JP2009054771A

JP2009054771A - 半導体結晶の欠陥評価方法及び評価装置

Info

Publication number: JP2009054771A
Application number: JP2007219745A
Authority: JP
Inventors: Michio Tajima; 道夫田島
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2009-03-12

Abstract

【課題】ワイドギャップ半導体で構成される半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を高速で非破壊的に高精度で評価する方法を提供する。
【解決手段】半導体試料に光を照射して、半導体試料によりフォトルミネッセンス光を放出させる工程、及び、放出されたフォトルミネッセンス光を観察して、半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を得る工程を含み、半導体試料を構成する半導体が、ワイドギャップ半導体であり、半導体試料に照射する光が、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する、半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を評価する方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体基板の評価方法及び評価装置に関し、特に、低損失電力デバイス等に用いられる炭化珪素（SiC）などの半導体基板の結晶構造欠陥の二次元的な分布を、高速で非破壊的に高精度で評価することを可能にする、半導体基板の評価方法及び評価装置に関する。

エネルギー・環境問題への関心の高まりから、低損失電力デバイスの開発が国家プロジェクトとして採り上げられるなど、急務となっている。
このような用途に使用可能な材料として、シリコン（Si）、砒化ガリウム（GaAs）等の従来の半導体デバイス用材料の物性的限界を超える半導体と考えられている「ワイドギャップ半導体」と呼ばれる禁制帯幅エネルギーの大きい半導体が大きな注目を集めている。
この「ワイドギャップ半導体」のうち、昨今特に、学術的には半導体に含まれるが、「半絶縁性」と区別的に呼ばれることもある炭化珪素（SiC）のウエハを使用してのデバイス作製が活発化してきている。SiCの持つ半絶縁性という特徴は、ウエハ中の点欠陥やバナジウム不純物が形成する深い準位によって、浅い準位を形成する残留不純物を補償することにより得られている。
物性的性質が優れている炭化珪素（SiC）は最も有望な次世代低損失電力デバイス用半導体材料であるが、結晶の品質が現在主流のシリコン（Si）に比べて劣っており、高品質化（低欠陥密度化）が課題である。炭化珪素（SiC）ウエハを用いたデバイス作製の活発化に呼応して、近年、SiCウエハを高精度に評価したいとの要請が強くなってきた。

上記のような要請に対し、従来開発されていた評価方法としては、代表的に、１）光散乱法、２）エッチング法、３）X線トポグラフィー法、４）透過電子線回折法、５）フォトルミネッセンス法、が知られている。そこで以下、これらに関し、個々に説明する。
１）光散乱法：この方法は、ウエハに光を透過させることにより、結晶構造欠陥による光散乱を測定するもので、SiCウエハに対しては可視及び赤外領域の光が用いられ、SiCウエハを透過する光が欠陥により散乱され結晶欠陥を検出する手法である。この方法は、非破壊検査という特長があるが、この方法によって欠陥の存在は確認できても、欠陥の種類まで同定することは難しい。
２）エッチング法：この方法は、溶融水酸化カリウム（KOH）にSiCウエハを浸すことにより、結晶構造欠陥部分をエッチングして可視化する手法である。この方法は、マイクロパイプ、転位、積層欠陥、インクルージョン等の結晶構造欠陥の２次元密度分布を調べる手段として最も一般に使用されている。しかしながら、この方法は破壊試験であるため、評価したウエハそのものを使ってデバイスを作ることはできず、評価を行う場合には必ず高価なウエハを犠牲にしなければならない。また、この方法は、500℃に加熱した劇薬のKOHを使う必要があり、安全面でも問題がある。さらに、この方法では、点欠陥の密度分布まではわからいない。
３）X線トポグラフィー法：この方法は、X線回折を用いるものである。この方法によれば、エッチング法と同様、転位、積層欠陥、インクルージョン等の結晶構造欠陥の２次元密度分布がわかるが、点欠陥の密度分布まではわからない。この方法は、非破壊という特長をもつが、試料の反り等の形状が評価へ大きく影響する。さらに、この方法を用いて高精度の評価を行うには、数時間の測定あるいは、シンクトロン放射光のような大型特殊施設による高強度のX線源の使用が必要になる。
４）透過電子線回折法：この方法は、結晶構造欠陥に関しては非常に分解能が高いが、この方法を用いて半導体ウエハ全体のマッピングを行うことは、現実的には不可能である。また、この方法は破壊試験である。

