層を持つことが逆に InP の表面状態に非常に敏感で再現性が悪いという側面があることが明らかになった。これは製品への適用時に問大してしまうが、Pd/Zn/Pd の場合には 1.5 ～ 3 分間の比題となる。もちろん Pd/Zn/Pd コンタクト材蒸着前には較的広い時間範囲で 10 Ω cm 台が持続しており、Pd のInP 表面を酸洗浄した上で速やかに蒸着を開始しているが、方が熱安定性が高いことが明らかになった。この理由を図 3

酸洗浄のみでは表面汚染物や自然酸化膜が十分除去でき

で InP と金属界面のエネルギーバンド図を使用して説明す

ず、バラツキを生じさせる可能性がある。例えばイオンス

る。まず、Ni の場合の 300 ℃・ 1 分間（図 3a）及び、Pd

パッタリングなどの物理的エッチング等の併用も考えられ-52の場合の 375 ℃・ 1.5 分間（図 3c）では、前項での結果よるが、InP 表面に損傷が残留するという問題がある。

り半導体表面に Ni2.7InP や Pd2InP という化合物が存在す

この解決法に著者は第 3 元素として Sb の導入を検討しるので、この中に含まれる Zn のキャップ効果により高濃た。InP 表面に形成した Sb が InP の自然酸化膜を還元する

度の p 型領域との接触が安定に形成され低い接触抵抗が得作用を AuZn 系コンタクト材へ応用し熱処理温度の低減にられると考えられる。しかし Ni/Zn/Ni の場合、300 ℃での効果がある結果が得られており（13）、今回の PdZn 系への応

Ni と InP の反応は、Ni2.7InP が安定な 250 ℃以下の状態と用として極薄い Sb（3nm）をオーミック・コンタクトの

Ni2InP と Ni2P、In が安定な 400 ℃以上の状態の 2 つの状

第一層に用いた。第一層に Pd を用い Pd（3nm）/Zn/Pd
構造に対し第一層に Sb を用いた Sb（3nm）/Zn/Pd 構造を比較した実験を何度も繰り返し実施し、接触抵抗値に対Ni/Zn/Ni(Ni2P, In)
Ni2.7InPp+

する度数として表したのが図 4 である。第一層に Sb を用い

Pd/Zn/Pdp -InPた方が安定して低い接触抵抗が実現できることが明らかに

Ec

Ec

Ef
Ev

Ef
Ev
Pd2InPp+

なった（14）。
次にこのような Sb の添加効果を解析するために界面のp -InP

30
Sb/Zn/Pda) 300˚C 1 min.

c) 375˚C 1.5 min.

25

Pd/Zn/Pd

数

20
Ec

15
10

In
Ef
Ev
Ni2P

Pd2InPb) 300˚C 3 min.

図3

度

Zn

p+

p -InPd) 375˚C 3 min.

Ni/Zn/Ni と Pd/Zn/Pd の熱安定性機構

5
0

0

1

2

3

4

5

6

7

比接触抵抗率（ρc/10 -4 Ωcm2）

図4

Sb の添加効果

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 23 ）−TEM 観察を実施した。写真 3 は Sb（3nm）/Zn（20nm）

果は、前項で述べたように InP 中の Zn の外部拡散を抑制/Pd（10nm）構造の蒸着後熱処理前の断面 TEM 観察結果する効果にあると考えられるが、Sb 島により InP 表面に直である。InP 上に約 30nm の大きさの粒子が見られた。エ

接固定された Zn により InP 中の Zn の外部拡散の抑制効果

ネルギー分散型 X 線分析（EDX: Energy Dispersive X-が促進された可能性がある。すなわち、Sb の添加は還元効

ray Analysis）の結果、粒子部分は Sb と Zn からなること果により InP 表面酸化膜を還元除去することに加え、Zn のがわかった。蒸着した Sb が島状に堆積することは、表面固定により InP 中の Zn の拡散制御を促進していると考えの高分解能 SEM 観察でも確認していたが、島状に堆積しられる（図 5）。

