JP2013162112A - 欠陥判別装置、およびその方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】結晶欠陥を適切に判別し、半導体素子の動作の良否を事前に判断することができる欠陥判別装置、およびその方法を提供する。
【解決手段】欠陥判別装置は、オフ角7を有する炭化珪素基板5の表面において、平面視で三角形状に形成された三角欠陥の、ステップフロー成長方向に沿うフォトルミネッセンス測定を行い、特定波長の発光ラインプロファイルを検出する、光検出器と、検出した発光ラインプロファイルに基づいて、三角欠陥の種別を判別する判別部とを備える。
【選択図】図6

Description

本発明は、半導体、特に炭化珪素を用いた半導体素子中の欠陥を判別する欠陥判別装置、およびその方法に関するものである。
例えば、炭化珪素単結晶基板を用いた半導体素子を作製するにあたり、基板の品質を評価することは極めて重要である。基板の品質が、基板を用いて作製される半導体素子の動作精度に影響を及ぼし、その電気的特性を低下させることになるからである。品質評価した基板を用いて半導体素子を作製することを考える場合には、当該品質評価は非破壊で行われることが前提となる。
基板の品質評価を非破壊で行う手法は幾つかあるが、中でもフォトルミネッセンス(Photoluminescence:PL)法が広く用いられている。
結晶に対して、その結晶のバンドギャップ以上のエネルギーを有する光を照射した際に発せられる、結晶固有の発光がフォトルミネッセンス(PL)である。その結晶のバンドギャップ以上のエネルギーを有する光を照射された結晶内では、電子正孔対が励起され、一定時間後にこれらは再結合する。再結合の過程は複数存在し、発光(PL)はこれらの過程を反映したものとなる。
再結合過程は結晶欠陥等の有無に大きく依存するため、PLを評価することで結晶の品質、すなわち基板の品質を評価することができる。また、基板面内の全域でPL測定を行い、特定の発光波長の像を表示させるPLマッピング測定を行うことで、基板中の結晶欠陥の3次元分布を把握することが可能となる(特許文献1参照)。
炭化珪素の結晶中には、点欠陥である炭素空孔や混入不純物原子や、線状の欠陥である貫通らせん転位、貫通刃状転位、基底面内転位、さらに面状の欠陥である積層欠陥類が存在する。面状の欠陥である積層欠陥類には、キャロット欠陥、三角欠陥等の、いわゆるオフ角を有する微傾斜基板上のエピタキシャル層表面に、特徴的な表面形態を伴って形成される欠陥も含む。
面状の欠陥である積層欠陥類の多くはPL測定時に特有の波長で発光するため、その特定波長を用いて基板全体でPLマッピング測定を行うことで、積層欠陥類の2次元分布を明瞭に捉えることができる。
特開2006−147848号公報
しかしながら、積層欠陥類には、PL測定において同様の発光波長を示すにも関わらず、半導体素子の動作に悪影響を与えないもの(以下、欠陥A)と、半導体素子動作に悪影響を与えるもの(以下、欠陥B)とが存在する。半導体素子の動作への悪影響、すなわち、半導体素子の動作の劣化例としては、電気信号を正しく送ることができなかったり、出力する電気信号の切り替え周期が遅くなったり、想定よりも大きな電流が流れてしまったり、例えば、電流リーク現象(本来電流が流れてはならない状態において、電流が流れてしまう現象)を生じさせてしまったりする、電気的特性の低下が挙げられる。
欠陥Aおよび欠陥Bは、基板全域における通常のPLマッピング測定では同様の像として表示されるため、特許文献1に示すような方法ではこれらを判別することができなかった。よって、作製する半導体素子の動作の良否を事前に判断するため、これらを判別する技術が求められていた。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、結晶欠陥を適切に判別し、半導体素子の動作の良否を事前に判断することができる欠陥判別装置、およびその方法を提供することを目的とする。
