JP2010109156A - 半導体装置の検査方法及び検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】層厚の厚い窒化物半導体層を有している窒化物半導体装置、及びＨＥＭＴが作り込まれている窒化物半導体装置を検査する場合においても、欠陥を確実に励起させ、かつ欠陥に由来するイエロールミネッセンスを精度良く検出する。
【解決手段】サファイア基板１５の表面に形成されたＧａＮ（窒化物半導体層）１７に対して、表面と対向する裏面側から、第１励起光４７を、サファイア基板を透過させて照射する。そして、第１励起光４７によって窒化物半導体層１７に発生し、かつサファイア基板１５の裏面から出射される、欠陥に基づくイエロールミネッセンス４９の第１強度を検出することによって、第１強度から窒化物半導体層１７の評価を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置、特に窒化物半導体層を有する半導体装置の検査方法及び検査装置に関する。

周知の通り、窒化物半導体装置は、その物理的性質の優位性から、光デバイス分野や電子デバイス分野において盛んに研究が行われている。特に、電子デバイス分野において、窒化物半導体装置を用いたＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、高温動作、高速スイッチング動作、大電力動作等の点において、優れた電子素子を実現する半導体装置として期待を集めている。

窒化物半導体装置において、半導体層として機能する窒化物半導体結晶は、飽和蒸気圧が高いことから、バルク単結晶としての育成が困難である。そのため、例えばＳｉＣ等の基板上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属化学気相成長）法を用いて成膜が成される。より詳細には、まず基板上にバッファ層を形成し、このバッファ層をエピタキシャル成長させることによって、窒化物半導体結晶で構成された窒化物半導体層が形成される。

ここで、窒化物半導体装置の例えば逆耐圧等の諸特性は、窒化物半導体層の欠陥に依存する。この欠陥とは、例えば、上述したバッファ層を形成する際において、このバッファ層内に酸素等の不純物が取り込まれることによって発生する、いわゆる残留キャリアである。窒化物半導体層に欠陥が存在する場合、製造された窒化物半導体装置ではリーク電流が増加し、その結果、逆耐圧が低下するという問題を引き起こす。そのため、製造された窒化物半導体装置に対して、窒化物半導体層の欠陥の有無、または欠陥数の多少を評価するための検査を行う必要があった。

窒化物半導体装置を検査する方法として、励起光によって、欠陥部分の窒化物半導体結晶のイエローバンドが励起され、波長５００〜６５０ｎｍ付近に発生する光、すなわちイエロールミネッセンスを利用して、窒化物半導体層を評価する方法が周知である（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。すなわち、この従来技術による検査方法では、窒化物半導体装置を検査する方法として、窒化物半導体層に対して、この窒化物半導体層の表面側から励起光を照射する。そして、この第１励起光によって発生し、かつ窒化物半導体層の表面から出射される、欠陥に基づくイエロールミネッセンスの強度を検出することによって、すなわちフォトルミネッセンス測定を行うことによって、窒化物半導体層の欠陥の有無、または欠陥数を検査する。
特開２００５−８５８１６号公報 第６６回応用物理学会学術講演会 ８ａ−Ｗ−３ （２００５秋徳島大学）Ｐ１２５１

ところで、この発明に係る発明者が種々研究したところ、上述した欠陥、すなわち残留キャリアに起因する欠陥は、窒化物半導体層内において、窒化物半導体層と基板との界面付近に多く分布することが確認された（この詳細は、後述する第１の実施の形態において説明する）。従って、上述した従来技術による検査方法において、イエロールミネッセンスを利用して窒化物半導体装置を検査するためには、励起光を、窒化物半導体層の表面から、窒化物半導体層と基板との界面付近まで透過させて、欠陥を励起させる必要がある。

しかしながら、例えば非特許文献１に開示の検査方法では、３６５ｎｍの波長の紫外光を励起光として用いている。そして、窒化物半導体層として用いられる例えばＧａＮ結晶は、３６５ｎｍの波長の紫外光に対して透過率が低い。より具体的には、３６５ｎｍの波長の紫外光は、ＧａＮ結晶の表面から入射し、表面から２μｍの深さまで透過した時点で、光強度が入射時の約１／１０に低下する（この詳細は、後述する第１の実施の形態において説明する）。従って、例えば非特許文献１に開示の検査方法では、窒化物半導体層の層厚が厚く、すなわち例えば２μｍ以上の層厚で形成されている窒化物半導体装置を検査する場合、励起光が窒化物半導体層と基板との界面付近まで十分な光強度で透過しない。そのため、例えば非特許文献１に開示の検査方法では、欠陥を励起させることが困難である。

また、窒化物半導体装置にＨＥＭＴが作り込まれている場合には、基板の表面に、エネルギーバンドギャップの異なる２つの窒化物半導体層、すなわちチャネル層及びバリア層を順次積層し、これらの界面にヘテロ接合面を形成する。そして、ＨＥＭＴでは、このヘテロ接合面におけるピエゾ分極または自発分極に基づいて、チャネル層内の、チャネル層及びバリア層間の界面付近に、高濃度のキャリアが発生する。

従って、例えば特許文献１及び非特許文献１に開示の検査方法では、上述したように、窒化物半導体層の表面側から励起光を照射し、窒化物半導体層と基板との界面付近に存在する欠陥を励起させる。そのため、例えば特許文献１及び非特許文献１に開示の検査方法では、照射した励起光によって、ピエゾ分極または自発分極に基づくキャリアも同時に励起される。そして、上述したように、例えば特許文献１及び非特許文献１に開示の検査方法では、欠陥から発光し、窒化物半導体層の表面側に出射されるイエロールミネッセンスを検出する。その結果、この欠陥に由来するイエロールミネッセンスに加えて、ピエゾ分極または自発分極に基づくキャリアに由来するイエロールミネッセンスを重複して検出してしまう恐れがある。従って、例えば特許文献１及び非特許文献１に開示の検査方法では、欠陥に由来するイエロールミネッセンスのみを、精度良く検出できない恐れがある。