た Sb に Zn が付着した結果と考えられる。また島のない領

2－7

Sb/Zn/Pd オーミック・コンタクト材の熱安定性域にも Zn は存在し、Zn が InP の表面に付着していること

Sb/Zn/Pd コンタクト材を半導体デバイスに適用するためにがわかった。Pd/Zn/Pd コンタクト材における Zn の添加効

は、配線抵抗の低減やワイヤボンディング特性が良好であることが必要であり、コンタクト材の最上層に厚い Au 層を形成することが必要と考えられる。しかし Au を Sb/Zn/Pdの上に直接形成すると、熱処理時の相互拡散により特性の劣化が予想されるので、拡散防止層（バリヤ材）が必要である。バリヤ材としては高融点金属である Mo が効果的であることがわかり Sb/Zn/Pd/Mo/Au 構造を形成した。
最後に完成した本構造に対しデバイスの製品にとって重要な信頼性を支配する熱安定性の評価を行なった。300 ℃
での高温放置後の接触抵抗の変化を調べた。比較のために
AuZn コンタクト材についても同様の評価を行なった。この結果を図 6 に示す。AuZn コンタクト材では接触抵抗の初期値が低いが、熱処理時間とともに接触抵抗が急激に上昇し 2 時間を越えると 10-4 Ω cm2 に達することがわかっ
写真 3

Sb/Zn/Pd コンタクト材の TEM 像（熱処理無し）

た。これに対して Sb/Zn/Pd/Mo/Au コンタクト材では接触抵抗は AuZn よりやや高いながらも安定しており、熱処
理時間 3 時間まで 10-5 Ω cm2 台が保たれ、高い信頼性が得られていることが確認できた。

Pd
Zn
Sb
10-2
surface oxide
p + -InP (Zn)aging at 300˚C
Contact resistivity (Ωcm2)(a) as-deposited

Pd-Zn
Partially
reacted Sb

10-3

Sb/Zn/Pd/Mo/Au
10-4

AuZn
p + -InP (Zn)(b) early stages of annealing (~300˚C)

10-5

0

0.5

1

2

3

Aging Time (hours)
Pd-Zn (Sb)

図6

Sb/Zn/Pd/Mo/Au 電極の熱安定性

Pd2-InP (Zn)p + -InP (Zn)(C) annealed at 375-400˚C

図5

Sb/Zn/Pd コンタクト材の形成機構−（ 24 ）− 半導体デバイスの材料解析

2－8

まとめ

p 型 InP に対するコンタクト材として広く用いられている AuZn コンタクトには、0.5µm 以上の厚い反応層が存在することや熱安定性が悪い、熱処理温度

が 450 ℃と高い、という問題点があった。そこで Pd をベー

ツールであるはずの TEM に対しては観察試料の作製が難スとしたコンタクト材を開発しこれらの問題点を解決し、しく適用が困難であった。そこで、製品現物の解析が可能

0.1µm 以下の浅い反応層を持つ高い熱安定性の Sb/Zn/Pd

な解析手法の開発を進めてきた。本章では、実デバイスのコンタクト材を開発した。熱処理温度は従来の AuZn より

精密解析に重要な技術である TEM を実製品の解析に適用

低い 375 ～ 400 ℃で実現可能であり、n 型 InP オーミッ

するための観察試料の作製法の開発を行ない、GaAs トラ

ク・コンタクトの標準材である AuGeNi と同等レベルでンジスタや GaInAsP/InP LD の実際の劣化解析に適用したあった。これにより p 型と n 型のオーミック・コンタクト

結果について報告する。

の同時熱処理によるプロセスコストの低減も期待できる。

3 － 2 集束イオンビームによるTEM 試料作製技術

半導体デバイスの解析にとって TEM は欠かせぬ重要な技術で3.

あり、前章のオーミック・コンタクト材の解析でも活用さ

半導体デバイスの劣化原因解析れている。TEM では、原子レベルの構造観察が可能である
前章では、X

し、最小 1nmø のナノビームによる組成や結晶構造の解析

線結晶構造解析や透過電子顕微鏡、二次イオン質量分析法が可能であるので、デバイス特性を支配する材料現象に関等の材料解析技術を活用して新しいオーミック・コンタクする重要な情報が得られる。TEM を用いた半導体デバイス