本発明にかかる欠陥判別装置は、オフ角を有する炭化珪素半導体基板の表面において、平面視で三角形状に形成された三角欠陥の、ステップフロー成長方向に沿うフォトルミネッセンス測定を行い、特定波長の発光ラインプロファイルを検出する、光検出部と、検出した前記発光ラインプロファイルに基づいて、前記三角欠陥の種別を判別する判別部とを備えることを特徴とする。
本発明にかかる欠陥判別方法は、(a)オフ角を有する炭化珪素半導体基板の表面において、平面視で三角形状に形成された三角欠陥の、ステップフロー成長方向に沿うフォトルミネッセンス測定を行い、特定波長の発光ラインプロファイルを検出する工程と、(b)検出した前記発光ラインプロファイルに基づいて、前記三角欠陥の種別を判別する工程とを備えることを特徴とする。
本発明にかかる欠陥判別装置によれば、発光ラインプロファイルに基づいて三角欠陥の種別を判別部において判別し、半導体素子の動作を劣化させる種別であるか否かを判別することで、半導体素子の動作の良否を事前に判断することができる。
本発明にかかる欠陥判別方法によれば、発光ラインプロファイルに基づいて三角欠陥の種別を判別する工程によって、半導体素子の動作を劣化させる種別であるか否かを判別し、半導体素子の動作の良否を事前に判断することができる。
欠陥判別装置の構成例を示す概略図である。 欠陥判別装置のソフトウェア構成を示す模式図である。 欠陥判別処理を示すフローチャートである。 PLラインプロファイルの測定位置を示す模式図である。 炭化珪素基板表面の三角欠陥を真上から見た模式図である。 欠陥Aおよび欠陥Bの断面構造を模式的に示す図である。 欠陥Aおよび欠陥BのPLラインプロファイルを示す図である。
<実施の形態1>
<構成>
以下、本発明にかかる実施の形態を、図面を用いて説明する。
図1は、本実施の形態の欠陥判別装置の概略図である。図1に示すように欠陥判別装置は、励起光源10から出射された励起光11(Hd−Cdレーザ等)の進路を変えるミラー12と、さらに励起光11の進路を変え、また、ルミネッセンス光16を透過させるハーフミラー13と、励起光11を試料15に集光させるための対物レンズ14と、ハーフミラー13を透過したルミネッセンス光16を分光する回折格子等である分光器17と、ルミネッセンス光16の情報を検出するCCDカメラ等である光検出器18と、ルミネッセンス光16の情報をスペクトルとして保存するコンピュータ19とを備える。
特に、試料15からのルミネッセンス光16を収集するシステムが外部に形成できる場合には、当該ルミネッセンス光16を検出する光検出器18と、ルミネッセンス光16の情報をスペクトルとして保存するコンピュータ19とを備えていればよい。
励起光11は、励起光源10からミラー12に向かって進む。次いで、ミラー12で進路を変更された励起光11は、ハーフミラー13によってさらに進路を変え、対物レンズ14に向かって進む。
対物レンズ14によって集光された励起光11は、試料15(オフ角を有する炭化珪素基板のエピタキシャル層等)の表面に当てられる。試料15は、XY可動ステージ20上に配置される。このとき、励起光11の焦点は、対物レンズ14によって試料15の表面に合わせられている。
励起光11を当てることによって試料15から放出されたルミネッセンス光16は、対物レンズ14で集光され、ハーフミラー13を透過する。
ハーフミラー13を透過したルミネッセンス光16は、分光器17で分光され、光検出器18に向かう。
光検出器18において得られたルミネッセンス光16の情報は、コンピュータ19でスペクトル(PLスペクトル)として保存される。このようにして、試料15上の1点におけるPLスペクトルを取得する。基板全体等、広範囲のルミネッセンス光16を測定する場合には、コンピュータ19によって制御されたXY可動ステージ20を1点測定ごとに移動させて行うことができる。
図2は、図1のコンピュータ19におけるソフトウェア構成を、模式的に示した図である。図2に示すようにコンピュータ19は、光検出器18からの出力を受け付ける受付部100と、受付部100において受け付けたデータを解析し、結晶欠陥の種別を判別する判別部101と、結晶欠陥のスペクトル、位置等を記憶する記憶部102と、XY可動ステージ20の移動動作を制御する制御部103とを備える。
<動作>
次に、欠陥判別動作について、図3を参照しつつ説明する。