そこで、この発明の目的は、層厚の厚い窒化物半導体層を有している窒化物半導体装置、及びＨＥＭＴが作り込まれている窒化物半導体装置を検査する場合においても、欠陥を確実に励起させ、かつ欠陥に由来するイエロールミネッセンスを精度良く検出することができる半導体装置の検査方法を提供することにある。

上述の目的の達成を図るため、この発明による半導体装置の検査方法は以下の特徴を有している。

すなわち、この発明による半導体装置の検査方法では、サファイア基板の表面に形成された窒化物半導体層に対して、表面と対向する裏面側から、第１励起光を、サファイア基板を透過させて照射する。そして、第１励起光によって窒化物半導体層に発生し、かつサファイア基板の裏面から出射される、欠陥に基づく光の第１強度を検出することによって、第１強度から窒化物半導体層の評価を行う。

この発明による半導体装置の検査装置は、以下の特徴を有している。

すなわち、この発明による半導体装置の検査装置は、サファイア基板の表面に形成された窒化物半導体層に対して、表面と対向する裏面側から、第１励起光を、サファイア基板を透過させて照射し、かつ表面側から窒化物半導体層に対して第２励起光を照射する、励起光照射部を具えている。また、この発明による半導体装置の検査装置は、第１励起光によって窒化物半導体層に発生し、かつサファイア基板の裏面から出射される、欠陥に基づく光の第１強度、及び第２励起光によって窒化物半導体層に発生し、かつこの窒化物半導体層の表面から出射される、欠陥に基づく光の第２強度を検出する、検出部を具えている。

この発明による半導体装置の検査方法によれば、窒化物半導体層に対して、励起光、すなわち第１励起光を、裏面側からサファイア基板を透過させて照射する。そのため、励起光を表面側から照射する従来技術による検査方法と比して、この発明による半導体装置の検査方法では、第１励起光が窒化物半導体層と基板との界面まで透過しやすい。従って、この発明による半導体装置の検査方法では、欠陥を確実に励起させることができる。

また、この発明による半導体装置の検査方法によれば、サファイア基板の裏面から出射される、すなわち窒化物半導体層の裏面から出射される、欠陥に基づく光、すなわちイエロールミネッセンスの第１強度を検出する。そのため、ＨＥＭＴが作り込まれている窒化物半導体装置を検査する場合において、窒化物半導体層の表面から出射されるイエロールミネッセンスの強度を検出する、従来技術による検査方法とは異なり、ピエゾ分極または自発分極に基づくキャリアに由来するイエロールミネッセンスを重複して検出することがない。従って、この発明による半導体装置の検査方法では、欠陥に由来するイエロールミネッセンスを精度良く検出することができる。

また、この発明による半導体装置の検査装置は、サファイア基板の表面及び裏面の両方の側から励起光を照射する。従って、この発明による検査装置を用いて、半導体装置の検査を行うことによって、窒化物半導体層の、サファイア基板との界面付近、及び窒化物半導体層の表面付近の双方について、欠陥に関する評価を行うことができる。

以下、図面を参照して、この発明に係る半導体装置の検査方法について説明する。なお、各図は、この発明が理解できる程度に、各構成要素の形状、大きさ、及び配置関係を概略的に示してあるに過ぎない。従って、この発明の構成は、何ら図示の構成例にのみ限定されるものではない。

〈第１の実施の形態〉
第１の実施の形態では、サファイア基板の表面に成膜された窒化物半導体層に対して、裏面側から、第１励起光を照射し、この第１励起光によって窒化物半導体層に発生し、かつサファイア基板の裏面から出射される、欠陥に基づく光の第１強度を検出する、半導体装置の検査方法について説明する。

図１は、この発明の第１の実施の形態を説明する概略図である。

第１の実施の形態による半導体装置の検査方法では、検査対象である試料１１を、周知の検査装置１３を用いて検査する。

試料１１は、サファイア基板１５と、このサファイア基板１５の表面１５ａに形成されている窒化物半導体層とを含む積層体である。なお、この実施の形態では、試料１１として、窒化物半導体層としてＧａＮ層１７が形成されている積層体を用いた場合を例に挙げて説明する。

検査装置１３は、従来周知の検査装置であり、励起光照射部１９と検出部２１とを具えている。

励起光照射部１９は、試料１１が具える、窒化物半導体層としてのＧａＮ層１７に対して励起光を照射する。そのために、励起光照射部１９は、例えば、試料１１を載置するステージ２３、光源２５、狭帯域フィルタ２７、ハーフミラー２９、及び第１レンズ３１を具えている。

光源２５は、例えば周知のキセノンランプ等である。そして、光源２５から出射された励起光は、狭帯域フィルタ２７を透過することによって、ＧａＮ層１７内に存在する欠陥を確実に励起させるための、所望の波長光である、第１励起光４７となる。なお、この第１励起光４７の波長の好適な値については、詳細に後述する。

また、この実施の形態における励起光照射部１９では、ステージ２３の載置面２３ａに対して垂直な方向に、ステージ２３から、第１レンズ３１及びハーフミラー２９が所定間隔で順次設けられている。ハーフミラー２９は、光源２５から出射され、狭帯域フィルタ２７を透過した第１励起光４７の入射角が４５°となる位置に配置されており、この第１励起光４７を、第１レンズ３１を経てステージ２３に載置された試料に入射角９０°で入射させる。

また、検出部２１は、第２レンズ３３、分光器３５、及び検出器３７を具えている。

第２レンズ３３は、窒化物半導体層としてのＧａＮ層１７に発生する光を集光して、分光器３５に入力する。そして、分光器３５によって分光された波長毎の光強度が、検出器３７によって検出される。

