JP2014169944A - 炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法及び炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法 - Google Patents

炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法及び炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】簡易にかつ非破壊で欠陥を特定することができる炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法を提供する。また、性能が改善した炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子である被検査体1にレーザを照射し、レーザにより被検査体1から放射された蛍光を受光し、被検査体1の発光状態を表す画像を形成し、その画像に基づいて被検査体1に存在するTEDのバーガーズベクトルの方向を特定する。さらに、当該バーガーズベクトルによる歪み及び応力を解析し、その歪み及び応力の発生が抑制される製造条件を特定し、当該製造条件で炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子を製造する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法及び炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法に関する。
炭化珪素(SiC)は、シリコンと比べてバンドギャップが約3倍、飽和ドリフト速度が約2倍、絶縁破壊電界強度が約10倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているシリコン単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。炭化珪素の単結晶を製造する方法としては、昇華法やCVD法が用いられている。
炭化珪素は、通常の圧力では液相を持たず、また、昇華温度が極めて高いこと等から、従来の昇華法やCVD法により、転位や積層欠陥等の結晶欠陥を含まないような高品質の結晶成長を行うことが困難である。
現在市販されている炭化珪素基板には、10cm−2〜10cm−2程度のc軸方向に伝播する貫通らせん転位、10cm−2〜10cm−2程度のc軸方向に伝播する貫通刃状転位、10cm−2〜10cm−2程度のc軸と垂直方向に伝播する転位(基底面転位)が存在している。これらの転位密度は、その基板の品質によって大きく異なる。
炭化珪素基板に内在しているこれらの転位は、基板上にエピタキシャル膜を成長させる際に、このエピタキシャル膜中に伝播する。このとき、一部の転位は、エピタキシャル膜中に伝播する際にその伸張方向(伝播方向)を変える場合もあることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。
例えば、基底面転位(以下、BPDとも称する。)は、基板の表面にその一端若しくは両端が現れている。その基板にエピタキシャル膜を結晶成長させると、基板内のBPDの多くは基板とエピタキシャル膜との界面近傍で貫通刃状転位(以下、TEDとも称する。)に転換され、BPDの一部はBPDのままエピタキシャル膜中に伝播する。
このようなBPDやTEDなどの欠陥を観察するためには、X線を用いたトポグラフィー法が用いられている(例えば、特許文献1参照)。他にも、KOHなどで炭化珪素基板をエッチングする方法が用いられる。このような方法によれば、欠陥が選択的に深くエッチングされエッチピットが生じるため、欠陥を観察しやすくなる。
しかしながら、X線トポグラフィー法では装置構成が大きくなり、また、撮像したフィルムや乾板を現像するのに時間がかかるという問題がある。エッチングする方法は、欠陥以外にも炭化珪素基板の一部が除去される破壊検査であり、非破壊で欠陥の検査を行えない。
TEDには、バーガーズベクトルの相違により6種類存在する。X線トポグラフィー法では、それらの種類を判別するために、高額で高品質なX線を照射する装置が必要となる。また、エッチングする方法で形成したエッチピットを観察しても、バーガーズベクトルの種類を判別することまでは非常に難しい。
なお、このような問題は、エピタキシャル成長させて形成した炭化珪素基板のみならず、炭化珪素基板に形成された半導体素子についても同様に存在する。
また、TEDのバーガーズベクトルの方向は、炭化珪素基板の歪みや応力に関係することが知られている。したがって、バーガーズベクトルの方向を特定することができれば、炭化珪素基板の歪みや応力の状況を得ることができる。そのような歪みや応力の状況に基づけば、炭化珪素基板及び炭化珪素基板に形成された半導体素子の製造条件や製造工程を改善することも可能となり、歪みや応力が低減されて性能が向上した炭化珪素基板や炭化珪素半導体素子の製造が可能になると期待される。