図3は、欠陥判別動作の過程を示すフローチャートである。
図3に示すように、まず、ステップS1では、コンピュータ19の制御部103によってXY可動ステージ20が移動制御され、炭化珪素基板のエピタキシャル層表面の例えば全域に対してPLマッピング測定が行われる。PLマッピング測定は、励起光11が試料15の表面に当てられ、XY可動ステージ20の位置が変化することによって、基板表面全域に対して行われる。
励起光11が試料15の表面に当てられることによって放出されるルミネッセンス光16は、ハーフミラー13を透過し、分光器17によって分光される。分光されたルミネッセンス光16は、光検出器18においてスペクトルデータとして検出され、その位置情報とともに、コンピュータ19の記憶部102において記憶される。
次にステップS2では、光検出器18によって、例えば540nm付近で発光する三角欠陥が検出され、その欠陥位置がコンピュータ19の記憶部102に記憶する。なお、検出するルミネッセンス光16の波長は、単一波長である場合に限られない。
次にステップS3では、コンピュータ19の制御部103によって、三角欠陥が検出された欠陥位置にXY可動ステージ20が移動される。
次にステップS4では、図4に示すように、対象となった三角欠陥1が欠陥A(半導体素子の動作を劣化させない結晶欠陥)であるか欠陥B(半導体素子の動作を劣化させる結晶欠陥)であるかを判別するために、光検出器18によって、三角欠陥1に対してステップフロー成長方向4に沿った直線40上でPL測定を実施する。当該PL測定は、例えば540nm付近の発光波長に対して行われる。欠陥始点2から欠陥終点3までの測定点は10点程度が望ましい。ステップフロー成長方向とは、微傾斜基板等のエピタキシャル層がステップフロー成長をする基板上の方向を指す。また、ステップフロー成長方向に沿って複数点測定された発光強度の変化を示したものを、PLラインプロファイル(発光ラインプロファイル)とする。
ここで発明者は、4H型の炭化珪素基板のエピタキシャル層内に存在する複数の三角欠陥について、透過型電子顕微鏡による観察を実施し、欠陥Aおよび欠陥Bの違いを見出した。
三角欠陥1は、図5のようにエピタキシャル層表面に三角形状の表面形態を呈し、さらに図6のように、エピタキシャル層6内部に3C型の炭化珪素層(3C層)を伴うことが知られている。この3C層は、本来エピタキシャル層を構成すべき4H型の層よりも絶縁破壊電界が低く(高電圧に弱い)、電流を流す場合と逆向きに電圧をかけた場合に、3C層が電流リークの原因となる可能性がある(すなわち、耐圧の低下によりリーク電流が発生する)。
発明者の調査により、欠陥Aの内部には、厚さが最大で12nm程度の薄い3C層9が、炭化珪素基板5上の点からエピタキシャル層6の表面まで、オフ角7に沿って存在する(図6(a)参照)。ここで、欠陥Aにおいて、3C層9が存在する面を基底面8とする。
これに対して、欠陥Bの内部では図6(b)に示すように、欠陥Bにおける基底面8からエピタキシャル層6表面側の全領域が3C層90(3Cポリタイプ)となっていることが明らかになった。よって、欠陥Bは、欠陥Aに比べ、より耐圧の低下に寄与する可能性が高く、半導体装置の動作にも影響を与えやすいことが分かる。
以上のように、欠陥Aに分類されるものは、図6(a)に示すように、厚さが最大で12nm程度の薄い3C層を有している。また、欠陥Bに分類されるものは、図6(b)に示すように、基底面8から上の全領域が3Cポリタイプとなっている。
次に光検出器18によって、波長540nm付近におけるPLラインプロファイル(発光ラインプロファイル)を取得する。対象となる三角欠陥のステップフロー成長方向に沿った直線上で波長540nm付近の発光波長におけるPLラインプロファイル取得すると、図7(a)、図7(b)に示すようなプロファイル形状に分類することができる。
図7(a)、図7(b)は、4°オフ角の4H−炭化珪素(0001)基板上に形成された、厚さ10μmのエピタキシャル層6中に存在する三角欠陥のPLラインプロファイルである。縦軸は発光強度(a.u.)、横軸は基準位置からの距離(μm)をそれぞれ示す。ここでの基準位置は、欠陥始点2よりさらに外側の位置とした。