この第１の実施の形態では、検出された光強度のうち、波長５００〜６５０ｎｍ付近における光、すなわちＧａＮ層１７内の欠陥に起因して発生する、イエロールミネッセンスの強度を以って、窒化物半導体層としてのＧａＮ層１７を評価する。

ここで、このような構成の検査装置１３を用いて試料１１を精度良く検査するために、この発明に係る発明者らは、まず、窒化物半導体層に存在する欠陥の層厚方向におけるプロファイリングを行った。

図２は、窒化物半導体装置のＣ−Ｖ（容量−電圧）特性からプロファイリングした、窒化物半導体層の表面からの深さとキャリア濃度との相関関係を示した図である。

図２において、曲線３９は、サファイア基板、及びサファイア基板の上側表面に形成された窒化物半導体層から成る構造体を、被検査素子としてプロファイリングした結果である。なお、この被検査素子では、窒化物半導体層がサファイア基板の上側表面に形成された層厚１５００ｎｍのＧａＮ層、及びＡｌＧａＮ層の上側表面に形成された層厚３３．１ｎｍのＡｌＧａＮ層の積層体である。

また、図２において、縦軸は、キャリア濃度をｃｍ^−３単位で目盛ってある。また、横軸は、窒化物半導体層の表面から基板に向かう層厚方向に沿った距離、すなわち深さをｎｍ単位で目盛ってある。

このプロファイリングに用いた被検査素子では、ＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層間の界面において、上述したようにピエゾ分極または自発分極に基づいて高濃度のキャリアが発生している。そのため、図２の曲線３９では、窒化物半導体層の表面付近において、キャリア濃度が高くなっている。そして、仮に窒化物半導体層に欠陥が存在しない場合には、キャリア濃度は、このＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層間の界面から離間するにつれて、すなわち表面から深くなるにつれて小さくなる。しかしながら、この曲線３９では、深さ１０００ｎｍ付近から、キャリア濃度が上昇している。このキャリア濃度の上昇は、このプロファイリングに用いた被検査素子の、窒化物半導体層の表面から深さ１０００ｎｍ付近以降に、欠陥が存在することを意味する。

さらに、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ−ｍｉｃｒｏｃｒｏｂｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：二次イオン質量分析法）を用いて分析したところ、この深さ１０００ｎｍ付近に存在する欠陥は、酸素であることが分かった。この酸素は、ＧａＮ層の形成時において、層内に取り込まれたものと推測される。

この結果から、窒化物半導体装置では、例えば酸素等に起因する欠陥が、窒化物半導体層のサファイア基板との界面付近に存在する恐れがあることが分かった。

次に、この発明に係る発明者らは、窒化物半導体層の種々の波長の光に対する透過率の測定を行った。

図３は、種々の波長の光に対するＧａＮ層の透過率を示す図である。

図３において、縦軸は、透過率を％単位で目盛ってある。また、横軸は、ＧａＮ層の層厚をμｍ単位で目盛ってある。また、曲線４１は、波長２４５ｎｍの深紫外光を用いて測定を行った結果である。また、曲線４３は、波長３６５ｎｍの紫外光を用いて測定を行った結果である。

図３の結果から、波長２４５ｎｍの深紫外光では、ＧａＮ層の層厚が約０．５ｎｍで、透過率がほぼ０％となった。従って、波長２４５ｎｍの深紫外光がＧａＮ層の表面から入射した場合、深さ約０．５μｍまで透過した時点で、光強度が０となる。

また、図３の結果から、波長３６５ｎｍの紫外光では、ＧａＮ層の層厚が約２．０ｎｍで、透過率が１０％となった。従って、波長３６５ｎｍの紫外光がＧａＮ層の表面から入射した場合、深さ約２．０μｍまで透過した時点で、光強度が１／１０となる。

図２を参照して既に説明したように、窒化物半導体装置では、窒化物半導体層と基板との界面付近、すなわち窒化物半導体層の表面から１０００ｎｍ付近に欠陥が存在する恐れがある。しかし、図３の結果から、深紫外光及び紫外光を窒化物半導体層の表面に照射する場合には、１０００ｎｍのＧａＮ層を十分な強度で透過させることができない。従って、これら深紫外光及び紫外光では、窒化物半導体層の表面から１０００ｎｍ付近に存在する欠陥を励起させることが困難である。

そこで、この第１の実施の形態では、サファイア基板１５の表面１５ａに形成されたＧａＮ層１７に対して、表面と対向する裏面１５ｂ側から、第１励起光４７を、サファイア基板１５を透過させて照射する（図１参照）。

すなわち、検査装置１３において、試料１１を、第１励起光４７がサファイア基板１５の裏面１５ｂ側から試料１１に入射されるように、ステージ２３に載置する。そのために、試料１１を、ＧａＮ層１７の表面１７ａとステージ２３の載置面２３ａとを密着させ、かつサファイア基板１５の裏面１５ｂをハーフミラー２９と対向させて載置する。このように試料１１を載置することによって、第１の実施の形態では、窒化物半導体層としてのＧａＮ層１７に対して、裏面１５ｂ側から第１励起光４７を照射する。

また、第１の実施の形態では、第１励起光４７がサファイア基板１５を透過し、かつＧａＮ層１７内の欠陥を確実に励起させるために、第１励起光４７を、波長２７０〜３２０ｎｍの深紫外光または紫外光とするのが好ましい。サファイア基板１５は、波長２７０〜３２０ｎｍの光に対して、透過率約８０％であるため、裏面１５ｂ側から入射した第１励起光４７を、ＧａＮ層１７に対して照射することが可能である。

