JP2009057233A - 化合物半導体基板の評価方法および製造方法ならびに化合物半導体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】高品質の窒化ガリウム系化合物半導体基板を製造するために、ラマン分光法を用いて、窒化ガリウム膜についての微小の結晶欠陥を高精度かつ簡便に行うことができる化合物半導体基板の評価方法および製造方法ならびに化合物半導体基板を提供する。
【解決手段】窒化ガリウム膜を含む化合物半導体基板について、前記窒化ガリウム膜に、励起波長３５０〜８００ｎｍの単色光を照射した際に得られる散乱光のラマン分光スペクトルの波数５６５〜５７０ｃｍ^-1の領域における主ピークと、波数１００〜７００ｃｍ^-1の結晶欠陥に起因するサブピークとが出現することにより、窒化ガリウム膜における結晶欠陥の存在を確認する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高品質の窒化ガリウム系化合物半導体基板を提供するために利用することができる、ラマン分光法を用いた化合物半導体基板の評価方法および製造方法ならびに化合物半導体基板に関する。

窒化ガリウムは、広いバンドギャップを有しており、高い電子移動度、高い耐熱性等の優れた特性を有する化合物半導体として、発光ダイオード、レーザ発光素子、また、高速高温動作可能電子素子等への応用が期待されている材料である。
この窒化ガリウム膜を含む多層膜により構成される半導体基板を用いて、長時間にわたって高い信頼性で、上記のような性能を発揮する半導体素子を作製するためには、結晶欠陥が少なく、クラックが生じない窒化ガリウム膜を歩留よく形成することが求められる。

上記のような高品質の窒化ガリウム膜を得るためには、この窒化ガリウム膜中の結晶欠陥の存在を高精度で評価することが重要である。
従来から、窒化ガリウム膜の結晶性の評価には、ラマン分光法が用いられており、例えば、特許文献１には、窒化ガリウム系半導体発光素子の積層構造の全層にわたる平均的なＥ２フォノンモードのラマンシフト量を測定することにより、平均的な格子歪み量を評価する方法が開示されている。
特開２００５−３２２９４４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された評価方法は、素子を構成した後に、励起光を照射してラマン分光法を適用するものであり、このような素子の積層構造全体についての測定では、窒化ガリウム膜のみについての結晶欠陥の存在を高精度で評価することは困難であった。

したがって、窒化ガリウム系化合物半導体基板の品質の向上を図る上では、多層膜により構成される前記化合物半導体基板の窒化ガリウム膜についての微小の結晶欠陥を高精度かつ簡便に評価することができる方法が求められていた。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、高品質の窒化ガリウム系化合物半導体基板を製造するために、ラマン分光法を用いて、窒化ガリウム膜についての微小の結晶欠陥を高精度かつ簡便に行うことができる化合物半導体基板の評価方法、および製造方法ならびに化合物半導体基板を提供することを目的とするものである。

本発明に係る化合物半導体基板の評価方法は、窒化ガリウム膜を含む化合物半導体基板について、前記窒化ガリウム膜に、励起波長３５０〜８００ｎｍの単色光を照射した際に得られる散乱光のラマン分光スペクトルの波数５６５〜５７０ｃｍ^-1の領域における主ピークと、波数１００〜７００ｃｍ^-1の結晶欠陥に起因するサブピークとが出現することにより、窒化ガリウム膜における結晶欠陥の存在を確認することを特徴とする。
上記評価方法によれば、ラマン分光スペクトルにおいて、ピークの出現の確認のみで、微小な結晶欠陥の存在の有無を、高精度かつ簡便に評価することができる。
前記単色光の励起波長は、好ましくは、４５０〜６５０ｎｍである。

上記評価方法においては、より高精度でのピーク検出の観点から、前記サブピークは、１．９〜２．４ｅＶのエネルギーを有する可視光レーザを用いた共鳴分析により検出することが好ましい。

また、本発明に係る化合物半導体基板の評価方法においては、前記主ピークの強度Ｉ_mに対する前記サブピークのうちの最も高い強度Ｉ_dの比Ｉ_d／Ｉ_mが０．５未満である場合、結晶欠陥が少ない高品質の窒化ガリウム膜とみなすことを特徴とする。
上記のようなピーク強度の関係を有している場合、結晶欠陥が少ない高品質の窒化ガリウム膜が得られ、窒化ガリウム膜形成の歩留が良好となる。