これらのPLラインプロファイルは、励起光源に例えばHe−Cdレーザ(325nm)を用い、対物レンズ14を用いてエピタキシャル層6表面に励起光11の焦点を合わせた状態で取得されたものである。He−Cdレーザの炭化珪素に対する侵入長は10μm程度であり、エピタキシャル層6表面における欠陥始点2直下の3C層起因の発光も捉えられているが、深い位置から放出されたフォトルミネッセンスは試料表面に到達するまでの過程で減衰されるため、検出される発光強度は低下する。
すなわち、ステップフロー成長方向に沿って取得した特定波長の発光強度変化は、試料15の深さ方向における3C層の位置、量の情報を含むものとなる。よって、コンピュータ19の判別部101において、ステップフロー成長方向に沿って取得した特定波長の発光強度変化に基づいて、欠陥Aであるか欠陥Bであるかを判別することができる(ステップS5)。具体的な判別方法は、以下に述べる。
図7に示す点aは、特定波長としての波長540nmの発光強度の極大点、点bおよび点cは、いずれも発光強度が極大値の半分となる半値点である。半値点b(第1半値点)が欠陥始点2寄り、半値点c(第2半値点)が欠陥終点3寄りの点とする。
図7(a)と図7(b)とを比較すると、極大点aが、欠陥Aでは、半値点bと半値点cとの中間点よりも半値点c側にあるのに対して、欠陥Bでは、半値点bと半値点cとの中間点よりも半値点b側に存在する。このPLラインプロファイル形状の違いは、次に述べる理由により生じる。
欠陥Aの場合、図6(a)に示すように、欠陥始点2から欠陥終点3までの区間では4°のオフ角に沿って、薄い3C層9が徐々にエピタキシャル層6表面に接近する状態となる。すなわち、540nmの波長で発光する層が、ステップフロー成長方向に進むにしたがって徐々に試料表面に近づくため、深さ距離による減衰の効果が緩やかになり、発光強度が増加する。よって、図7(a)における半値点bと極大点aとの間では、発光強度が徐々に増加する。
一方、欠陥終点3付近では、ステップフロー成長方向に進むにしたがって、540nmの波長で発光する3C層9が急激に減少し、最終的に存在しなくなるため、図7(a)における極大点aと半値点cとの間では、540nmの発光強度は急激に低下する。
欠陥Bの場合、図6(b)に示すように、欠陥始点2付近から、深さ方向の3C層90幅が急激に増加し、ステップフロー成長方向に沿ってPL測定を行った場合の、540nmの発光強度もそれに伴って増加する。そのため、図7(b)における半値点bと極大点aとの間では、PLラインプロファイルの立ち上がりは急峻となり、発光強度が急激に増加する。
一方、欠陥終点3に向かってステップフロー成長方向に進むと、540nmの波長で発光する3C層90が緩やかに減少するが、3C層90の基底面8は試料表面に接近するため、全体として発光強度は緩やかに低下する。よって、図7(b)における極大点aと半値点cとの間では、発光強度は緩やかに低下する。
取得したPLラインプロファイル形状の差異は、判別部101において、例えば次のように判別する。
半値点bと極大点aとの間の距離をd1とし、極大点aと半値点c間との距離をd2とする。これらの比d2/d1が1未満である場合は、発光強度の極大点aが、半値点bと、半値点bおよび半値点cの中間点との間に存在し、d2/d1が1以上である場合は、極大点aが、当該中間点と半値点cとの間に存在することになる。すなわち、d2/d1が1未満である場合は、極大点aが半値点bに近い位置に存在し、d2/d1が1以上である場合は、極大点aが半値点cに近い位置に存在することになる。
したがって、このd2/d1の値を得ることによって、欠陥Aおよび欠陥Bを判別することができる。図7に示した欠陥Aでは、d2/d1=0.45となり1未満であり、欠陥Bでは、d2/d1=2.53となり1以上であることが分かる。
以上のように、対象となる三角欠陥に対してステップフロー成長方向に沿ったPLラインプロファイルを取得し、540nmにおける発光強度の変化、すなわち発光強度が極大点の位置と、発光強度が極大点の半分となる半値点の位置との関係から、欠陥Aおよび欠陥Bを判別することができる。ただし、欠陥Aおよび欠陥Bを判別する方法は、当該方法に限定されるものではない。判別された結晶欠陥の基板上の位置は、コンピュータ19の記憶部102に記憶しておく。