５）フォトルミネッセンス法：この方法は、次のような原理を利用したものである。
図１は、フォトルミネッセンス過程の発生するメカニズム自体を説明するものであって、SiCのエネルギー・バンド構造を模式的に示しており、価電子帯１と伝導帯２の間の禁制帯３中には、深い準位４と浅い準位５が例示されている。
こうした材料に禁制帯３の幅よりも大きな光子エネルギーを持つ光が照射されると、価電子帯１から伝導帯２に亘る太目の矢印１０で示したように、帯間吸収過程で過剰な電子−正孔対が生成され、これによって伝導帯２中に叩き上げられた電子の中、一部は矢印６によって示される捕獲過程で浅い準位５に、また他の一部は同様に矢印８によって示される捕獲過程で深い準位４に捕えられる。
これらの電子が矢印７、９で示されるように、価電子帯１中の正孔と再結合する過程で光を発生する事象が一般にフォトルミネッセンスと呼ばれ、このフォトルミネッセンスにより発生した光を分光分析すると、当該フォトルミネッセンス光の発光の原因となった準位の種類が特定でき、かつまた、その強度解析により、各特定した準位の濃度を知ることができる。
ただし、実際のフォトルミネッセンスでは、禁制帯幅エネルギーよりもやや小さな光子エネルギー領域に、図１中の矢印７で示される過程による浅い準位の存在に基づく発光の外、励起子発光、帯間遷移発光等、バンド端近傍発光と総称される発光現象が認められるが、一般には、上記浅い準位５の存在に基づく発光過程をして、これらバンド端近傍発光を代表させるのが通常である。
上記１）〜４）の従来法に比べて、フォトルミネッセンス法は、照射光を絞り込むことにより、ウエハ面上の微小領域の評価を行うことができ、深さ方向にもデバイス作製用活性領域に対応した極めて浅い領域での一応の評価を行うことができる点で、非破壊、非接触法であるすぐれた特長をもっている。
しかしながら、これまでのフォトルミネッセンス法によるウエハ１枚当りの測定時間は、典型的な口径５０ｍｍのウエハの場合で約３０分間程度以上であって、数多くのウエハを迅速に評価することは事実上不可能であり、統計的に信頼性の高いデータを得るには至っていないのが実情であった。

特開２００６−１４７８４８号公報特開２００６−３４９４８２号公報 R.E. Stahlbush, K.X. Liu, Q. Zhang and J.J. Sumakeris: "Whole-Wafer Mapping of Dislocations in 4H-SiC Epitaxy" Mater. Sci. Forum, Vol. 556-557, pp. 295-298 (2007) 長野正裕，鎌田功穂，土田秀一：「UV-LED, 2D-CCDを用いた4H-SiCの転位・積層欠陥のPLマッピング観察」，SiC及び関連ワイドギャップ半導体研究会第15回講演会，P-18, p. 48 (2006) M. Tajima, E. Higashi, T. Hayashi, H. Kinoshita and H. Shiomi: "Nondestructive characterization of dislocations and micropipes in high-resistivity 6H SiC wafers by deep-level photoluminescence mapping," Appl. Phys. Lett., Vol. 86, No. 5, pp. 061914-1 - 061914-3 (2005)

現状のSiCの結晶性は、SiやGaAsに比べると非常に劣っている。このため、SiCウエハ中には、「マイクロパイプ」と呼ばれる直径がサブミクロン程度の巨大な空洞、結晶の規則的な原子配列のずれである「転位」、さらには結晶格子の積層構造の乱れである「積層欠陥」などの結晶構造欠陥が、数多く存在している。これらの結晶構造欠陥は、デバイスの特性、歩留り、及び信頼性に悪影響を与えるおそれがあるため、その低減化が最大の課題となる。また、上記の深い準位の原因となる点欠陥や不純物の分布は、結晶構造欠陥の分布に左右される。さらには、デバイス活性領域に結晶構造欠陥が存在すると、そのデバイスは動作不良を起こす可能性が極めて高くなる。
現状の技術では、ウエハ内にかなり高い密度で結晶構造欠陥が存在し、しかもその分布は極めて不均一であり、実際にもSiCウエハ上に構築された電子デバイスの特性にかなりばらつきを生み、結局は素子の歩留まりを低下させるのみならず、高信頼性、高性能化を図る上での大きな障害となっていた。
こうしたことから、この種の分野では、SiCウエハの結晶内における結晶構造欠陥の評価、特にウエハ面内に沿う結晶構造欠陥の密度分布を、迅速に、高い空間分解能で、簡便に検出したいとの要求が強くなされるに至ったのである。特に欠陥評価の迅速性については、インゴットから切り出したウエハの全数チェックなどの目的では、１枚当り１分程度以内で測定することが要求されている。
したがって、本発明は、SiCウエハなどのワイドギャップ半導体で構成される半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を高速で非破壊的に高精度で評価する方法および装置を提供することを目的とするものである。