ト材の開発を実施した結果を報告した。このような新材料の観察は Si 集積回路（IC: Integrated Circuits）に対して開発では、開発の初期の段階から実デバイスを試作するこは 1980 年頃より進められてきた。Si-IC チップの表面にガとは行なわれず、むしろ着目している特性だけを評価する

ラス等の保護板を貼り付け、断面方向から機械研磨して薄テストサンプルの作製と評価を中心に進められることが多片化していくことにより TEM 試料が作製され断面観察がい。オーミック・コンタクト材の場合には接触抵抗を評価

実施されはじめた。デバイスのプロセス技術者は常に断面する簡単な構造の作製と、エピウエハにコンタクト材を成構造図を頭に描きながらプロセス技術の設計を行なってい膜するだけの簡単な評価サンプルを用いて、接触抵抗等のるので、断面方向からの観察は直接的に設計と比較でき、特性と材料や構造を対比し開発方針に反映させてきた。開非常に貴重な情報となった。しかし TEM が研究開発用途

発後期でデバイスを試作しデバイス特性を評価することにには活用されてきたにもかかわらず製品の劣化解析や品質より開発結果の妥当性を確認している。材料解析に適した管理までなかなか普及しなかった。これは、観察部位をモニターサンプルを用いることは製品特性との対応という0.1µm 以下の薄片に加工しなければならないという TEM

意味では間接的ではあるが、種々な解析手法を適用するこ試料作製の難しさに一因があった。図 7 に従来の断面観察

3－1

実デバイスの材料解析の重要性とにより豊富な情報が得られるので、特性の発現機構に関用 TEM 試料作製法を示す。試料はウェハから 2 ～ 3mm のする十分な解析を行なうことが可能であり、材料の本質的チップを切り出してこれを機械加工して薄片化するもので理解に不可欠である。

あり、µm レベルで動作層が形成されている実デバイスへ

ところが、材料開発が終了し製品化に移行したデバイスの適用は困難であった。

に対しては、製造の過程で品質面の予期せぬ事態が発生しこれに対し 1990 年頃より集積回路のリペア等に使用さたり、信頼性上の問題が発生したりする場合がある。この（15）れていた集束イオンビーム（FIB: Focused Ion Beam）

ような場合には問題の発生したデバイス現物 1 個 1 個の解により Si デバイスの特定部分の TEM 試料を作製する試み

析を行なう必要がある。しかしこの場合は前章で活用してが開始された（16）、（17）。FIB とは細く鋭利なタングステン針のきた手法は必ずしも十分活用できず手法が制約されること

先端部を液体金属の Ga で濡らし、その先端からイオン化しが多かった。例えば半導体レーザの場合、チップサイズがた Ga イオンを電界で引き出し数 10kV に加速し約 10nmø

0.3mm 角程度の大きさで、さらに動作層は 1 × 300µm 程に集束させたものであり、走査電子顕微鏡のようにビーム度の領域であるため、半導体デバイスにとって強力な解析をスキャンして像観察しながら対象材料をスパッタエッチ

Ar+

切り出し

貼り合わせ

機械研磨
（平行）

機械研磨
（ディンプル）イオンミリング<100µm<20µm<0.1µm

図7

TEM観察

断面 TEM 観察試料の作製法

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 25 ）−

Ga+
<50µm
0.1µm以下

1.5
m

m

接着剤

1.0mm

薄片切り出し（ダイシングソー）

Cuリング固定

図8

FIB加工

TEM観察

FIB による TEM 試料作製法

る。Ti と GaAs の界面から GaAs 側に円弧状に Ti が拡散した領域が存在することが TEM 観察と EDX 分析により明らかになり、ゲート電極金属である Ti が GaAs 中に染み込む
ゲートシンキング現象が生じていることを見出した（20）。このように集積回路の中の特定の素子の電極をこのような高分解能で観察し分析することは、FIB と TEM の組合せにしか実現できない芸当である。
3－3

FIB による TEM 試料作製技術の革新

FIB 加工による TEM 試料作製技術が進展することによりデバイスの TEM 観察が進み、実デバイスの劣化や故障原因の究明

10µmに活用されるようになった。しかしながら、上記の TEM
写真 4

サンプル作製においては、TEM の試料台（直径 2 ～ 3mm

FIB による TEM 試料の外観の Cu リング）に載せるための工程である小片作製工程が課題となっていた。そもそも実デバイスの解析ではデバイングすることが可能である。FIB を用いれば nm レベルのスが金属やセラミックスのパッケージに実装されているこ

