JP2013211313A - 周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体結晶の表面の加工傷の有無を、測定対象の大きさによらず、短時間で、エネルギーを大量に消費することなく、簡便かつ安価に、表面を汚すことなく、高い精度で、検査することができる周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法を提供する。
【解決手段】周期表第１３族金属窒化物半導体基板の表面に、大気圧下で、前記半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射する照射工程と、前記照射工程によって前記電磁波が照射された前記半導体基板の表面から出射される光の、バンド端に対応する波長の光の強度を判別する検査工程と、を含む周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、窒化ガリウム等周期表第１３族金属窒化物を用いた半導体基板の検査方法およびこれを利用した周期表第１３族金属窒化物を用いた半導体基板の製造方法に関する。

半導体基板は、その結晶表面に欠陥が存在していると、これを用いた半導体装置の性能に大きな影響を与えてしまう。特にレーザー用途に窒化ガリウム結晶を用いた半導体基板を使用する場合には、結晶欠陥が原因となってレーザーの寿命が短くなってしまうこともある。このため、従来から結晶表面の欠陥の有無について、半導体基板に問題がないか検査が行なわれている。

前記半導体基板の検査方法としては、下記非特許文献１に記載されているように、周期表第１３族金属窒化物半導体結晶の表面の転位の有無を調べることのできる「ＳＥＭ−ＣＬ測定」が一般に用いられている。ＳＥＭ−ＣＬ測定によれば、試料に電子線を照射し、発生する２次電子（ＳＥＭ）や光（ＣＬ）を検出することができ、欠陥のある部位は暗く、欠陥のない部位は明るく観察される。このため、その明度の差で転位の有無を判別することができる。

また、他の方法としては、下記非特許文献２に記載されているように、周期表第１３族金属窒化物半導体結晶の表面を蛍光顕微鏡観察する方法もあり、結晶成長の履歴を観察することができる。

Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３７（１９９８）ｐｐ．Ｌ３９８−Ｌ４００． ２００９年７月・ＳＥＩテクニカルレビュー・第１７５号ｐｐ．１０−１８．

本発明者らが検討したところ、結晶表面の転位と同様に、結晶表面の加工傷（スクラッチ）にも欠陥が存在するため、ＳＥＭ−ＣＬ測定によれば、表面の加工傷の有無を判別することができることがわかった。しかしながら、ＳＥＭ−ＣＬ測定は、真空雰囲気下でなければ測定ができないため、（１）測定対象の大きさが制限され、（２）測定に時間がかかり、（３）エネルギー（電力）が大量に消費され、（４）真空装置のメンテナンスに時間・費用・手間がかかるなどといった問題がある。さらには、（５）電子線照射によって測定対象表面にカーボンが付着するといった問題もある。

一方、非特許文献２に記載の蛍光顕微鏡観察を用いた方法では、前記（１）〜（５）の問題はないが、イエローバンドと呼ばれる波長５８０ｎｍ付近にピークを持つ深い準位の発光を観察しようとしても、（６）イエローバンドの発光強度が十分に高くない場合には、周囲の低欠陥(スクラッチ傷のない)領域と区別がつきにくく、観察の制度が低いという問題があった。

本発明は、周期表第１３族金属窒化物半導体結晶の表面の加工傷の有無を、測定対象の大きさによらず、短時間で、エネルギーを大量に消費することなく、簡便かつ安価に、表面を汚すことなく、高い精度で、検査することができる周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法を提供することを目的とする。

［１］ 周期表第１３族金属窒化物半導体基板の表面に、大気圧下で、前記半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射する照射工程と、
前記照射工程によって前記電磁波が照射された前記半導体基板の表面から出射される光の、バンド端に対応する波長の光の強度を判別する検査工程と、
を含む周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。

［２］ 前記検査工程において、前記半導体基板の表面から出射される光に、前記バンド端に対応する波長の光が含まれているか否かを蛍光顕微鏡によって判別する前記［１］に記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。

［３］ 前記照射工程において、水銀ランプによって前記半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射する前記［１］または［２］に記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。

［４］ 前記照射工程において、Ｈｅ−Ｃｄレーザーによって前記半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射する［１］または［２］に記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。

［５］ 前記照射工程において、特性Ｘ線によって前記半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射する前記［１］または［２］に記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。