本発明者は、発明者は、SiCウエハなどのワイドギャップ半導体で構成される半導体試料からのフォトルミネッセンスを得る場合に、励起光として、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光を用いることも可能であるとの知見に基づき、本発明に到った。
上記従来技術では、図１中の矢印９で示されるフォトルミネッセンス光の強度に着目していた。
これに対し、本発明者は、図２に示すように、深い準位１４には励起帯１５が存在し、図２の矢印１６に示されるように、バンドギャップ１３に対応するエネルギーよりも小さいエネルギーをもつ光によって価電子帯にある電子を深い準位１４に直接叩き上げられることができるとの知見に基づき、本発明に到ったものである。
バンドギャップよりも小さいエネルギーの光による励起が可能であるということは、励起光源として、従来法において使用されていたような紫外線に代えて、可視光を使用することが可能となることを意味する。励起光源として、紫外線に代えて可視光を使用することは、
(1) 光学系に通常の可視光領域の光学部品が使用でき、装置が単純になる点、
(2) 紫外線はウエハ表面上のゴミや、フィルタ、レンズ等の光学部品からも蛍光(これもフォトルミネッセンス)を誘起させてしまいノイズの原因となるが、可視光ではそのようなことがない点、
(3) 可視光のほうが目に見えない紫外線よりも扱う上で安全である点、
で、メリットがある。
そして、可視光の発光ダイオードアレイを用いてウエハ全面を均一強度で照射し、ウエハから発せられる深い準位のフォトルミネッセンス像を高感度CCDカメラで撮ることにより、ウエハ全面の強度分布を得ることができる。本発明では、従来法のようにレーザーを走査してウエハの1点1点を測定するわけではないので、測定時間が大幅に短縮される。

すなわち、本発明は、半導体試料に光を照射して、半導体試料によりフォトルミネッセンス光を放出させる工程、及び、放出されたフォトルミネッセンス光を観察して、半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を得る工程を含み、半導体試料を構成する半導体が、ワイドギャップ半導体であり、半導体試料に照射する光が、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する、半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を評価する方法を提供する。
本発明の方法において、半導体試料に照射する光が可視光であるのが好ましい。
また、本発明の方法において、半導体が炭化珪素であり、結晶構造欠陥が、マイクロパイプ欠陥、転位、積層欠陥及びインクルージョンのいずれかを含むものとすることもできる。
さらに、本発明は、半導体試料に光を照射して、半導体試料によりフォトルミネッセンス光を放出させるための光源、放出されたフォトルミネッセンス光を観察するための、観察手段、及び、観察されたフォトルミネッセンス光から、半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を得る、欠陥分布評価手段を備え、光源が、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光を照射する、ワイドギャップ半導体により構成される半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を評価するための装置を提供する。
本発明の装置において、光源が可視光を照射するのが好ましい。
バンドギャップよりも小さいエネルギーの光を励起光として利用する本発明の方法では、通常の可視光励起でフォトルミネッセンス強度分布を得ることができる。可視光励起であるため、光学系が単純になり、試料以外からの発光成分(ノイズ)が少なく、鮮明な像が得られる。