また、第１の実施の形態では、裏面１５ｂ側から第１励起光４７を照射し、サファイア基板１５とＧａＮ層１７との界面４５付近の欠陥を励起させるに当たり、例えば、界面４５からＧａＮ層１７側に５００ｎｍの層厚範囲まで第１励起光を透過させるとする。ここで、図３から、５００ｎｍのＧａＮ層では、波長２７０〜３２０ｎｍの光に対して、少なくとも２０〜３０％の透過率を示す。従って、第１の実施の形態では、裏面１５ｂ側から波長２７０〜３２０ｎｍの励起光を照射することによって、サファイア基板１５とＧａＮ層１７との界面４５付近の欠陥を確実に励起させることができる。

また、この第１の実施の形態では、第１励起光４７が、サファイア基板１５の表面１５ａ、及びサファイア基板１５とＧａＮ層１７との界面４５において散乱するのを防止するために、サファイア基板１５の表面１５ａ及び裏面１５ｂを研磨しておくのが好ましい。

また、既に説明したように、欠陥が励起されることによって発生する光、すなわち検出すべきイエロールミネッセンス４９は、５００〜６５０ｎｍの波長域に検出される。そして、サファイア基板１５は、５００〜６５０ｎｍの波長域の光に対して、透過率が約８０％である。従って、第１の実施の形態では、イエロールミネッセンス４９は、サファイア基板１５を透過し、裏面１５ｂからも出射される。そのため、第１の実施の形態では、このサファイア基板１５の裏面１５ｂから出射されたイエロールミネッセンスの強度、すなわち第１強度を検出することが可能である。なお、図１では、サファイア基板１５の裏面１５ｂから、この裏面１５ｂに対して垂直方向に出射するイエロールミネッセンス４９を、第２レンズ３３で集光し、分光器３５に入射させ、しかる後に検出器３７で検出する構成例について示している。

また、この第１の実施の形態では、第１励起光４７の波長を波長２７０〜３２０ｎｍとするために、上述した狭帯域フィルタ２７として、波長２７０〜３２０ｎｍの光を透過させる狭帯域フィルタを使用する。その結果、光源２５から出射された励起光は、狭帯域フィルタ２７を経ることによって、波長２７０〜３２０ｎｍの第１励起光４７となる。

このように、第１の実施の形態による半導体装置の検査方法によれば、窒化物半導体層としてのＧａＮ層１７に対して、第１励起光４７を、裏面１５ｂ側からサファイア基板１５を透過させて照射する。そのため、第１の実施の形態による半導体装置の検査方法では、第１励起光４７がＧａＮ層１７とサファイア基板１５との界面４５まで透過しやすい。従って、この発明による半導体装置の検査方法では、欠陥を確実に励起させることができる。

また、第１の実施の形態による半導体装置の検査方法によれば、ＧａＮ層１７の裏面１７ｂ及びサファイア基板１５の裏面１５ｂから出射される、イエロールミネッセンス４９の第１強度を検出する。そのため、ＧａＮ層１７の表面１７ａに例えばＡｌＧａＮ層を堆積して、ＨＥＭＴを作り込んだ場合においても、上述したピエゾ分極または自発分極に基づくキャリアに由来するイエロールミネッセンスを重複して検出することがない。

従って、この第１の実施の形態の検査方法では、欠陥に由来するイエロールミネッセンス４９の強度、すなわち第１強度を精度良く検出することができる。そのため、この第１強度から、窒化物半導体層の、サファイア基板１５との界面４５付近に存在する欠陥の数、または欠陥のサイズに関する評価を、正確に行うことができる。

ここで、発明者らは、第１の実施の形態による半導体装置の検査方法において、サファイア基板１５の裏面１５ｂ側から第１励起光４７を照射する点について、その有効性を確認するための実験を行った。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、この実験に用いた２つの被検査素子、すなわち試料Ａ及び試料Ｂの概略図である。

図４（Ａ）に示す試料Ａは、サファイア基板５１の表面５１ａにＧａＮ層５５を形成して得られた構造体である。この試料Ａを作成するに当たり、まず厚み３３０μｍのサファイア基板５１の表面５１ａ及び裏面５１ｂを研磨した。その後、表面５１ａに層厚５０ｎｍのＧａＮ低温バッファ層を形成した。さらに、このＧａＮ低温バッファ層から層厚１０００ｎｍのＧａＮエピタキシャル層を成長した。その結果、サファイア基板５１の表面５１ａ上に、１０５０ｎｍの窒化物半導体層としてのＧａＮ層５５を具えている、試料Ａを得た。ここで、上述したＧａＮ低温バッファ層及びＧａＮエピタキシャル層から成るＧａＮ層５５は、ＴＭＧ（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｇａｌｌｉｕｍ：トリメチルガリウム）及びＮＨ_３を主原料として、後者の前者に対するモル比を２５００に、またＴＭＧを８８μｍｏｌ／ｍｉｎで導入し、常圧雰囲気７６０Ｔｏｒｒで成長した。この条件において、ＧａＮ低温バッファ層を４７５℃で形成し、その後、１０７０℃においてＧａＮエピタキシャル層を成長した。

また、図４（Ｂ）に示す試料Ｂは、試料Ａと同様にサファイア基板５３の表面５３ａにＧａＮ層５７を形成して得られた構造体である。そして、この試料Ｂでは、ＧａＮ層５７を形成する際のＴＭＧを、試料ＡにおけるＧａＮ層５５の形成時の１．２倍の導入量、すなわち１０５．６μｍｏｌ／ｍｉｎで導入した。そして、その他の条件は、上述した試料Ａと同様に設定して試料Ｂを作成した。