［６］ 前記検査工程において、前記半導体基板の表面から出射される光を、バンド端に対応する波長以上の光を透過するバンドパスフィルターに通過させる前記［１］〜［５］のいずれかに記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。

［７］ 前記［１］〜［６］のいずれかに記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法によって結晶欠陥の有無を判別し、その結果に応じて周期表第１３族金属窒化物半導体基板の表面に形態加工を施すことを特徴とする、周期表第１３族金属窒化物半導体基板の製造方法。

本発明によれば、周期表第１３族金属窒化物半導体結晶の表面の加工傷の有無を、測定対象の大きさによらず、短時間で、エネルギーを大量に消費することなく、簡便かつ安価に、表面を汚すことなく、高い精度で、検査することができる周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法を提供することができる。

本発明で用いることができる蛍光顕微鏡の模式図である。

以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
また、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。

［周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法］
本発明の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法（以下、単に「本発明の検査方法」と称することがある。）は、周期表第１３族金属窒化物半導体基板の表面に、大気圧下で、前記半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射する照射工程と、前記照射工程によって前記電磁波が照射された前記半導体基板の表面から出射される光の、バンド端に対応する波長の光の強度を判別する検査工程と、を含む。ここで、「バンド端に対応する波長の光」とは、バンド端に由来する発光のみならず、バンド端近傍の発光（バンド端の発光±５ｎｍの波長を有する光）を含む。

周期表第１３族金属窒化物半導体基板（以下、単に「半導体基板」と称することがある。）の表面にそのバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射し、当該表面から出射される光のバンド端に対応する波長の光の強度を観察すると、半導体結晶の表面の加工傷の有無によってバンド端に対応する波長の光の強度が異なる。即ち、加工傷が存在する部位においては、前記バンド端由来の光の強度が弱まる。このため、本発明の検査方法によれば、結晶表面の加工傷の存在を前記バンド端由来の光の強度差によって判別することができる。

本発明の検査方法によれば、半導体基板表面から出射されるバンド端由来の光を観察することで、表面の加工傷の有無を、測定対象の大きさによらず、短時間で、エネルギーを大量に消費することなく、簡便かつ安価に、表面を汚すことなく、検査することができる。即ち、本発明の検査方法によれば、ＳＥＭ−ＣＬ測定のように真空雰囲気下で測定を行う必要がないため、大掛かりな真空装置等が不要である。このため、測定対象の大きさに制限がなく、且つ、真空装置のメンテナンスに時間・費用・手間がかかるなどといった問題もない。更に、ＳＥＭ−ＣＬ測定と異なり、電子線照射によって測定対象表面にカーボンが付着するといった問題もない。また、本発明の検査方法では、バンド端由来の光の強度を判別することから、イエローバンドのようにＯ等の不純物量に影響されることなく、高い精度で表面の加工傷の有無を判別することができる。

（照射工程）
本発明の検査方法において、照射工程は、周期表第１３族金属窒化物半導体基板の表面に、大気圧下で、前記半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射する工程である。

前記半導体基板は、周期表第１３族金属窒化物結晶を用いて形成される。前記周期表第１３族金属としては、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム等が挙げられる。また、第１３族金属窒化物結晶の具体例としては、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物の単結晶または多結晶などが挙げられる。また、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ等の２種類以上の周期表第１３族金属からなる混晶も挙げられる。
これら周期表第１３族金属窒化物結晶としては、サファイア等の異種基板上にエピタキシャル成長させた後に剥離させて得た単結晶、金属ＧａからＮａやＬｉ、Ｂｉをフラックスとして結晶成長させて得た単結晶、液相エピタキシ法（ＬＰＥ法）を用いて得たホモ／ヘテロエピタキシャル成長させた単結晶、溶液成長法に基づき作製された単結晶およびそれらを切断した結晶などを用いることができる。また、前記エピタキシャル成長の具体的な方法については特に制限されず、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）法、有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）、液相法、アモノサーマル法などを採用することができる。

本発明の検査方法は、大気圧下で実施される。ここで、「大気圧」とは、空調などを除く特別な気圧調整を実施していない状態での気圧を意味し、標準大気圧（１ａｔｍ（０．１０ＭＰａ））であることが好ましい。

