JP6780805B1 - 化合物半導体の結晶欠陥観察方法 - Google Patents

Abstract

ウルツ鉱構造の化合物半導体（１）のｃ面（０００１）上にゲート電極（３）が［２−１−１０］方向に沿って形成されたデバイスを（１０−１０）面で切り出して試料（４）を作成する。透過型電子顕微鏡により試料（４）に［−１０１０］方向から電子線（５）を入射させることで、バーガースベクトルが１／３［２−１−１０］，１／３［−２１１０］の刃状転位とバーガースベクトルが１／３［２−１−１３］，１／３［−２１１３］の混合転位を観察する。

Description

本発明は、透過型電子顕微鏡を用いた化合物半導体の結晶欠陥観察方法に関する。

最近、高出力・高効率の高周波デバイス及び青色発光デバイスの材質としてＧａＮが用いられるようになってきた。ＧａＮは、Ｓｉ及びＧａＡｓに比べ結晶欠陥が多い。従って、デバイスに悪影響を与える結晶欠陥の密度を低下させる努力がなされている。最近では積層欠陥及びマイクロパイプのような極端に質の悪い欠陥は無くなってきたが、転位と言われる線状の貫通転位は依然高密度で存在している。転位の種類と密度を把握しプロセスにフィードバックして転位密度を低下させることが重要である。

転位を観察する手法としてＫＯＨのエッチングを利用するエッチピット法がある。しかし、デバイスパターンが形成されていると観察が難しく、転位の種類の同定も簡便ではない。このため、透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと記載する。）を用いて転位を観察する手法が最も優れている。

ＴＥＭを用いて半導体デバイスの断面を高倍率で観察する手法を断面ＴＥＭと呼ぶ。電子を断面方向から入射させる必要があるため、一般的に観察用試料を薄片化する。薄片化した試料を銅又はモリブデン製のメッシュに取り付け、ＴＥＭ装置内にセットし、電子線を照射することで拡大像又は回折像を観察する。転位又は積層欠陥などの結晶欠陥がデバイスの特性と信頼性に大きく影響を与えるためＴＥＭによる解析が盛んに行われている。結晶欠陥の種類によりデバイスに与える影響も異なるため、単純に欠陥の存在を確認するだけでは不十分であり詳細な解析が必要である。

結晶欠陥は回折条件を変化させることにより電子顕微鏡の画面上で出現又は消滅する。このため、結晶構造、電子線の回折ベクトル、結晶のバーガースベクトルを考慮して結晶欠陥を観察する必要がある。デバイスの材料として用いられるＧａＮはウルツ鉱構造であり、ダイヤモンド構造のＳｉ及び閃亜鉛鉱構造のＧａＡｓに比べ結晶軸が垂直でないため解析が複雑である。ウルツ鉱構造の完全転位として刃状転位、螺旋転位、混合転位がある。ＴＥＭで各々の転位の種類を判別するためには、回折（反射）ベクトルを選別する必要がある（例えば、特許文献１参照）。

日本特開２０００−３４９３３８号公報

回折ベクトルを選別する際に試料をわずかに傾斜させる。５度以上傾斜させると晶帯軸が別の晶帯軸に移行してしまい従来の解析はできなくなる。ＧａＮの場合、刃状転位と混合転位のバーガースベクトルは三方向に向いている。回折ベクトルｇとバーガースベクトルｂの内積がゼロ（ｇ・ｂ＝０）の場合、透過型電子顕微鏡の画面から消滅して見えなくなる。このため、ウルツ鉱構造の化合物半導体に存在する転位を識別しながら観察することができないという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はウルツ鉱構造の化合物半導体に存在する転位を識別しながら観察することができる化合物半導体の結晶欠陥観察方法を得るものである。

本発明に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法は、ウルツ鉱構造の化合物半導体のｃ面（０００１）上にゲート電極が［２−１−１０］方向に沿って形成されたデバイスを（１０−１０）面で切り出して試料を作成する工程と、透過型電子顕微鏡により前記試料に［−１０１０］方向から電子線を入射させることで、バーガースベクトルが１／３［２−１−１０］，１／３［−２１１０］の刃状転位とバーガースベクトルが１／３［２−１−１３］，１／３［−２１１３］の混合転位を観察する工程とを備えることを特徴とする。

本発明では、ウルツ鉱構造の化合物半導体のｃ面（０００１）上にゲート電極が［２−１−１０］方向に沿って形成されたデバイスを（１０−１０）面で切り出して試料を作成し、透過型電子顕微鏡により［−１０１０］方向から電子線を入射させる。これにより、ウルツ鉱構造の化合物半導体に存在する転位を識別しながら観察することができる。