高い分解能でデバイスの着目箇所の加工が可能である。当とがほとんどであり、これから小片を切り出すために何度社でもこの技術にいち早く目を付け、当時開発していたか切断を繰り返す必要があり多大な時間を要していたし、

GaAsIC の電極と半導体界面の信頼性問題の解析を行なう

この小片は厚さを少なくとも 50µm 以下（例えば 30µm）

ため開発を開始した。当時は GaAs 等化合物半導体に対すにすることが必要であった。なぜなら厚いと FIB で大きなる応用例が全くなく、Si に較べてイオンビーム加工による開口部を形成する必要があり FIB の加工時間がかかるばかや、りでなく EDX 分析を実施する際に妨害 X 線が発生してしさらに損傷に弱い InP に対して損傷を軽減できる加工法（19）

まうからである（21）。そこでこの切片加工は切断機としてはを見出しながらデバイスの TEM 観察を進めてきた。図 8

高精度なダイシングソーを用いて加工していたが、作業に損傷の影響の大きな GaAs に適した加工条件の検討（18）に FIB を用いた TEM 試料作製法を示す。FIB による TEM

熟練を要しそれでも失敗も多かった。これは実デバイスの試料は、あらかじめデバイスからダイシングソー等で切り解析ではたった一つのサンプルで観察を成功させなければ出した小片を TEM 観察用の試料台（Cu 製リング）に固定

ならないことが多いのに対して問題であった。そこでした後に、観察部の左右に FIB で数 10µm 角の穴を空け中

1998 年頃より、ダイシングソー等の機械加工を行なわず、央部に厚さ 0.1µm の薄片を残すような加工を実施すること

パッケージに実装された状態から直接 FIB にて観察部分をで実現する。加工後の鳥瞰図を写真 4 に示す。この手法を切り出し、FIB 装置内で細い W 針を用いて TEM 試料台へ新規開発したゲート長 0.18µm の高速 GaAs トランジスタ

移すというサンプリング技術が試みられるようになり（22）、に対して応用した結果を図 9 に示す。高温通電試験で平均

当社でもまずは簡易サンプリングシステムを作製するとこ

故障時間（MTTF）が 150 ℃で 24 万時間という高い信頼性を確認できたが、この場合の故障モードを解析するため、0.18µm 幅で GaAs と接触している櫛状のゲート電極（図 9ろから検討を開始した。この手法を次の図 10 に示す。

このようなサンプリング手法の発明により FIB による

TEM 試料作製の作業が画期的に迅速化された。また観察部

中の G 部。電極構造は Ti/Pt/Au）の長さ方向の断面と横方位の取り出し精度が上がるとともに EDX 分析の精度も向上

向の断面を FIB にて切り出し試料作製し観察したものであした。本技術は、実デバイスの TEM 観察にとって今やなく−（ 26 ）− 半導体デバイスの材料解析

S

G

G

D

SiO 2
SiN

D

S

EDX
EDX

50nm

GaAs

c）ゲート長方向断面a）GaAsトランジスタ平面図

S

S

D
n

Ga,As
Ga
Cu

Ti

n+

Cu

Ga,As

50nm
50nm
f）図e）の点A部のEDXスペクトルd）ゲート長方向に垂直

図9

GaAs トランジスタの断面 TEM 観察結果

ピックアップ&固定
W針

3µm

薄膜化
<0.1µm

このため、LD チップ自体の ESD 耐性の向上が重要であり、ESD による劣化機構の解析と劣化抑制技術の開発が取り組まれてきた。ESD 耐性向上の検討を行なうに当たり、まず

10µm
10µm
3mm
マイクロマニピュレータでピックアップ、TEM試料台へ固定

Ti

As

GaAs
GaAs

b）GaAsトランジスタ断面図

FIBで薄片切り出し
20µm×3µm t

D

Pt

GaAs基板

FIB加工

G

Au

G

n+

e）図d）のTi/GaAs界面拡大

FIBによるTEM試料化

は ESD 試験で劣化した LD の劣化機構を解析することが重要である。
解析対象の LD の構造を図 11 に示す。この LD では長さ300µm の InGaAsP 活性層ストライプが InP に埋め込まれ、このストライプの左右に溝（トレンチ）が形成された