特開2009−44083号公報
S. Ha, P. Mieszkowski, M. Skowronski, and L. B. Rowland: J.Cryst. Growth 244(2002)257.
本発明は、上記事情に鑑み、簡易にかつ非破壊で貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を特定することができる炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法を提供することを目的とする。また、本発明は、性能が改善した炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための第1の態様は、炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子である被検査体に励起光を照射し、前記励起光により前記被検査体から放射された蛍光を受光し、前記被検査体の発光状態を表す画像を形成し、前記画像中に特定された欠陥の発光状態の形状・方向・強度から貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を判定することを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法にある。
かかる第1の態様では、炭化珪素基板や炭化珪素半導体素子である被検査体に励起光を照射するとともに、被検査体の画像を形成する。そして、この画像に基づいて貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を簡易に特定することができる。従来のX線トポグラフィー法と比較して、X線照射装置や現像処理が不要であるため、検査工程を簡易にかつ迅速に行うことができる。さらに、本検査方法は非破壊で検査を行うことができる。
本発明の第2の態様は、第1の態様に記載する炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法において、Ray-tracingシミュレーションにより、前記被検査体の表面に現れた貫通刃状転位のシミュレーション画像を形成するとともに、当該シミュレーション画像の貫通刃状転位のバーガーズベクトルを解析し、前記画像に特定された欠陥の発光状態の形状・方向・強度に相関する前記シミュレーション画像を特定し、前記画像に特定された欠陥の発光状態は、当該シミュレーション画像のバーガーズベクトルの方向を有する貫通刃状転位であると判定することを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法にある。
かかる第2の態様では、シミュレーション画像との比較により、画像に現れた貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を特定することができる。
本発明の第3の態様は、第1又は第2の態様に記載する炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法により特定された貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を分析することで、当該バーガーズベクトルによる歪み及び応力を解析し、前記歪み及び応力の発生が抑制される製造条件を特定し、当該製造条件で前記炭化珪素基板又は前記炭化珪素半導体素子を製造することを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法にある。
かかる第3の態様では、歪みや応力が低減され、性能が向上した炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子を製造することができる。
本発明によれば、簡易にかつ非破壊で貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を特定することができる炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法が提供される。また、本発明によれば、性能が向上した炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法が提供される。
本検査方法に用いる装置の構成を示す概略図である。 本検査方法により形成された被検査体の画像及び従来技術(X線トポグラフィー法)により形成された被検査体の画像である。 本検査方法により形成された被検査体の断面図及びその模式図である。 6種類のTEDの模式図とそれぞれのTEDに対応するRay-tracingによるシミュレーション像・本発明での実施例のX線トポグラフィー像・本発明での実施例の画像と特徴(発光強度・PL像方向)である。
本実施形態に係る炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法(以下、単に検査方法とも称する)は、炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子を被検査体とし、被検査体に生じたTEDのバーガーズベクトルの方向を簡易かつ非破壊で特定する方法である。
被検査体となる炭化珪素基板は、炭化珪素からなる基板であり、単結晶や多結晶の何れでもよい。また、炭化珪素基板の製造方法やポリタイプ、オフ角度なども特に限定されない。さらに、炭化珪素基板は、結晶成長後の完成品であってもよいし、結晶成長をさせている最中のものであってもよい。
被検査体となる炭化珪素半導体素子は、炭化珪素基板又は炭化珪素基板をスライスした炭化珪素ウェハに形成された半導体素子である。被検査体としては、完成品としての炭化珪素半導体素子でもよいし、製造途中にある炭化珪素半導体素子でもよい。