実施の形態１に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。 比較例に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。 実施の形態２に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。 実施の形態３に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。 図４の結晶構造をｃ軸に沿って上方向から観察した図である。 観察したい結晶欠陥を含むように切り出した厚膜試料を示す図である。 厚膜試料を通常のＴＥＭ用にさらに薄膜化した例を示す図である。 実施の形態４に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。 実施の形態４に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。 実施の形態４に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。 実施の形態５に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。 実施の形態５に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。 実施の形態６に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。

実施の形態に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。ウルツ鉱構造の化合物半導体であるＧａＮ１の単位格子が示されている。ＧａＮ１はｃ軸に対して垂直な３方向ａ１，ａ２，ａ３にそれぞれ結晶軸を有する。

ＧａＮ１の完全転位のバーガースベクトルは大きく分けて３種類ある。ｃ軸に垂直なバーガースベクトルの転位２ａ，２ｂ，２ｃは刃状転位と呼ばれる。ｃ軸方向のバーガースベクトルの転位２ｄは螺旋転位と呼ばれる。刃状転位と螺旋転位を合わせた転位２ｅは混合転位と呼ばれる。

転位２ｅは転位２ｂと同一面上にあり方向ａ１のプラス方法に傾斜しているが、逆にマイナス方向に傾斜した混合転位も存在する。転位２ａ，２ｃの面上にもマイナス方向に傾斜した混合転位が存在する。従って、混合転位は６種類存在する。

方向ａ１，ａ２，ａ３に垂直な面を総称してａ面（２−１−１０）と呼んでいる。ａ面（２−１−１０）から３０度回転した面を総称してｍ面（１０−１０）と呼んでいる。ＧａＮ ＨＥＭＴなどの一般的なＧａＮデバイスはｃ軸に垂直なｃ面（０００１）上に形成されている。ゲート電極３がＧａＮ１のｃ面（０００１）上で［２−１−１０］方向に沿って形成されている。簡略化のため図示していないが、通常、ドレイン電極とソース電極もゲート電極３と並行な方位で形成されている。

このデバイスを、ゲート電極３に対して斜めのｍ面（１０−１０）で切り出して試料４を作成する。透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと記載する。）により試料４に［−１０１０］方向から電子線５を入射させる。結晶の晶帯軸に正確に入射方向を合わせた後、ｃ軸を±ａ１方向にわずかに数度傾斜させ回折ベクトルの（−１２−１０）のスポットが励起されるように調整する。これにより、バーガースベクトルが１／３［２−１−１０］，１／３［−２１１０］の刃状転位とバーガースベクトルが１／３［２−１−１３］，１／３［−２１１３］の混合転位を観察する。なお、等価なバーガースベクトルを持つ転位も同様に観察することができる。

続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図２は、比較例に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。比較例では、デバイスを、ゲート電極３に垂直なａ面（２−１−１０）で切り出して試料４を作成する。そして、ＴＥＭにより試料４に、断面に対して垂直な［−２１１０］方向から電子線を入射させる。結晶の晶帯軸に正確に入射方向を合わせた後、ｃ軸を±ａ１方向にわずかに数度傾斜させ回折ベクトルの（０１−１０）のスポットが励起されるように調整する。これにより一部の刃状転位と混合転位が観察できるようになる。螺旋転位はバーガースベクトルｂと回折ベクトルｇの内積がゼロ（ｇ・ｂ＝０）となるため、透過型電子顕微鏡の画面上で消滅して観察できない。比較例では、刃状転位である転位２ｂ，２ｅも内積がゼロ（ｇ・ｂ＝０）となり観察できない。

これに対して、本実施の形態では、デバイスをゲート電極３に対して３０度傾けて切り出して試料４を作成し、試料４に［−１０１０］方向から電子線を入射させて転位を観察する。これにより、回折ベクトルｇとバーガースベクトルｂの内積がゼロ（ｇ・ｂ＝０）の消滅則を回避し、ウルツ鉱構造の化合物半導体に存在する全ての刃状転位と混合転位を識別しながら観察することができる。

なお、比較例でも電子線を３０度斜めから入射させれば、転位を観察することができる。しかし、最近のＴＥＭは高倍率で観察する機能を優先させ、高角度で試料４を傾斜できない場合も多い。これに対して本実施の形態の結晶欠陥観察方法は全てのＴＥＭに適用できる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。実施の形態１と同様に、ゲート電極３が、ウルツ鉱構造の化合物半導体であるＧａＮ１のｃ面（０００１）上で［２−１−１０］方向に沿って形成されている。本実施の形態では、比較例と同様に、デバイスを、ゲート電極３に垂直な（２−１−１０）面で切り出して試料４を作成する。