図 10

TEM 切片のサンプリング法

構造となっている。
劣化した LD の劣化原因を調べるには LD 特性解析から、劣化した箇所が活性層自体にあるのか周辺の InP 埋込部分にあるのか、電極にあるのか等を推定するところから始めてはならない技術になり、TEM 技術が研究対象のみならずる。仮に活性層が劣化しているとすると 300µm の長さの信頼性評価など幅広い用途に活用できるようになった。

ストライプ状活性層のどの部分なのかを明らかにする必要

3－4

GaInAsP レーザの劣化解析

GaInAsP/InP 半がある。劣化状況を観察・分析する技術としては、前項で導体レーザ（LD）は 1.3 ～ 1.6µm の光通信波長帯に対応述べたような FIB と TEM の組合せにより解析することがしており光通信の光源として幅広く用いられていると同時可能であるが、300µm のストライプをしらみつぶしに観に高い信頼性が要求される。当社では InGaAsP LD の信頼察するのはあまりにも非効率である。そこで活性層の発光性に関連する各種劣化機構を解析し、劣化抑制技術の適用像（EL: Electroluminescence）観察により発光強度の変により信頼性の向上を図ってきたが、一例として信頼性の化より劣化箇所の特定が可能であると考えられる（29）。例え

重要な指標の一つである静電気放電（ESD: Electrostatic

ば活性層に結晶欠陥が発生したために劣化したのであればDischarge）に対する耐性に着目して LD チップの改善を

欠陥の発生箇所の EL 発光強度が低くなり発光像を見れば、行なってきた結果を報告する。

（23）〜（28）

ESD に対する対策としては LD チップを実装して電子回

非発光領域を特定することができる。しかしながら、現実のデバイス製品の LD では活性層が InP に埋め込まれてい路を組み込んだモジュール化した状態では内部電気回路にるばかりか、チップ表面に形成された電極に遮られて EL

より外部からの静電気放電によるデバイスの破壊を防ぐこ像の観察が難しい状態にある。そこで、チップ裏面を研磨とは可能だが、LD チップ状態では実装時の取り扱い等にしチップ裏面から EL 像を観察する手法を開発した。これ

おいて人体や機械等から直接電気的な損傷を受けやすい。

を図 12 に示す。パッケージに実装されていた LD チップを

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 27 ）−250µm

p-電極

250µm

300µm

p-電極

300µm

100µm

p-電極

100µm

活性層

n -InP 基板

n-電極

上下反転

n -InP 基板（a）

n-電極

n-電極
LDチップ幅の1/3〜1/2

（a）
保護膜
保護膜
i -GaInAsP
活性層

n-電極

p-電極 p型コンタクト層

ELp-電極 p型コンタクト層

p -InP
クラッド層

活性層

p -InP
クラッド層

i -GaInAsP
活性層
p -InP
電流ブロック層

n -InP
電流ブロック層p-電極

n -InP
電流ブロック層

p -InP
電流ブロック層

図 12

LD の EL 像観察サンプル

n -InP クラッド層（b）n -InP クラッド層（b）InGaAsP LD の構造
光通信用

250µm

図 11

300µm

一旦パッケージから取り外し、LD の裏面を斜めに研磨すEL emission

ることでチップの裏面側から活性層ストライプの発光を
InP 基板を通して（発光波長にとって InP は透明）観察できるようチップを加工した。これを裏面が上側になるように再度パッケージに実装し直した後、通電して活性層からの発光を赤外線顕微鏡にて観察した。

300µm

本手法にて ESD 耐性試験で劣化した LD を観察した結果られる。LD 端面近傍で活性層に異常が発生している可能性が示唆された。そこで次に、この非発光領域を前項のサンプリング技術により TEM 試料を作製し、観察を実施し250µmの一例を写真 5 に示す。LD の端面近傍に非発光の領域が見Degradedregionた結果を図 13 に示す。これは ESD 耐性試験で大電流パル