また、本発明に係る化合物半導体基板の製造方法は、基板上に窒化ガリウム膜を含む多層膜を積層させた化合物半導体基板を作製する工程と、前記窒化ガリウム膜に、励起波長３５０〜８００ｎｍの単色光を照射した際に得られる散乱光のラマン分光スペクトルの波数５６５〜５７０ｃｍ^-1の領域における主ピークと、波数１００〜７００ｃｍ^-1の結晶欠陥に起因するサブピークとが出現することにより、窒化ガリウム膜における結晶欠陥の存在を確認する工程と、前記主ピークの強度Ｉ_mに対する前記サブピークのうちの最も高い強度Ｉ_dの比Ｉ_d／Ｉ_mが０．５未満である場合、結晶欠陥が少ない高品質の窒化ガリウム膜とみなす工程とを備えていることを特徴とする。
このように、化合物半導体基板の製造方法において、本発明に係る化合物半導体基板の評価方法による評価工程を備えることにより、後工程において良好なデバイス形成が可能である高品質の化合物半導体基板を提供することができる。

また、本発明に係る化合物半導体基板は、窒化ガリウム膜を含む化合物半導体基板であって、前記窒化ガリウム膜が、励起波長３５０〜８００ｎｍの単色光を照射した際に得られる散乱光のラマン分光スペクトルの波数５６５〜５７０ｃｍ^-1の領域における主ピークの強度Ｉ_mと、波数１００〜７００ｃｍ^-1の結晶欠陥に起因するサブピークのうちの最も高い強度Ｉ_dとの比Ｉ_d／Ｉ_mが０．５未満を満たすものであることを特徴とする。
このような構成を備えた化合物半導体基板は、後工程において良好なデバイス形成が可能である。

上述したとおり、本発明に係る化合物半導体基板の評価方法によれば、窒化ガリウム膜を含む化合物半導体基板において、ラマン分光法を用いて、高精度かつ簡便に、窒化ガリウム膜についての結晶欠陥の評価を行うことができる。
したがって、本発明に係る評価方法は、窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造における品質および歩留の向上に寄与し得るものである。

以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係る化合物半導体基板の評価方法は、窒化ガリウム膜を含む半導体基板について、ラマン分光法を用いて、窒化ガリウム膜の結晶欠陥の存在を評価するものである。
そして、本発明は、前記窒化ガリウム膜に、励起波長３５０〜８００ｎｍの単色光を照射し、その際得られる散乱光のラマン分光スペクトルのうち、波数５６５〜５７０ｃｍ^-1の領域における主ピークと、波数１００〜７００ｃｍ^-1の領域における結晶欠陥に起因するサブピークとが出現した場合、窒化ガリウム膜に結晶欠陥が存在すると確認することに特徴を有するものである。

図１に、下記実施例において測定した窒化ガリウム膜のラマンスペクトルを示す。
ここで、前記主ピークとは、図１に示したスペクトルにおいては、Ｅ_2H、すなわち、ウルツ型結晶構造の窒化ガリウムに見られる波数５６７．６ｃｍ^-1のピークに相当し、波数５６５〜５７０ｃｍ^-1の領域αに出現するスペクトルピークをいう。
また、前記サブピークは、窒化ガリウムの結晶欠陥に起因するものであり、波数１００〜７００ｃｍ^-1の領域内に出現するスペクトルピークのうち、ウルツ型結晶構造の窒化ガリウムに起因する波数１４４．０ｃｍ^-1のピーク（図示せず）、５３１．８ｃｍ^-1のピーク、５５８．８ｃｍ^-1のピークおよび前記主ピーク（波数５６５〜５７０ｃｍ^-1の領域）以外のピークＳ_pをいう。
なお、上記に示した波数の数値は、測定環境および試料に加わる応力等により若干シフトする場合があるが、趣旨を逸脱しない範囲において同等とみなす。

本発明においては、前記主ピークとサブピークとの出現が認められれば、窒化ガリウム膜に結晶欠陥が存在するとみなすことができる。
したがって、上記評価方法によれば、ラマン分光スペクトルにおいて、ピークの出現を確認するのみで、微小な結晶欠陥の存在の有無を、高精度かつ簡便に評価することができる。

前記主ピークとサブピークのそれぞれの出現については、スペクトルのノイズとの差別化のため、以下のように定義する。図２に示すラマン分光スペクトルの波形の概念図を用いて説明する。
図２に示すようなラマン分光スペクトルの波形に対して、強度の変動の小さい領域（ノイズ領域）Ｓ₁の強度変動幅の最大値Ｃ₁と、強度の変動が大きい領域（検出領域）Ｓ₂の強度変動幅の最大値Ｃ₂との比Ｃ₂／Ｃ₁が３．０以上である場合（Ｃ₂／Ｃ₁≧３．０）、本発明においては、検出領域Ｓ₂において、主ピークまたはサブピークが出現しているものとする。