前記電磁波は、半導体基板に含まれる周期表第１３族金属窒化物結晶のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する。具体的には、当該周期表第１３族金属窒化物半導体のＰＬ（Photo Luminescence）スペクトルを測定した際に得られる周期表第１３族金属窒化物半導体固有のスペクトルにおいて、最も短波長側に発生したスペクトル（バンド端由来のスペクトル）のピークトップの波長からそのピークの半値幅を引いた波長のエネルギー値よりも大きなエネルギーを有する電磁波を意味する。例えば、前記半導体基板が、窒化ガリウム（ＧａＮ）であれば３．４ｅＶ以上、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であれば６．３ｅＶ以上、窒化インジウム（ＩｎＮ）であれば０．８ｅＶ以上のエネルギーを有する電磁波が照射される。

前記電磁波の光源としては、例えば、水銀ランプ、Ｈｅ−Ｃｄレーザー、ＹＡＧレーザーまたは特性Ｘ線等を用いることができる。前記水銀ランプとしては例えば、特性波長２５４ｎｍ、４．９ｅＶのものを用いることができる。前記Ｈｅ−Ｃｄレーザー（３．８ｅＶ）は、波長３２５ｎｍ付近にピークを有する。前記ＹＡＧレーザーは、４倍波（２６６ｎｍ、４．７ｅＶ）のものを用いることができる。また、特性Ｘ線としては、ＣｕＫα線（８．０４８ｋｅＶ）、ＭｏＫα線（１７．５ｋｅＶ）などを用いることができる。

（検査工程）
前記検査工程は、前記照射工程によって前記電磁波が照射された前記半導体基板の表面から出射される光の、バンド端に対応する波長の光の強度を判別する工程である。本発明の検査方法は、前記検査工程においてバンド端由来の光を判別することによって、前記半導体基板に加工傷が存在するか否かを検査することができる。ここで、「バンド端に対応する波長の光」とは、前記半導体固有のスペクトルにおいて、最も短波長側に発生したスペクトル（バンド端由来のスペクトル）のピークトップの波長の光を意味する。

上述の通り、「バンド端に対応する波長の光」とは、バンド端に由来する発光のみならず、バンド端近傍の発光（バンド端の発光±５ｎｍの波長を有する光）を含むが、例えば、前記半導体基板が窒化ガリウム（ＧａＮ）の場合には、３６５±５ｎｍの光がこれに該当する。また、バンド端由来の光が含まれていれば、バンド端由来以外の光が含まれていても良い。

本発明の検査方法は、蛍光顕微鏡によって前記半導体基板の表面から出射される光に、前記バンド端に対応する波長の光が含まれているか否かを判別することができる。特に蛍光顕微鏡を用いて、前記バンド端に対応する波長の光が含まれているか否かを判別すると、ＳＥＭ像で観察される基板表面の加工傷（スクラッチ）と同等のものを蛍光像として観察することができる。上述のＳＥＭ−ＣＬ測定においても、前記加工傷をＣＬ像として観察することができるが、本発明の検査方法ではＳＥＭ−ＣＬ像と異なり、非破壊での観察が可能である。

前記検査工程においては、前記半導体基板の表面から出射される光のうち、バンド端に対応する波長以上の光を透過するバンドパスフィルターに通過させることができる。本発明に用いることのできる蛍光顕微鏡について図１を用いて説明する。図１は、本発明で用いることができる蛍光顕微鏡の模式図である。

図１において、蛍光顕微鏡１００は、図示を省略する水銀ランプを光源とし、励起光１を対象物（窒化ガリウム）に照射して、出射されるバンド端近傍の発光２を観察する装置である。まず、図示を省略するシャッターを開けると、水銀ランプから照射された光線３は、蛍光顕微鏡１００に備えられたフィルタブロック４（バンドパスフィルター）に侵入する。フィルタブロック４の入射側には励起フィルター５が備えられており、水銀ランプから照射された光線３から励起光１のみだけが励起フィルター５を透過する。この際、励起フィルター５は、光源（図１においては水銀ランプ）波長±５ｎｍの光を透過するように設定することができる。次いで、励起光１は、ダイクロイックミラー６に反射して紙面下方に照射される。ここで、ダイクロイックミラー６は、半導体基板８に含まれるＧａＮ結晶のバンド端発光の波長未満の波長を有する光を反射し、ＧａＮ結晶のバンド端発光以上の波長を有する光を透過させるように設定することができる。