ＴＥＭにより試料４に、通常の観察方法と同様に［−２１１０］方向から電子線５を入射させると共に、顕微鏡内で試料４を回転させて６０度傾斜させた［−１−１２０］方向と［−１２−１０］方向からも電子線５を入射させて観察を行う。［−２１１０］方向から電子線５を入射させると、刃状転位２ｂはｇ・ｂ＝０を満足するため見えなくなる。

一方、試料４に［−１−１２０］方向から電子線５を入射させることで、バーガースベクトルが１／３［１１−２０］，１／３［−１−１２０］，１／３［１１−２３］，１／３［−１−１２３］の転位を透過型電子顕微鏡の画面上で消滅させ、バーガースベクトルが１／３［−２１１０］，１／３［２−１−１０］，１／３［−２１１３］，１／３［２−１−１３］の転位を出現させる。また、試料４に［−１２−１０］方向から電子線５を入射させることで、バーガースベクトルが１／３［１−２１０］，１／３［−１２−１０］，１／３［１−２１３］，１／３［−１２−１３］の転位を消滅させる。これにより、ａ１，ａ２，ａ３由来の転位のバーガースベクトルの方向を区別して同定することができる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。ゲート電極３が、ウルツ鉱構造の化合物半導体であるＧａＮ１のｃ面（０００１）上で［１０−１０］方向に沿って形成されている。ゲート電極３の形成方向が実施の形態１とは異なるが、一般的に形成方向はメーカー又は製造方式で異なる。このデバイスを、ゲート電極３に垂直な（１０−１０）面で切り出して試料４を作成する。

ＴＥＭにより試料４に、試料４に対して垂直な［−１０１０］方向から電子線５を入射させると共に、顕微鏡内で試料４を回転させて３０度傾斜させた［−１−１２０］方向と［−２１１０］方向からも電子線５を入射させて観察を行う。

試料４に［−１−１２０］方向から電子線５を入射することで、ｇ・ｂ＝０が満たされてバーガースベクトルが１／３［１１−２０］，１／３［−１−１２０］，１／３［１１−２３］，１／３［−１−１２３］の転位が透過型電子顕微鏡の画面上で消滅する。試料４に［−２１１０］方向から電子線を入射させることで、バーガースベクトルが１／３［−２１１０］，１／３［２−１−１０］，１／３［−２１１３］，１／３［２−１−１０］の転位が消滅する。これにより、ａ１，ａ２，ａ３由来の転位のバーガースベクトルの方向を区別して同定することができる。

実施の形態４．
図５は、図４の結晶構造をｃ軸に沿って上方向から観察した図である。従来、観察したい結晶欠陥６が存在する位置は、デバイスの状態で電気的に動作させ、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）、光ビーム加熱抵抗変化（ＯＢＩＲＣＨ）又は発熱解析により特定していた。そして、ＦＩＢなどを用いて当該箇所を切り出して試料４を作成する。通常のＴＥＭの場合、電子線の加速電圧が７０ｋＶから３００ｋＶのため、電子線が試料４を透過するためには０．０２μｍから０．３μｍの薄膜化が必要である。ＥＬ、ＯＢＩＲＣＨ、発光観察とＦＩＢ加工の位置合わせ精度が１μｍ程度のため、観察したい箇所を切り落としてしまう場合があった。

結晶欠陥６を確実に観察するため、超高圧電子顕微鏡を用いることが有効である。超高圧電子顕微鏡は電子の加速電圧が１ＭＶ以上の電子顕微鏡であり、現存するものでは最大３ＭＶの加速が可能である。電子の透過力が高いため、ＧａＮの場合、３μｍ厚の試料４でも透過して観察することができる。従って、確実に観察したい領域を取り出して観察することができる。

図６は、観察したい結晶欠陥を含むように切り出した厚膜試料を示す図である。この厚膜試料４ａに例えば［−１０１０］方向から１ＭＶ以上の電子線を入射させて観察を行う。結晶欠陥６の位置はステレオ法などで特定できる。位置を特定した後にＦＩＢにより厚膜試料４ａの薄膜化を行う。図７は、厚膜試料４ａを通常のＴＥＭ用にさらに薄膜化した例を示す図である。薄膜化することで、原子像を観察できる程度の超高分解能観察、バーガースベクトルの詳細解析、エネルギー損失分光による分析が可能になる。

図８から図１０は、実施の形態４に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。図８に示すように、ウルツ鉱構造であるＧａＮのｃ面（０００１）上にゲート電極３が［１０−１０］方向に沿って形成されたデバイスを製造する。次に、図９に示すように、デバイスを（２−１−１０）面で切り出して厚み０．１μｍから５μｍの厚膜試料４ａを作成する。

超高圧電子顕微鏡により厚膜試料４ａを観察して、ステレオ法などにより結晶欠陥６の場所を特定する。その後、（−２１１０）面が表れるように厚膜試料４ａを斜めに薄膜化して、図１０に示すように薄膜試料４ｂを作成する。