このような試料Ａ及び試料Ｂについて、ともにＧａＮ層５５及び５７の表面５５ａ及び５７ａ側と、サファイア基板５１及び５３の裏面５１ｂ及び５３ｂ側とからそれぞれ励起光を照射して、フォトルミネッセンス測定を行った。なお、ＧａＮ層５５及び５７の表面５５ａ及び５７ａ側から励起光を照射する場合には、ＧａＮ層５５及び５７の表面５５ａ及び５７ａ側から出射されるイエロールミネッセンスを検出した。また、裏面５１ｂ及び５３ｂ側から励起光を照射する場合には、裏面５１ｂ及び５３ｂ側から出射されるイエロールミネッセンスを検出した。さらに、この実験においては、ＧａＮ層５５及び５７の表面５５ａ及び５７ａ側から励起光を照射する場合には、裏面５１ｂ及び５３ｂ側から励起光を照射する場合と条件を等しくするために、ＧａＮ層５５及び５７の表面５５ａ及び５７ａに、それぞれサファイア基板５１及び５３と同様のサファイア基板５９及び６１を載置して、測定を行った。

図５は、試料Ａ及び試料Ｂについてフォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。

図５において、縦軸は、光強度を目盛ってある。また、横軸は、波長をｎｍ単位で目盛ってある。また、曲線６３は、試料Ａに対して、ＧａＮ層５５の表面５５ａ側から励起光を照射して測定した場合の結果である。また、曲線６５は、試料Ａに対して、サファイア基板５１の裏面５１ｂ側から励起光を照射して測定した場合の結果である。曲線６７は、試料Ｂに対して、ＧａＮ層５７の表面５７ａ側から励起光を照射して測定した場合の結果である。また、曲線６９は、試料Ｂに対して、サファイア基板５３の裏面５３ｂ側から励起光を照射して測定した場合の結果である。そして、これら各曲線６３、６５、６７、及び６９の波長５００〜６５０ｎｍにおける強度が、欠陥に由来する光、すなわちイエロールミネッセンスの強度を示している。

曲線６３の結果から、試料Ａについて、ＧａＮ層５５の表面５５ａ側から励起光を照射して測定した場合には、波長５００〜６５０ｎｍにおいて、イエロールミネッセンスの強いピーク６３ａが確認できる。これに対して、曲線６７の結果から、試料Ｂについて、ＧａＮ層５７の表面５７ａ側から励起光を照射して測定した場合には、波長５００〜６５０ｎｍにおけるイエロールミネッセンスのピーク６７ａは、試料Ａの曲線６３と比して著しく弱いことが確認できる。

これら曲線６３及び６７の結果の差異は、試料Ａ及び試料ＢにおけるＧａＮ層５５及び５７形成時の、ＴＭＧの導入量の差に起因していると考えられる。すなわち、試料Ｂでは、ＧａＮ層５７を形成する際に、試料ＡにおけるＧａＮ層５５の１．２倍の導入量でＴＭＧを導入している。その結果、試料Ａ及び試料Ｂの上層部、すなわちＧａＮ低温バッファ層形成時と比して高温で成長された、ＧａＮエピタキシャル層においては、このＴＭＧ導入量の差から、試料ＡのＧａＮ層５５と比して、試料ＢのＧａＮ層５７は、Ｇａの密度が高く、欠陥が少ないと推測される。

一方、曲線６５及び６９の結果から、サファイア基板５１及び５３の裏面５１ｂ及び５３ｂ側から励起光を照射して測定した場合には、試料Ａ及び試料Ｂともに、波長５００〜６５０ｎｍにおいて、ほぼ同程度の強度のイエロールミネッセンスのピーク６５ａ及び６９ａが確認できる。

この結果は、ＧａＮ層５５及び５７の下層部、すなわちサファイア基板５１及び５３との界面付近に存在する、ＧａＮ低温バッファ層において、試料Ａ及び試料Ｂともに、同程度の欠陥が生じていることを示している。これは、上述した試料Ａ及び試料ＢにおけるＴＭＧの導入量の差が、ＧａＮ層５５及び５７の下層部、すなわちＧａＮ低温バッファ層の密度には、大きく反映されていないためと考えられる。従って、多量のＴＭＧを導入してＧａＮ層を形成した場合においても、サファイア基板との界面付近では、欠陥の発生を完全に防止できない恐れがある。

以上の結果から、ＧａＮ層の表面側から励起光を照射して測定するのみでは、ＧａＮ層のサファイア基板との界面付近に存在する欠陥は、検出できないことが分かる。従って、この第１の実施の形態において説明したように、サファイア基板の裏面側から窒化物半導体層に対して励起光を照射し、フォトルミネッセンス測定を行うことによって、欠陥をより精度良く検出できるといえる。

また、第１の実施の形態では、窒化物半導体層の不良部、すなわち欠陥数が多い、または欠陥のサイズが大きい個所を特定するために、窒化物半導体層の全面に渡って、イエロールミネッセンスの光強度、すなわち上述した第１強度の検出を行うのが好ましい。

そのために、第１の実施の形態では、検査装置１３のステージ２３を移動させることによって、このステージ２３に載置された試料１１に対する、第１励起光４７の入射位置を順次移動させる（図１参照）。そして、試料１１の全面に渡って第１励起光４７を入射し、これら各入射した位置における第１強度を検出する。

不良部の特定は、主に検査装置１３に設けられた情報処理部７１によって行われる。

情報処理部７１は、情報受信部７３、ＣＰＵ７５、入力部７７、格納部７９、出力部８１、及びステージ駆動部８３を具えている。

情報受信部７３は、検出部２１が検出した第１強度の情報を受信する。この情報受信部７３によって受信された情報は、一旦、格納部７９に格納される。

ＣＰＵ７５は、プログラムでソフトウェア処理を行うとき、種々の処理機能を達成する手段として機能する。図１の構成例におけるＣＰＵ７５は、後述する制御部８５及び抽出部８７として機能する機能手段を含んでいる。