ス通電（標準的な Human body モデルによる印加）を LDの順方向に 1 回、2 回と繰り返し実施した結果である。LD
チップでは、パルス通電が進むにつれ、端面から内部方向へ欠陥が進行していくことが明らかになった。

写真 5

ESD 耐性試験により劣化した LD の EL 像

このように順方向の ESD 耐性試験で端面から結晶の劣化が始まる故障機構は、LD の結晶端面の非発光再結合準位を介して出力光が吸収され、急激な発熱により端面が溶解

3 － 5 まとめ透過電子顕微鏡（TEM: Transmission

しレーザを破壊に至らしめるという点で、AlGaAs 系高出Electron Microscope）は原子レベルの分解能での構造観

力 LD で報告されている光学損傷（COD: Catastrophic

察と nm 分解能での分析が可能であり、半導体デバイスのOptical Damage）と類似点がある。端面での劣化の対策

材料解析には不可欠なツールであるが、観察用試料の作製として反射率の制御のために形成される LD 端面へのコーの困難さから実デバイスの解析を行なうことができず信頼

ティング膜の形成前処理の最適化を行なうことで ESD 耐性性や品質管理などへ十分適用することができなかった。しを大幅に向上させることができた。

かし観察用試料の作製技術として集束イオンビームや実装−（ 28 ）− 半導体デバイスの材料解析

BeforeFacet

拡がり抵抗顕微鏡（SSRM: Scanning Spreading Resistance

After degradation

Microscope）のような nm 領域の電気特性の評価が可能な技術（30）の実用化が期待される。これらの技術を活用したデバイス材料物理の解析と製品解析の両輪の開発を推進する~30µm

EL planar image
2nd

Active layer

ことが重要と考える。そして現在開発中の新デバイスが 1
Facet

日も早く事業化され、デバイス事業が発展していくことを期待する。
参TEM planar image

図 13

Degraded by the 1st ESD pulse

ESD 試験で劣化した LD の活性層の平面 TEM 像

考

文

献

（1） 林秀樹、SEI テクニカルレビュー、173, 14（2008）（2） M. Murakami and Y. Koide, Critical Reviews in Solid State andMaterials Science, 23, 1（1998）（3） A. Yamaguchi, I. Tonai, H. Okuda, N. Yamabayashi, and M. Shibata,
Bunseki Kagaku 40, 741（1991）（4） 山口章、唐内一郎、山林直之、柴田雅裕、SEI テクニカルレビュー、141、100（1992）

デバイスからの直接サンプリング技術を実用化しデバイスの解析を実用レベルまで高めることができた。この手法により高速動作の GaAs トランジスタの信頼性試験での故障（5） K. Tsubaki, S. Ando, K. Oe, and K. Sugiyama, Jpn. J. Appl. Phys. 19,1191（1979）（6） H. Nobusawa and H. Ikoma, Jpn. J. Appl. Phys., 32, 3713（1993）

モードを明らかにすることができたし、InGaAsP LD では（7） T. Sands, C. C. Chang, A. S. Kaplan, V. G. Keramidas, K. M. Krishnan,
and J. Washburn, Appl. Phys. Lett. 50, 1346（1987）

ESD 耐性試験での劣化機構を解析し劣化抑制技術の製品へ（8） D. G. Ivey, P. Jian, and R. Bruce, J. Electron. Mater. 21, 831（1992）の適用を実施した。このような材料解析技術も活用してデ（9） E. D. Marshall, B. Zhang, L. C. Wang, D. F. Jiao, X. W. Chen, T.
Sawada, S. S. Lau, K. Kavanagh, and T. F. Kuech, J. Appl. Phys. 62,942（1987）

バイスの高信頼性技術が確立され、デバイスの事業化が進展し、2007 年 1 月までに通信用光デバイス 1000 万個出荷を達成することができた。

（10） M. Furumai, T. Oku, H. Ishikawa, A. Otsuki, Y. Koide, T. Oikawa, andM. Murakami, J. Electron. Mater. 25, 1684（1996）（11） L. L. Chang and H. C. Casey, Solid-State Electron. 7, 481（1964）

4.