また、本発明に係る評価方法において、励起波長３５０〜８００ｎｍの単色光を照射する窒化ガリウム膜の位置は、表面であっても、あるいはまた、劈開した破断面であってもよい。

また、前記窒化ガリウム膜に照射する励起光としては、３５０〜８００ｎｍの単色光、好ましくは、４５０〜６５０ｎｍの可視光域の単色光を用いる。
窒化ガリウムの結晶欠陥の検出においては、その欠陥準位に近い励起波長でなければ共鳴しないため、上記範囲内において、励起波長を適宜変更させて照射する。

そして、窒化ガリウムの結晶欠陥に起因するスペクトルである前記サブピークを、より精度よく検出するためには、１．９〜２．４ｅＶのエネルギーを有する可視光レーザを用いた共鳴分析を用いることが好ましい。

図３に、上記評価方法において得られたラマン分光スペクトルの主ピークの強度をＩ_m、サブピークのうちの最も高い強度をＩ_dとしたときの比Ｉ_d／Ｉ_mと、その時の窒化ガリウム膜形成の歩留との関係のグラフを示す。
図３のグラフに示したように、比Ｉ_d／Ｉ_mが小さい方が、窒化ガリウム膜形成の歩留がよいという関係にあることが分かる。
したがって、基板上に窒化ガリウム膜を含む多層膜を積層させた化合物半導体基板を作製し、前記窒化ガリウム膜に対して、本発明に係る評価方法を適用して、前記比Ｉ_d／Ｉ_mについて、所定の規格値を設けて評価することにより、後工程において良好なデバイス形成が可能である高品質の化合物半導体基板を提供することができる。

図３に示す実施形態においては、Ｉ_d／Ｉ_m＝０．５において、歩留が顕著に増加する傾向が認められ、Ｉ_d／Ｉ_m＜０．５の場合に、歩留が大幅に増加し、結晶欠陥が少ない高品質の窒化ガリウム膜が得られるとみなすことができる。
したがって、Ｉ_d／Ｉ_m＜０．５を満たす窒化ガリウム膜を有する化合物半導体基板は、後工程において良好なデバイス形成が可能なものである。
一方、Ｉ_d／Ｉ_m≧０．５である場合には、評価した結晶欠陥が非常に多い窒化ガリウム膜となっているため、クラックや剥離が生じ、膜形成の歩留が低下する。
膜形成の歩留目標を９０％以上と高くしたい場合には、より厳しい規格値として、例えば、Ｉ_d／Ｉ_m＜０．１となるようにすればよい。

本発明に係る評価方法においては、主に、顕微ラマン分光装置を用いて、結晶欠陥に関係するモードの周波数と強度を測定することにより、窒化ガリウム膜の結晶欠陥の評価を行うことが好ましい。
顕微ラマン分光装置においては、励起光のスポットサイズは０．５μｍ程度に絞り込むことが可能であり、極めて高い位置分解能で窒化ガリウム膜の結晶欠陥の評価をすることができる。

なお、本発明に係る評価方法は、化合物半導体基板を測定対象としているが、例えば、化合物半導体基板を用いて形成された光ダイオード、レーザ発光素子、高速高温動作可能電子素子等における窒化ガリウム膜の評価にも適用することができる。これらの素子における窒化ガリウム膜も、簡便に、迅速に検査することができ、また、オンライン評価および検査にも適している。
また、素子面積の大きいデバイスについては、励起光のスポットを窒化ガリウム膜面に沿って走査し、各走査点において結晶欠陥に関係するモードの強度を測定する面分析を行うことにより、デバイス全体での結晶欠陥、ひいては、素子全体としての膜形成の歩留評価を行うことができる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
（窒化ガリウム膜の形成）
厚さ２５０μｍの炭化ケイ素単結晶基板を、水素ガス雰囲気下、１０００℃で熱処理した後、原料としてトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアを用いて、１０００℃での気相成長により、前記基板表面に、厚さ１μｍのバッファー層を形成した。
次に、原料ガスとしてトリメチルガリウムおよびアンモニアを用いて、１０００℃での気相成長により、前記バッファー層上に、厚さ１μｍの窒化ガリウム膜を形成した。
なお、前記気相成長により形成した各層の厚さは、ガス流量および供給時間の調整により制御した。