本発明において、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光として、どのような波長を有する光を使用するかについては、図２に示されている浅い準位１８及び深い準位１４に注目すればよい。
深い準位１４は一般に、図２において浅い準位１８よりも深い（図２の下方）ところからバンドギャップ１３の中央付近(「ミッドギャップ準位」と呼ばれることもある。)にかけてのエネルギー領域に存在する。例えば、ワイドギャップ半導体としてSiCが使用されている半導体試料についてみると、そのような深い準位を矢印１６のように励起するためには、SiCのバンドギャップエネルギーが約3.2 eV程度であることを考慮し、SiCについて知られている最も浅い準位が伝導帯下端より約0.1 eVであることに鑑みれば、ミッドギャップ準位から最も浅い準位より約0.1 eV深い準位まで、すなわち、約1.6−3.0 eV程度の光子エネルギーを持つ光（波長400−800 nm程度）を、励起光として使用すればよいことになる。上記浅い準位１８は、ワイドギャップ半導体の種類によらず、伝導帯下端よりも0.1 eV程度深いところにあると考えられるため、本発明において、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光としては、バンドギャップよりも0.2 eV程度小さいエネルギーを有する光を有効に使用しうると考えられる。このように、本発明によれば、ほぼ可視光領域の光を好適に使用することができる（可視光領域の波長領域は400−700 nmである）。
また、深い準位の光学遷移には殻内遷移と呼ばれる深い準位の作る電子殻準位間の遷移がある。この場合には、図２のように伝導帯、価電子帯と直接電子・正孔をやり取りすることはなくなるが、光励起過程１６に相当する電子殻準位間のエネルギーはおよそ１eV程度以上である。したがって、励起に用いることのできる光の光子エネルギーは前述の範囲1.6−3.0 eVに加えて1.0−3.0 eV（波長400−1200 nm）程度となる。つまり、このような殻内遷移による発光を示す深い準位を対象とする場合には、励起光の長波長側は1200 nm程度の近赤外領域まで拡張することで対応できる可能性がある。
なお、深い準位からの発光（矢印１７）の光子エネルギーは、フォノン放出を伴うために、励起に必要なエネルギーの最小エネルギー（価電子帯から励起帯１５の最下端までのエネルギー）よりも小さくなる。
例えば、従来法が対象としていたウエハと同種のSiC無添加半絶縁性ウエハを評価する場合、ピークが光子エネルギー1.3 eV（波長 950 nm）の深い準位の発光帯を測定対象とすることになる。ウエハの種類によっては他の発光帯を対象とすることが可能と思われる。このような発光帯の例としては、深いほう素アクセプタあるいはチタンに起因する2.5 eV（波長 500 nm）発光帯、原因は不明であるが一般的に良く現れる 1.8 eV（波長 690 nm）発光帯、UD3と呼ばれている欠陥起因の 1.35 eV（波長 920 nm）発光帯などが考えられる。また、各々の発光センターの励起帯に合わせて励起光の波長を選択し、各々の発光成分をバンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ）の透過域の波長を調節することにより選別して検出することも可能であると考えられる。

本発明によれば、僅か 100秒以下でSiCウエハ全面の欠陥分布を知ることが出来る。欠陥の発生状況を結晶の育成条件と対比させ、結晶育成条件の最適化を図るのに役立つ。非破壊・非接触測定であるので、ウエハ出荷前に全数検査することも可能である。これにより、ウエハ内の欠陥部位(不良箇所)を予め知ることができるので、デバイスプロセスに反映させることができ、ウエハの付加価値を高めることができる。また、デバイスの各プロセス毎に欠陥分布を測定し、欠陥の発生状況を知り、プロセス改善に役立つ。
本発明の思想は、SiCだけでなく他のワイドギャップ半導体、例えば窒化ガリウム（GaN）、酸化亜鉛（ZnO）などにも適用できると思われる。GaNではイエローバンドと呼ばれる波長 580 nm付近にピークを持つ深い準位の発光帯が知られているが、これに対しバンドギャップ以下の光、例えば緑青色（波長 480-500 nm）を励起光に用いてPLイメージングを取得できる可能性がある。

図３は、本発明による評価方法に用いる装置構成例の概略構成図である。
１１は評価対象であるSiCウエハ試料である。試料１１の形状は、円形、矩形等、任意の形状でよい。試料１１の表面は平坦であるのが望ましいが、ＰＬ光の観察に使用するカメラの焦点の合う範囲内の凹凸は、許容範囲である。
試料半導体基板１１に対して光を照射するための励起光源１４としては、SiCの禁制帯幅よりも小さなエネルギーの可視光（波長400 nm〜700 nm）光源、例えば発光ダイオードアレイを用いることができる。光源１４として、レーザーやレーザーダイオードを用いることも可能である。光源１４には赤外線カットフィルタ等のフィルタ１５を取り付けておくのが望ましい。
試料半導体基板１１から放出されたフォトルミネッセンス光を観察するためのPL光の検出器１６としては、例えば電子冷却CCDカメラを用いることができる。検出器１６の対物レンズ１７の前には、光源１４の励起光はカット（例えば、波長900 nm以下をカット）するが、試料半導体基板１１からのPL光は透過するような、帯域通過フィルタ１８を設置するのが望ましい。例えば、1.3 eV（波長950 nm）発光帯を検出する場合には透過波長帯域が、915 - 975 nmの帯域通過フィルタを用いる。
さらに、試料半導体基板１１のPL光は通常試料半導体基板１１自体を透過することができる。したがって、試料半導体基板１１の裏面側から光源１４により光を照射し、試料半導体基板１１の表面側に設置したカメラ等の検出器１６によりPL像を撮影する、という態様とすることも可能である。
なお、評価対象である試料半導体基板１１を、プラスチックシャーレのような容器に満たされたエッチング液（図示せず）中に浸漬して評価を行うことにより、エッチング液による基板のキャリアの表面再結合抑制効果を利用して、基板のPL分布を一層正確に測定することも可能であると思われる。