ＴＥＭにより薄膜試料４ｂに［−１２−１０］，［−２１１０］，［−１−１２０］の三方向から電子線を入射して結晶欠陥６を観察する。これにより、図５から図７の方法では消滅させることができなかったａ２由来の転位も消滅させることができる。従って、ａ１，ａ２，ａ３由来の転位を各々消滅させて、全ての刃状転位と混合転位のバーガースベクトルの方向を区別して同定することができる。

実施の形態５．
図１１及び図１２は、実施の形態５に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。図１１に示すように、ウルツ鉱構造の化合物半導体であるＧａＮ１のｃ面（０００１）上に形成されたデバイスをゲート電極３に平行に切り出して、厚み０．１μｍから５μｍの試料４を作成する。通常の薄膜化方法では、切り出した試料４を平行に薄膜化する。一方、本実施の形態では、図１２に示すように、一つの試料４において異なる３方向以上の面方位を持つ複数の薄片を形成する。ここでは、（１１−２０）、（−１２−１０）、（−２１１０）の３方向の面方位を持つ薄片を一つの試料４に形成している。ＴＥＭにより複数の薄片の結晶欠陥を観察してバーガースベクトルを解析する。これにより、複数の試料４を作製する場合に比べて、試料作製の手間とＴＥＭへの試料セットの手間を削減することができる。

実施の形態６．
図１３は、実施の形態６に係る化合物半導体の結晶欠陥観察方法を示す図である。ゲート電極３が、ウルツ鉱構造の化合物半導体であるＧａＮ１のｃ面（０００１）上でｍ面（１０−１０）に垂直な［１０−１０］方向に沿って形成されている。

ウルツ鉱構造には、これまでの実施の形態で述べた完全転位とは別に部分転位が存在しる。代表例は、バーガースベクトルｂが１／３［１０−１０］，１／３［０２−２３］，１／３［２０−２３］，１／２［０００１］の部分転位７ａ〜７ｄである。ゲート電極３に対して垂直面で切り出して試料４を作成して、電子線を垂直に入射すると、部分転位７ａ，７ｃが消滅し見えない。

これに対して、本実施の形態では、上記のデバイスをゲート電極３に対して３０度傾斜させたａ面（２−１−１０）で切り出して試料４を作成する。これにより、ＴＥＭにより試料４のバーガースベクトルが１／３［１０−１０］，１／３［２０−２３］の部分転位７ａ，７ｃを観察することができる。

なお、実施の形態１−６において代表的なバーガースベクトルの解析方法について述べたが、等価な他のバーガースベクトルについても同様の手法で解析を行うことができる。また、ウルツ鉱構造のバーガースベクトルの解析方法について述べたが、他の結晶構造でも同様の手法を用いて解析を行うことができる。

１ ＧａＮ、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ 転位、３ ゲート電極、４ 試料、４ａ 厚膜試料、４ｂ 薄膜試料、５ 電子線、６ 結晶欠陥、７ａ〜７ｄ 部分転位

Claims (3)

1. ウルツ鉱構造の化合物半導体のｃ面（０００１）上にゲート電極が［２−１−１０］方向に沿って形成されたデバイスを（１０−１０）面で切り出して試料を作成する工程と、
   透過型電子顕微鏡により前記試料に［−１０１０］方向から電子線を入射させることで、バーガースベクトルが１／３［２−１−１０］，１／３［−２１１０］の刃状転位とバーガースベクトルが１／３［２−１−１３］，１／３［−２１１３］の混合転位を観察する工程とを備えることを特徴とする化合物半導体の結晶欠陥観察方法。
2. ウルツ鉱構造の化合物半導体のｃ面（０００１）上にゲート電極が［１０−１０］方向に沿って形成されたデバイスを（２−１−１０）面で切り出して厚み０．１μｍから５μｍの厚膜試料を作成する工程と、
   電子の加速電圧が１ＭＶ以上の超高圧電子顕微鏡により前記厚膜試料を観察して結晶欠陥の場所を特定した後、（−２１１０）面が表れるように前記厚膜試料を斜めに薄膜化して薄膜試料を作成する工程と、
   透過型電子顕微鏡により前記薄膜試料に電子線を入射して前記結晶欠陥を観察する工程とを備えることを特徴とする化合物半導体の結晶欠陥観察方法。
3. ウルツ鉱構造の化合物半導体のｃ面（０００１）上にゲート電極が［１０−１０］方向に沿って形成されたデバイスを（２−１−１０）面で切り出して試料を作成する工程と、
   透過型電子顕微鏡により前記試料のバーガースベクトルが１／３［１０−１０］，１／３［２０−２３］方向の部分転位を観察することを特徴とする化合物半導体の結晶欠陥観察方法。

Images