制御部８５は、入力部７７から入力された指令に基づいて、あるいは、ＣＰＵ７５の内部的に発生した指令に基づいて、他の諸機能手段の処理の実行の制御、出力部８１に表示させる制御、及び各構成要素のタイミングをとる制御等を行うが、これらの点については従来周知であるため、その詳細な説明を省略する。

抽出部８７は、試料１１の全面における第１強度と、あらかじめ格納部７９に基準値として設定されている１つまたは複数の光強度の閾値とを比較し、基準値以上の第１強度が検出された試料１１の領域を不良部として抽出する、いわゆるマッピング処理を行う。このマッピング処理によって、ＧａＮ層１７の欠陥位置及び無欠陥位置に関するデータである、マッピングデータを迅速かつ再現性良く取得することができる。なお、格納部７９にあらかじめ設定しておく基準値は、半導体装置の動作特性を著しく損なう程度の、リーク電流の増加、または逆耐圧の低下を引き起こす欠陥数、または欠陥のサイズに対応して検出される、イエロールミネッセンスの強度であり、試料１１の例えば構造や用途に応じて適宜設定するのが好ましい。

入力部７７は、例えばキーボードやタッチパネル等の入力手段を具えており、処理の最中に外部から必要な指令を入力する装置である。

格納部７９は、例えばＲＡＭやＲＯＭ等のメモリを具えており、この検査装置１３を機能させるために必要な情報やデータ等があらかじめ読み出し自在に格納され、さらには、各処理の最中に生じる情報やデータ等を読み出し自在に書き込まれる記憶装置である。

出力部８１は、情報受信部７３や入力部７７からの所要の情報やデータ等の他、ＣＰＵ７５で処理中に生成された所要の情報やデータ等を表示するための画像処理装置や印字装置を具えている。

ステージ駆動部８３は、入力部７７からの指令に基づいて、ステージ２３を、試料１１の載置面２３ａに対して平行な方向、及び載置面２３ａに対して垂直な方向に移動させる。

第１の実施の形態では、試料１１が載置されたステージ２３を移動させることによって、試料１１に対する第１励起光４７の入射位置、すなわちＧａＮ層１７に対する第１励起光４７の入射位置が順次移動し、各位置の第１強度を取得する。このような走査処理を繰り返し、窒化物半導体層としてのＧａＮ層１７の全面を走査することによって、ＧａＮ層１７の全面から第１強度を取得することができる。

そして、得られた各第１強度に基づいて、上述した基準値以上の値を検出したＧａＮ層１７の領域を不良部として抽出する、マッピング処理を行う。これによって得られた不良部としての第１強度の分布に関するデータ、すなわちマッピングデータを参照することによって、ＧａＮ層１７における、欠陥に由来する不良部の位置を特定することができる。

〈第２の実施の形態〉
この第２の実施の形態による半導体装置の検査方法では、上述した第１の実施の形態の半導体装置の検査方法に加えて、さらに、サファイア基板の表面側、すなわち窒化物半導体層の表面側から励起光を照射し、イエロールミネッセンスの検出を行う。なお、この第２の実施の形態による半導体装置の検査方法が、上述した第１の実施の形態による半導体装置の検査方法と異なるのは、試料に対して、サファイア基板の表面側からの測定を追加して行う点である。その他の構成要素及び作用効果は、第１の実施の形態と同様であるので、共通する構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

図６は、この発明の第２の実施の形態を説明する概略図である。

第２の実施の形態による半導体装置の検査方法では、検査対象である試料１１を、検査装置８９を用いて検査する。

試料１１は、上述した第１の実施の形態と同様であり、サファイア基板１５と、このサファイア基板１５の表面１５ａに形成されている窒化物半導体層１７を含む積層体である。なお、この実施の形態では、上述した第１の実施の形態と同様の試料１１、すなわち窒化物半導体層１７としてＧａＮ層１７が形成されている積層体を、試料として用いた場合を例に挙げて説明する。

検査装置８９は、第１の実施の形態において説明した検査基板１３と同様に、励起光照射部９１及び検出部２１を具えている。なお、検出部２１については、上述した検査基板１３と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

励起光照射部９１は、試料１１が具える、窒化物半導体層としてのＧａＮ層１７に対して、サファイア基板１５の裏面１５ｂ側から、第１励起光９３を、また、サファイア基板１５の表面１５ａ側から、すなわちＧａＮ層１７の表面１７ａ側から第２励起光９５を照射する。

そのために、第２の実施の形態において、励起光照射部１９は、例えば図６に示す構成例のように、試料１１を載置するステージ９７、光源９９、狭帯域フィルタ１０１、ハーフミラー１０３、第１ミラー１０５ａ、第２ミラー１０５ｂ、第３ミラー１０５ｃ、第４ミラー１０５ｄ、第５ミラー１０５ｅ、及び第１レンズ１０７ａ及び１０７ｂを具えている。

光源９９は、第１の実施の形態における光源２５と同様に、例えば周知のキセノンランプ等である。そして、光源９９から出射された励起光は、狭帯域フィルタ１０１を透過することによって、ＧａＮ層１７内に存在する欠陥を確実に励起させるための、所望の波長光となる。

この第２の実施の形態では、上述した第１の実施の形態と同様に、励起光がサファイア基板１５を透過し、かつＧａＮ層１７内の欠陥を確実に励起させるために、励起光を、波長２７０〜３２０ｎｍの深紫外光または紫外光とするのが好ましい。そのために、狭帯域フィルタ１０１として、波長２７０〜３２０ｎｍの光を透過させる狭帯域フィルタを使用する。その結果、光源９９から出射された励起光は、狭帯域フィルタ１０１を経ることによって、２７０〜３２０ｎｍの波長光となる。