結

言

1980 年半ばより開発が本格化した GaAs 集積回路や InP
系フォトダイオード、レーザ等の光デバイスの開発を進める上で、透過電子顕微鏡や X 線回折装置、2 次イオン質量分析を始めとした材料解析技術を活用してきた。デバイスの解析にとって開発当初の解析技術の能力は必ずしも十分でなく、解析技術自身の開発を進めながら解析技術を駆使したデバイス解析を実施してきた。オーミック・コンタク
ト材の開発ではテストサンプルを活用した開発を進めてきたが、テストサンプルでは実デバイスの特性とはやや間接的な関係にあるが詳細な解析が可能であるため特性の形成機構を良く明らかにすることができた。一方で製品の信頼性技術の確立や品質管理の課題を解決するには実デバイスの解析が不可欠であるので、最も強力な解析技術である透過電子顕微鏡を応用するため、集束イオンビームを活用した試料作製法を開発し適用してきた。この結果、デバイスの信頼性に関わる課題を解決し事業化に大きく貢献することができたとともに、透過電子顕微鏡を単なる新製品開発
ツールでなく信頼性や品質管理のツールとして確立させることができた。
今後は新しい解析技術自身の開発と実デバイスの解析
ツールの充実化が必要である。例えば前者では放射光のような新たなビームの利用も必要であるし、後者では走査型（12） A. Yamaguchi, H. Asamizu, T. Okada, Y. Iguchi, T. Saitoh, Y. Koide,
and M. Murakami, J. Appl. Phys. 85, 7792（1999）（13） A. Yamaguchi, H. Asamizu, T. Okada, Y. Iguchi, T. Saitoh, Y. Koide,
and M. Murakami, J. Vac. Sci. Technol. B18, 1957（2000）（14） H. Asamizu, A. Yamaguchi, Y. Iguchi, T. Saitoh, and M. Murakami,Materials Transactions 43, 1352（2002）（15） K. Nikawa, K. Nasu, M. Murase, T. Kaito, T. Adachi, and S. Inoue,
Proceedings of the IEEE Reliability Physics Sympojium,（unpublished）, p. 417（1989）（16） R. J. Young, E. C. G. Kirk, D. A. Williams, and H. Ahmed, Mater. Res.
Soc. Symp. Proc. 199, 205（1990）（17） D. P. Basile, R. Boylan, B. Baker, K. Hayes, and D. Soza, Mater. Res.
Soc. Symp. Proc. 254, 23（1992）（18） A. Yamaguchi, M. Shibata, and T. Hashinaga, J. Vac.Sci. Technol.
B11, 2016（1993）（19） A. Yamaguchi and Takeshi Nishikawa, J. Vac.Sci. Technol. B13, 962（1995）（20） 登坂保弘、渡邉昌崇、福士大地、矢野浩、中島成、電子情報通信学会論文誌 C、 J89-C, 559（2006）（21） J. Iihara, A. Yamaguchi, and K. Yamaguchi, SEI TECHNICAL REVIEW,
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Jpn. J. Appl. Phys. 47, 7886（2008）（25） H. Ichikawa, A. Kumagai, K. Hamada, A. Yamaguchi, and T.
Nakabayashi, Jpn. J. Appl. Phys. 48, 022201（2009）

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 29 ）−（26） H. Ichikawa, K. Hamada, A. Yamaguchi, and T. Nakabayashi, Jpn. J.
Appl. Phys. 48, 042101（2009）（27） H. Ichikawa, S. Matsukawa, K. Hamada, A. Yamaguchi, and T.
Nakabayashi, Jpn. J. Appl. Phys. 48, 052102（2009）（28） H. Ichikawa, K. Sasaki, K. Hamada, and A. Yamaguchi, Proc. Int.
Symp. Testing and Failure Analysis, 265（2008）（29） T. Kallstenius, J. Backstrom, U. Smith, and B. Stolts, J. Appl. Phys., 86,2397（1997）（30） P. De Wolf, M. Geva, T. Hantschel, W. Vandervorst, and R. B. Bylsma,
Appl. Phys. Lett. 73, 2155（1998）

執

筆

山口

者 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------章 ：シニアスペシャリスト
半導体技術研究所
コア技術研究部 部長
博士（工学）
窒化物半導体光デバイスの研究開発、
新規応用分野の開拓に従事­-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------−（ 30 ）− 半導体デバイスの材料解析