次にステップS6では、コンピュータ19において、光検出器18によって他に三角欠陥が検出されていないかを判断する。他に三角欠陥が存在する場合には、制御部103によって次に対象となる欠陥位置にXY可動ステージ20を移動させ、同様にPLラインプロファイルを測定し、判別部101によって結晶欠陥の判別を同様に行う。
すべての三角欠陥について判別処理を終えた時点で、結晶欠陥の判別処理は終了となる。結晶欠陥の位置はコンピュータ19の記憶部102に記憶されているため、欠陥Bが検出された位置に作製される半導体素子のみを速やかに除外することができる。
以上の処理を実施することで、半導体素子1つ1つの電気的特性等を測定することなく事前に不良素子を排除可能となる。
<変形例>
図1では、光検出器18はコンピュータ19と別途備えられているが、光検出器18にコンピュータが内蔵されているような場合であってもよい。
また図3では、基板全体の結晶欠陥の判別処理を行う場合を示しているが、基板の一部について欠陥判別処理を行う場合であってもよい。
また、上記の実施の形態では、例として540nmで発光する3Cポリタイプの結晶欠陥について示したが、2H、6H、またはこれら以外のポリタイプに対しても同様に適用可能である。さらに、基板に関しても4H型(4Hポリタイプ)のみに限定されるものではない。
なお、PLラインプロファイル取得以前に、基板全体から対象の結晶欠陥を検出する方法としては、例えば特許文献1のようなPLマッピング測定などを用いればよい。
<効果>
本発明にかかる実施の形態によれば、欠陥判別装置において、オフ角を有する炭化珪素基板5の表面において、平面視で三角形状に形成された三角欠陥1の、ステップフロー成長方向4に沿うPL測定を行い、特定波長のPLラインプロファイル(発光ラインプロファイル)を検出する、光検出器18と、検出したPLラインプロファイルに基づいて、三角欠陥1の種別を判別する判別部101とを備える。
このような欠陥判別装置によれば、発光ラインプロファイルに基づいて三角欠陥の種別を判別部101において判別し、半導体素子の動作を劣化させる種別(欠陥B)であるか否かを判別することで、半導体素子の動作の良否を事前に判断することができる。
また、結晶欠陥の炭化珪素基板5表面における位置座標を記憶部102において記憶しておくことで、該当位置に作製される半導体素子を不良品として排除することが可能となる。このように処理することにより、通電試験等を実施せずとも不良素子を除外することができ、半導体素子の品質評価の時間を短縮することができる。
また、本発明にかかる実施の形態によれば、欠陥判別装置において、判別部101が、PLラインプロファイル(発光ラインプロファイル)から、発光強度の極大点aと、極大点aを挟んで存在する、発光強度が極大点aの半分となる第1半値点としての半値点bおよび第2半値点としての半値点cとを読み取り、極大点aが半値点bおよび半値点cのいずれに近い位置で読み取られるかに基づいて、三角欠陥1の種別を判別する。
このような欠陥判別装置によれば、半値点bを欠陥始点2側、半値点cを欠陥終点3側としたとき、極大点aと半値点bとの間の距離d1と、極大点aと半値点cとの間の距離d2との比であるd2/d1が、例えば、1未満である場合には欠陥A、1以上である場合には欠陥Bと判別することができる。よって、半導体素子の動作を劣化させる欠陥Aと、半導体素子の動作を劣化させない欠陥Bとを正確に判別し、半導体素子の動作の良否を事前に判断することができる。
また、本発明にかかる実施の形態によれば、欠陥判別装置において、判別部101は、三角欠陥1が、炭化珪素基板5を用いて作製される半導体素子の電気的特性を低下させる種別であるか否かを判別する。
このような欠陥判別装置によれば、その表面形態や、通常のPLマッピング測定からは判別不可能である、半導体素子の電気的特性を低下させる結晶欠陥(欠陥B)を判別し、当該結晶欠陥が位置する部分の炭化珪素基板5を取り除き、適切に動作する半導体素子を効率的に作製することができる。