また、検査装置８９は、ＧａＮ層１７に対して、サファイア基板１５の裏面１５ｂ側、及びＧａＮ層１７の表面１７ａ側の両側から励起光を照射するために、狭帯域フィルタ１０１を透過した励起光の光路を、ハーフミラー１０３によって、２つに分岐する。ハーフミラー１０３は、ステージ９７の載置面９７ａに対して垂直な方向であって、光源９９とステージ９７とを結ぶ光軸上に、配置されている。そして、狭帯域フィルタ１０１を透過した励起光が、入射角４５°で入射するように配置されている。

このハーフミラー１０３に入射することによって、励起光は２つに分岐される。そして、分岐された一方の励起光が、サファイア基板１５の裏面１５ｂ側からＧａＮ層１７を照射する第１励起光９３となり、他方が、ＧａＮ層１７の表面１７ａ側からＧａＮ層１７を照射する第２励起光９５となる。

図６の構成例では、ハーフミラー１０３に入射し、透過した一方の励起光は、サファイア基板１５の裏面１５ｂ側からＧａＮ層１７を照射する第１励起光９３となり、第１レンズ１０７ａを経て、試料に対して、すなわちサファイア基板１５の裏面１５ｂに対して入射角９０°で入射する。

また、ハーフミラー１０３に入射し、反射角４５°で反射した他方の励起光は、ＧａＮ層１７の表面１７ａ側からＧａＮ層１７を照射する第２励起光９５となり、それぞれ入射角４５°に設定された第１ミラー１０５ａ、第２ミラー１０５ｂ、及び第３ミラー１０５ｃによって順次４５°の反射角で反射する。しかる後、第２励起光９５は、第１レンズ１０７ｂを経て、試料１１に対して、すなわちＧａＮ層１７の表面１７ａに対して入射角９０°で入射する。

また、ステージ９７は、試料１１を載置する載置面９７ａに沿った平面形状が例えば矩形枠形状であり、この枠形状等の枠内において、載置面９７ａと対向する裏面９７ｂから、試料１１を露出させる。図６の構成例では、試料１１を、ＧａＮ層１７の表面１７ａ側からステージ９７の載置面９７ａに載置している。そのため、ステージ９７の裏面９７ｂから、ＧａＮ層１７の表面１７ａが露出し、第１レンズ１０７ｂと対向している。このように、ステージ９７を例えば矩形枠状とすることによって、ステージ９７の裏面９７ｂ側から、試料１１に対して励起光を照射することが可能となる。

第２の実施の形態による半導体装置の検査方法では、このような検査装置８９を用いて、サファイア基板１５の裏面１５ｂ側、及びＧａＮ層１７の表面１７ａ側の両側からフォトルミネッセンス測定を行う。

すなわち、まず、上述した第１の実施の形態と同様に、ＧａＮ層１７に対して、裏面１５ｂ側から、サファイア基板１５を透過させて、第１励起光９３を照射する。そして、第１励起光９３によってＧａＮ層１７に発生し、かつ裏面１５ｂから出射される、欠陥に基づく光、すなわちイエロールミネッセンス１０９ａの第１強度を検出する。

図６の構成例では、サファイア基板１５の裏面１５ｂから、出射角４５°で出射するイエロールミネッセンス１０９ａを、入射角４５°で配置された第４ミラー１０５ｄによって反射角４５°で反射させる。そして、この第４ミラー１０５ｄによって反射したイエロールミネッセンス１０９ａを、第２レンズ３３で集光し、分光器３５に入射させ、しかる後に検出器３７において、第１強度を検出する。

また、この第２の実施の形態では、第１励起光９３を用いて、第１強度を検出する際には、第２励起光９５が試料１１に入射するのを遮断する。そのために、例えば、第１レンズ１０７ｂと試料１１との間を結ぶ第２励起光９５の光軸上に、シャッタを挿入し、ＧａＮ層１７の表面１７ａ側から試料１１に入射する、第２励起光９５の光路を遮断する（図示せず）。

次に、ＧａＮ層１７に対して、ＧａＮ層１７の表面１７ａ側から、第２励起光９５を照射する。そして、第２励起光９５によってＧａＮ層１７に発生し、かつＧａＮ層１７から出射される、欠陥に基づく光、すなわちイエロールミネッセンス１０９ｂの第２強度を検出する。

図６の構成例では、ＧａＮ層１７の表面１７ａから、出射角４５°で出射するイエロールミネッセンス１０９ｂを、入射角４５°で配置された第５ミラー１０５ｅによって反射角４５°で反射させる。そして、この第５ミラー１０５ｅによって反射したイエロールミネッセンス１０９ｂを、第２レンズ３３で集光し、分光器３５に入射させ、しかる後に検出器３７において、第２強度を検出する。

また、この第２の実施の形態では、第２励起光９５を用いて、第２強度を検出する際には、第１励起光９３が試料１１に入射するのを遮断する。そのために、例えば、第１レンズ１０７ａと試料１１との間を結ぶ第１励起光９３の光軸上に、シャッタを挿入し、サファイア基板１５の裏面１５ｂ側から試料１１に入射する、第１励起光９３の光路を遮断する（図示せず）。

なお、この第２の実施の形態による半導体装置の検査方法では、サファイア基板１５の裏面１５ｂ側からの測定、及びＧａＮ層１７の表面１７ａ側からの測定のいずれを先に行ってもよい。

このように、第２の実施の形態による半導体装置の検査方法によれば、サファイア基板１５の裏面１５ｂ側、及びＧａＮ層１７の表面１７ａ側の両側からフォトルミネッセンス測定を行うことによって、上述した第１強度及び第２強度を得ることができる。

第１の実施の形態において、既に説明したように、第１強度から、ＧａＮ層１７の、サファイア基板１５との界面４５付近に存在する欠陥数、または欠陥のサイズを評価することができる。