図３の装置構成において、励起光源１４として発光ダイオードアレイを、検出器１６として電子冷却CCDカメラを、それぞれ使用して、試料半導体基板１１からのPL光を観察した。
試料半導体基板１１として、無添加半絶縁性でポリタイプ（繰り返し周期の違いによる結晶多形）が６H構造で口径が 50 mmのSiCウエハを使用した。
上記発光ダイオードアレイは、Philips Lumileds Lighting Company製Luxeon V Star（波長５００ｎｍ）を１４個使用した。発光ダイオードアレイ１４の前面には、赤外カットフィルタ１５（波長６００ｎｍ以降をカット）を設置した。
上記電子冷却CCDカメラ１６は、画素数が１０２４×１０２４、動作温度が−７０℃の、赤外増感型のものを使用した。また、電子冷却CCDカメラ１６のレンズは、焦点距離２５ｍｍ、Ｆ１．４の工業用レンズを使用した。このレンズの前面に、915 - 975 nmの波長領域を透過する帯域通過フィルタ１８を設置した。
以上の構成により、試料１１からは光子エネルギー1.3eV(波長950nm)のところにピークを持つ深い準位の発光帯が現れることが確認された。この発光は、通常市販されているSiC無添加半絶縁性ウエハでは一般的によく観測されるものであって、点欠陥の１種である空格子に起因するものである。他の深い準位の発光が現れる試料では、その深い準位の違いに応じて、図３の装置の励起光源１４および帯域通過フィルタ１８の波長を調節して、測定すべき発光帯を抽出する。
上記の1.3 eV発光帯のＰＬ像を、電子冷却CCDカメラにより撮影した結果を図４に示す。露光時間は僅か100秒であったが、SiCウエハ内の結晶構造欠陥の二次元的な分布を鮮明に観察することができた。

［比較例］
比較のため、同一試料について、上記特許文献１（特開２００６−１４７８４８号公報）に記載されている方法により、紫外線レーザー走査によってウエハ全面PLマッピングを測定した結果を図５に示す。この場合の測定時間は約30分間であった。
実施例と比較例とは、いずれにおいても全く同一のPLパターンが得られており、エッチングで観察した結果との比較より、マイクロパイプは大型の暗点として、また転位は暗い線状パターンとして現れていることがはっきりと確認された。
このように本発明では、従来法の約1/20の時間で、しかも単純な装置構成で、同等の情報が得られることが分かる。ここで言う従来法も一般に用いられているエッチング法やＸ線トポグラフィ法に比べれば格段に優れているが、本発明はさらにそれを凌駕する画期的な手法といえる。
もちろん、本発明による以上の方法原理、装置構成からして、SiC以外の各種半導体に対しても本発明が有効利用できることは明らかである。

従来法の原理を示す説明図である。本発明の原理を示す説明図である。本発明による評価方法に用いる装置構成例の概略構成図である。本発明の方法により得られたＰＬ像である。比較例の方法により得られたＰＬ像である。

符号の説明

２１試料半導体基板
２２励起光源
２３赤外線カットフィルタ
２４検出器
２５帯域通過フィルタ

Claims

半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を評価する方法であって、
前記半導体試料に光を照射して、該半導体試料によりフォトルミネッセンス光を放出させる工程、及び、
放出されたフォトルミネッセンス光を観察して、前記半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を得る工程、
を含み、
前記半導体試料を構成する半導体が、ワイドギャップ半導体であり、
前記半導体試料に照射する光が、前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する、
ことを特徴とする、前記評価方法。
前記半導体試料に照射する光が可視光であることを特徴とする、請求項１に記載の評価方法。
前記半導体が炭化珪素であり、前記結晶構造欠陥が、マイクロパイプ欠陥、転位、積層欠陥及びインクルージョンのいずれかを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の評価方法。
ワイドギャップ半導体により構成される半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を評価するための装置であって、
前記半導体試料に光を照射して、該半導体試料によりフォトルミネッセンス光を放出させるための光源、
放出されたフォトルミネッセンス光を観察するための、観察手段、及び、
観察されたフォトルミネッセンス光から、前記半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を得る、欠陥分布評価手段、
を備え、
前記光源が、前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光を照射する、
ことを特徴とする、前記評価装置。
前記光源が可視光を照射することを特徴とする、請求項４に記載の評価装置。