（結晶欠陥の評価）
上記において作製した窒化ガリウム膜を含む基板を破断し、断面方向に、励起波長４５０〜８００ｎｍの可視光域の単色光を照射して、Ｔ６４０００ラマン分光システム（株式会社堀場製作所／株式会社フォトンデザイン）を用いて、顕微ラマン分光スペクトル測定を行った。
照射光は、顕微サンプル室にて、サンプルでのビーム径が１μｍ程度となるように集光し、散乱光は、後方散乱配置にて、Ｔ６４０００トリプルスペクトロメータ（ジョバンイボン社）を用いて、分光測定した。
なお、分光は、レーリー光の影響を避けるため、焦点距離６４０ｍｍの３段目のモノクロメータ（スペクトログラフィー）により行った。
また、散乱光の検出には、液体窒素で冷却したＣＣＤ（電荷結合素子）検出器を用いた。
波数分離能は３ｃｍ^-1以下であり、波数校正には、水銀の輝線（アルゴンイオンレーザ（波長５１４．５ｎｍ）でのラマンシフトは１１２２．５８ｃｍ^-1）を用いた。

図１に、励起波長５１４．５ｎｍおよび５６８．２ｎｍで測定したラマンスペクトルを示す。
図１に示したように、本測定においては、励起波長５１４．５ｎｍの場合は、サブピークは確認されなかったが、励起波長５６８．２ｎｍの場合には、複数のサブピークＳ_pが確認された。
なお、図１に示したラマンスペクトルにおいては、Ｉ_d／Ｉ_m＜０．５であり、結晶欠陥が少ない高品質の窒化ガリウム膜であると評価することができる。

実施例に係る励起波長５１４．５ｎｍおよび５６８．２ｎｍで測定したラマンスペクトルである。 主ピークおよびサブピークの出現の有無の定義を説明するための図である。 本発明に係る評価方法におけるＩ_d／Ｉ_mと窒化ガリウム膜形成の歩留との関係を示すグラフである。

Claims (6)

1. 窒化ガリウム膜を含む化合物半導体基板について、前記窒化ガリウム膜に、励起波長３５０〜８００ｎｍの単色光を照射した際に得られる散乱光のラマン分光スペクトルの波数５６５〜５７０ｃｍ^-1の領域における主ピークと、波数１００〜７００ｃｍ^-1の結晶欠陥に起因するサブピークとが出現することにより、窒化ガリウム膜における結晶欠陥の存在を確認することを特徴とする化合物半導体基板の評価方法。
2. 前記単色光の励起波長が４５０〜６５０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体基板の評価方法。
3. 前記サブピークは、１.９〜２．４ｅＶのエネルギーを有する可視光レーザを用いた共鳴分析により検出することを特徴とする請求項１記載の化合物半導体基板の評価方法。
4. 前記主ピークの強度Ｉ_mに対する前記サブピークのうちの最も高い強度Ｉ_dの比Ｉ_d／Ｉ_mが０．５未満である場合、結晶欠陥が少ない高品質の窒化ガリウム膜とみなすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体基板の評価方法。
5. 基板上に窒化ガリウム膜を含む多層膜を積層させた化合物半導体基板を作製する工程と、
   前記窒化ガリウム膜に、励起波長３５０〜８００ｎｍの単色光を照射した際に得られる散乱光のラマン分光スペクトルの波数５６５〜５７０ｃｍ^-1の領域における主ピークと、波数１００〜７００ｃｍ^-1の結晶欠陥に起因するサブピークとが出現することにより、窒化ガリウム膜における結晶欠陥の存在を確認する工程と、
   前記主ピークの強度Ｉ_mに対する前記サブピークのうちの最も高い強度Ｉ_dの比Ｉ_d／Ｉ_mが０．５未満である場合、結晶欠陥が少ない高品質の窒化ガリウム膜とみなす工程とを備えていることを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
6. 窒化ガリウム膜を含む化合物半導体基板であって、前記窒化ガリウム膜が、励起波長３５０〜８００ｎｍの単色光を照射した際に得られる散乱光のラマン分光スペクトルの波数５６５〜５７０ｃｍ^-1の領域における主ピークの強度Ｉ_mと、波数１００〜７００ｃｍ^-1の結晶欠陥に起因するサブピークのうちの最も高い強度Ｉ_dとの比Ｉ_d／Ｉ_mが０．５未満を満たすものであることを特徴とする化合物半導体基板。

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