さらに、第２の実施の形態では、第２励起光９５によって励起されて発生する、イエロールミネッセンス１０９ｂの第２強度を検出する。既に説明したように、第２励起光９５は、ＧａＮ層１７に対して表面１７ａ側から照射されるため、イエロールミネッセンス１０９ｂは、ＧａＮ層１７の表面１７ａ付近に存在する欠陥に由来して発生する。従って、第２の実施の形態では、この第２強度から、ＧａＮ層１７の、表面１７ａ付近に存在する欠陥の数またはサイズに関する評価を行うことができる。

このように、第２の実施の形態では、第１強度及び第２強度から、窒化物半導体層の、サファイア基板との界面付近、及び窒化物半導体層の表面付近について、欠陥に関する評価を行うことができる。そのため、上述した第１の実施の形態による半導体装置の検査方法の精度に加え、さらに良好な精度で窒化物半導体層の評価を行うことができる。

なお、この第２の実施の形態では、検査装置８９を用いて、試料１１から、第１強度及び第２強度を検出する構成について説明したが、例えば、第１の実施の形態において説明した、従来周知の検査装置１３（図１参照）を用いて、試料１１から第１強度及び第２強度を検出することも可能である。その場合には、試料１１の、サファイア基板１５の裏面１５ｂ側から第１強度を検出した後、または検出する前に、手動で、試料１１を裏返して載置する。すなわち、サファイア基板１５の裏面１５ｂとステージ２３の載置面２３ａとを密着させ、かつＧａＮ層１７の表面１７ａをハーフミラー２９と対向させて載置する。これによって、励起光を、ＧａＮ層１７に対して表面１７ａ側から照射することができる。従って、ＧａＮ層１７の表面１７ａ付近に存在する、欠陥に由来する第２強度を検出することが可能である。

また、第２の実施の形態による半導体装置の検査方法では、上述した第１の実施の形態による半導体装置の検査方法と同様に、検査装置８９が情報受信部７３（図１参照）を具える構成としてもよい。そして、情報受信部７３を用いて、窒化物半導体層の全面に渡って、第１強度及び第２強度を検出し、窒化物半導体層の不良部の特定を行うのが好ましい。なお、情報受信部７３の構成、及び不良部を特定する方法については、上述した第１の実施の形態と同様であるため、それらの説明を省略する。

この発明の第１の実施の形態を説明する概略図である。 窒化物半導体層の表面からの深さとキャリア濃度との相関関係を示した図である。 種々の波長の光に対するＧａＮ層の透過率を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１の実施の形態に係る、実験に用いた２つの被検査素子、すなわち試料Ａ及び試料Ｂの概略図である。 試料Ａ及び試料Ｂについてフォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。 この発明の第２の実施の形態を説明する概略図である。

符号の説明

１１：試料
１３、８９：検査装置
１５、５１、５３、５９、６１：サファイア基板
１７、５５、５７：ＧａＮ層（窒化物半導体層）
１９、９１：励起光照射部
２１：検出部
２３、９７：ステージ
２５、９９：光源
２７、１０１：狭帯域フィルタ
２９、１０３：ハーフミラー
３１、１０７ａ、１０７ｂ：第１レンズ
３３：第２レンズ
３５：分光器
３７：検出器
４５：界面
４７、９３：第１励起光
４９、１０９ａ、１０９ｂ：イエロールミネッセンス
７１：情報処理部
７３：情報受信部
７５：ＣＰＵ
７７：入力部
７９：格納部
８１：出力部
８３：ステージ駆動部
８５：制御部
８７：抽出部
９５：第２励起光
１０５ａ：第１ミラー
１０５ｂ：第２ミラー
１０５ｃ：第３ミラー
１０５ｄ：第４ミラー
１０５ｅ：第５ミラー

Claims (7)

1. サファイア基板の表面に形成された窒化物半導体層に対して、前記表面と対向する裏面側から、第１励起光を、前記サファイア基板を透過させて照射し、前記第１励起光によって前記窒化物半導体層に発生し、かつ前記裏面から出射される、欠陥に基づく光の第１強度を検出することによって、該第１強度から前記窒化物半導体層の評価を行う
   ことを特徴とする半導体装置の検査方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の検査方法において、
   前記第１励起光の波長を２７０〜３２０ｎｍとする
   ことを特徴とする半導体装置の検査方法。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置の検査方法において、
   前記窒化物半導体層の全面に渡って前記検出を行い、前記第１強度の分布から、前記窒化物半導体層における前記欠陥に由来する不良部の位置を特定する
   ことを特徴とする半導体装置の検査方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の検査方法において、
   さらに、前記表面側から前記窒化物半導体層に対して第２励起光を照射し、該第２励起光によって前記窒化物半導体層に発生し、かつ前記窒化物半導体層の表面から出射される、前記欠陥に基づく光の第２強度を検出することによって、該第２強度から前記窒化物半導体層の評価を行う
   ことを特徴とする半導体装置の検査方法。
5. 請求項４に記載の半導体装置の検査方法において、
   前記第２励起光の波長を２７０〜３２０ｎｍとする
   ことを特徴とする半導体装置の検査方法。
6. サファイア基板の表面に形成された窒化物半導体層に対して、前記表面と対向する裏面側から、第１励起光を、前記サファイア基板を透過させて照射し、かつ前記表面側から前記窒化物半導体層に対して第２励起光を照射する、励起光照射部と、
   前記第１励起光によって前記窒化物半導体層に発生し、かつ前記裏面から出射される、欠陥に基づく光の第１強度、及び前記第２励起光によって前記窒化物半導体層に発生し、かつ前記窒化物半導体層の表面から出射される、前記欠陥に基づく光の第２強度を検出する、検出部と
   を具えることを特徴とする半導体装置の検査装置。
7. 請求項６に記載の半導体装置の検査装置において、
   前記第１及び第２励起光の波長が２７０〜３２０ｎｍである
   ことを特徴とする半導体装置の検査装置。

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