ダイクロイックミラー６に反射した励起光１は、対物レンズ７を通って対象物である半導体基板８の表面に照射される。次いで、励起光１が照射された半導体基板８の表面から出射される発光２は、ダイクロイックミラー６を透過して、吸収フィルター９に達する。吸収フィルター９は、発光２に含まれるＧａＮ結晶のバンド端発光以上の波長を有する光のみを透過させるフィルターであり、余分な光はここで吸収される。

吸収フィルター９を透過した発光２は、接眼レンズ１０を通り、蛍光像を形成する。励起光の一部は、半導体基板９の表面で反射して対物レンズ７に入るが、ダイクロイックミラー６と吸収フィルター９によって遮られるため、蛍光像には影響しない。このように、検査工程において、半導体基板９の表面から出射される発光２を、バンド端に対応する波長以上の光を透過するバンドパスフィルターに通過させることで、精細な蛍光像を得ることができ、基板表面の加工傷の有無を容易に判別することができる。

以上のように本発明の検査方法によれば、周期表第１３族金属窒化物半導体結晶の表面の加工傷の有無を、測定対象の大きさによらず、短時間で、エネルギーを大量に消費することなく、簡便かつ安価に、表面を汚すことなく、高い精度で、検査することができる。このため、本発明の検査方法によって結晶欠陥（加工傷）の有無を判別し、その結果に応じて周期表第１３族金属窒化物半導体基板の表面に形態加工を施すことによって、加工傷が少ない優れた半導体基板を提供することができる。前記形態加工としては、例えば結晶の表面の少なくとも一部を除去するなどの加工を施すことができる。加工の手段としては、スライス、研磨、ケミカルエッチング、ドライエッチングなどを挙げることができる。これらの加工の具体的手順は、結晶の加工法として知られているものを適宜選択して用いることができる。

本発明の製造方法により製造した周期表第１３族金属窒化物半導体基板は、デバイス、即ち発光素子や電子デバイスなどの用途に好適に用いられる。前記周期表第１３族金属窒化物半導体基板が用いられる発光素子としては、発光ダイオード、レーザーダイオード、それらと蛍光体を組み合わせた発光素子などを挙げることができる。また、前記周期表第１３族金属窒化物半導体基板が用いられる電子デバイスとしては、高周波素子、高耐圧高出力素子などを挙げることができる。高周波素子の例としては、トランジスター（ＨＥＭＴ、ＨＢＴ）があり、高耐圧高出力素子の例としては、サイリスター（ＩＧＢＴ）がある。本発明の多結晶窒化ガリウム、高品質であるという特徴を有することから、前記のいずれの用途にも適している。

１ 励起光
２ 発光
３ 水銀ランプから照射された光線
４ フィルタブロック
５ 励起フィルター
６ ダイクロイックミラー
７ 対物レンズ
８ 半導体基板
９ 吸収フィルター
１０ 接眼レンズ
１００ 蛍光顕微鏡

Claims (7)

1. 周期表第１３族金属窒化物半導体基板の表面に、大気圧下で、前記半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射する照射工程と、
   前記照射工程によって前記電磁波が照射された前記半導体基板の表面から出射される光の、バンド端に対応する波長の光の強度を判別する検査工程と、
   を含む周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。
2. 前記検査工程において、前記半導体基板の表面から出射される光に、前記バンド端に対応する波長の光が含まれているか否かを蛍光顕微鏡によって判別する請求項１に記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。
3. 前記照射工程において、水銀ランプによって前記半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射する請求項１または２に記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。
4. 前記照射工程において、Ｈｅ−Ｃｄレーザーによって前記半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射する請求項１または２に記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。
5. 前記照射工程において、特性Ｘ線によって前記半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する電磁波を照射する請求項１または２に記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。
6. 前記検査工程において、前記半導体基板の表面から出射される光を、バンド端に対応する波長以上の光を透過するバンドパスフィルターに通過させる請求項１〜５のいずれか１項に記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法によって結晶欠陥の有無を判別し、その結果に応じて周期表第１３族金属窒化物半導体基板の表面に形態加工を施すことを特徴とする、周期表第１３族金属窒化物半導体基板の製造方法。

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