また、本発明にかかる実施の形態によれば、欠陥判別装置において、光検出器18が、三角欠陥1の単一波長のPLラインプロファイル(発光ラインプロファイル)を検出する。
このような欠陥判別装置によれば、複数の励起光11を用いたPL測定を行うことなしに、結晶欠陥の深さ方向の情報を含むPLラインプロファイルを得ることができ、結晶の品質評価時間の短縮が可能となる。
なお本発明は、その発明の範囲内において、本実施の形態における任意の構成要素の変形もしくは省略が可能である。
1 三角欠陥、2 欠陥始点、3 欠陥終点、4 ステップフロー成長方向、5 炭化珪素基板、6 エピタキシャル層、7 オフ角、8 基底面、9,90 3C層、10 励起光源、11 励起光、12 ミラー、13 ハーフミラー、14 対物レンズ、15 試料、16 ルミネッセンス光、17 分光器、18 光検出器、19 コンピュータ、20 XY可動ステージ、40 直線、100 受付部、101 判別部、102 記憶部、103 制御部。

Claims (10)

  1. オフ角を有する炭化珪素半導体基板の表面において、平面視で三角形状に形成された三角欠陥の、ステップフロー成長方向に沿うフォトルミネッセンス測定を行い、特定波長の発光ラインプロファイルを検出する、光検出部と、
    検出した前記発光ラインプロファイルに基づいて、前記三角欠陥の種別を判別する判別部とを備えることを特徴とする、
    欠陥判別装置。
  2. 前記判別部が、前記発光ラインプロファイルから、発光強度の極大点と、前記極大点を挟んで存在する、前記発光強度が前記極大点の半分となる第1半値点および第2半値点とを読み取り、
    前記極大点が前記第1半値点および前記第2半値点のいずれに近い位置で読み取られるかに基づいて、前記三角欠陥の種別を判別することを特徴とする、
    請求項1に記載の欠陥判別装置。
  3. 前記判別部は、前記三角欠陥が、前記炭化珪素半導体基板を用いて作製される半導体素子の電気的特性を低下させる種別であるか否かを判別することを特徴とする、
    請求項1または2に記載の欠陥判別装置。
  4. 前記光検出部が、前記三角欠陥の単一波長の前記発光ラインプロファイルを検出することを特徴とする、
    請求項1〜3のいずれかに記載の欠陥判別装置。
  5. 前記光検出部が、前記三角欠陥の波長540nmの前記発光ラインプロファイルを検出することを特徴とする、
    請求項1〜4のいずれかに記載の欠陥判別装置。
  6. (a)オフ角を有する炭化珪素半導体基板の表面において、平面視で三角形状に形成された三角欠陥の、ステップフロー成長方向に沿うフォトルミネッセンス測定を行い、特定波長の発光ラインプロファイルを検出する工程と、
    (b)検出した前記発光ラインプロファイルに基づいて、前記三角欠陥の種別を判別する工程とを備えることを特徴とする、
    欠陥判別方法。
  7. 前記工程(b)が、
    (b−1)前記発光ラインプロファイルから、発光強度の極大点と、前記極大点を挟んで存在する、前記発光強度が前記極大点の半分となる第1半値点および第2半値点とを読み取る工程と、
    (b−2)前記極大点が前記第1半値点および前記第2半値点のいずれに近い位置で読み取られるかに基づいて、前記三角欠陥の種別を判別する工程とを備えることを特徴とする、
    請求項6に記載の欠陥判別方法。
  8. 前記工程(b)は、前記三角欠陥が、前記炭化珪素半導体基板を用いて作製される半導体素子の電気的特性を低下させる種別であるか否かを判別する工程であることを特徴とする、
    請求項6または7に記載の欠陥判別方法。
  9. 前記工程(a)が、前記三角欠陥の単一波長の前記発光ラインプロファイルを検出する工程であることを特徴とする、
    請求項6〜8のいずれかに記載の欠陥判別方法。
  10. 前記工程(a)が、前記三角欠陥の波長540nmの前記発光ラインプロファイルを検出する工程であることを特徴とする、
    請求項6〜9のいずれかに記載の欠陥判別方法。
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