炭化珪素半導体素子としては、例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、JFET(Junction Field Effect Transistor)、BJT(Bipolar junction transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、GTO(Gate Turn-Off thyristor)、GCTサイリスタ(Gate Commutated Turn-off thyristor)、サイリスタ、ショットキーダイオード、JBS(Junction Barrier Schottky)ダイオード、MPD(Merged pn ダイオード)、pnダイオードなどを挙げることができる。
図1は、本検査方法に用いる装置の構成を示す概略図である。図示するように、試料台10の上には、被検査体1が載置されている。被検査体1には、レーザ光源20から励起光としてレーザが照射される。
レーザ光源20は、励起光としてレーザを照射する装置である。レーザとしては、Arレーザ、Krレーザ、COレーザ、YAGレーザ、Nd:YAGレーザ、YVOレーザ、YLFレーザ、YAlOレーザ、GdVOレーザ、Yレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、チタンサファイアレーザ、ヘリウムカドミウムレーザ等がある。
レーザ光源20には、直接サンプルに照射するか、光ファイバ21が接続してレーザを任意の位置に導いて被検査体1に照射できるようになっている。レーザの波長によってサンプルへの侵入長が異なるため、レーザの種類によって表面からの観察位置を変えることができる。
被検査体1に対向して画像形成装置30が配置されている。画像形成装置30は、撮像機能を有する顕微鏡装置である。具体的には、対物レンズ31、バンドパスフィルタ32及びCCDカメラ33から構成されている。
対物レンズ31は、被検査体1に対して焦点を合わせるために用いられる。
バンドパスフィルタ32は、特定波長の光だけを透過させるフィルタである。ここでは、被検査体1から放射される蛍光がバンドパスフィルタ32を透過するようにその波長が設定されている。具体的には、特定の波長の光を透過させるバンドパスフィルタ32が設定されている。
CCDカメラ33は、対物レンズ31及びバンドパスフィルタ32を介して入射した光を撮像する装置である。CCDカメラ33により、被検査体1の表面の画像が形成される。
特に図示しないが、画像形成装置30には、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置が接続されている。情報処理装置は、CCDカメラ33で形成された画像を取り込み、種々の画像処理を行う機能を有している。
本検査方法は、まず、上述したレーザ光源20からレーザを被検査体1に照射させる。被検査体1にレーザが照射されると、被検査体1に存在する欠陥から蛍光が生じる。
なお、レーザの波長は、レーザが被検査体1に進入する深さに関係する。したがって、レーザの波長を調整することで、被検査体1の表面から任意の深さまでレーザを照射し、その位置で蛍光を生じさせることができる。本実施形態では、被検査体1の表面で蛍光が生じるようにレーザの波長を調整してある。
一方、画像形成装置30に被検査体1の表面を撮像させる。すなわち、対物レンズ31の焦点を被検査体1の表面に合わせ、CCDカメラ33に撮像させ、被検査体1の表面の画像を形成させる。なお、上述したようにレーザの波長を調整し、被検査体1の表面よりも深い位置における画像を形成する場合には、対物レンズ31の焦点もその深さに合わせる。
図2(a)は、上述したような画像形成装置30で形成された画像である。図2(b)は、図2(b)は、X線によるトポグラフィー法により得られた画像である。両画像は、同一の被検査体1の同じ領域を画像化したものであり、この被検査体1は、オフ角度が8度である4H−SiCエピタキシャル膜(炭化珪素基板)である。
また、図2(a)の画像は、Arイオンレーザ(363.8nm)を用い、900nmのバンドパスフィルタ32を用いて形成したものである。また、図2(b)の画像は、g=11−28、λ=1.541Åとし、SPring−8放射光を用いて形成したものである。
図2(a)に示すように、被検査体1からは、欠陥の有無により異なる波長の蛍光が発せられる。すなわち、被検査体1の画像には、欠陥が存在しない部分を表す一様な模様部分(黒色)と、欠陥が存在する部分を表す点状の模様部分(白色)とが含まれる。画像中の色が白いほどレーザによる蛍光の発光強度が強いことを示す。
このような画像を観察し、又は情報処理装置で所定の画像処理を施した上で観察し、被検査体1に存在する欠陥(TED、貫通らせん転位(TSD))の位置を特定する。
ここで、TSDやTEDから発せられる蛍光は、それらの欠陥が無い部分よりも発光強度が強い。このため、画像としては点状の模様部分は、一様な模様部分よりも輝度が高く現れる。したがって、画像中に、周囲よりも高い輝度で発光する点状の高輝度領域を欠陥として特定する。例えば、TSDは形状が比較的大きいため、図2(a)の画像中に現れた比較的大きな丸い高輝度の領域(同図中のS)を、TSDとして特定する。同様に、図2(a)の画像中に現れた比較的小さな丸い高輝度の領域(同図中のE)、又は線状の高輝度の領域(同図中のE’)をTEDとして特定する。
一方、図2(b)には、従来のX線トポグラフィー法により得られた被検査体1の表面画像に基づいて特定されたTSDやTEDが示されている。図2(a)及び(b)の画像を比較すると、同じ位置に各種欠陥が表示されていることが分かる。すなわち、図2の画像によれば、本検査方法による画像中の高輝度の領域は各種の転位を示すことが確認された。
なお、情報処理装置で輝度のコントラストを強くする画像処理を画像に施してもよい。これにより、高輝度領域とその他の領域の輝度の差が確認しやすくなり、高輝度領域を欠陥として特定しやすくすることができる。
図3は、図2(a)の断面試料写真及びその模式図である。図3に示すように、基板の底面側から表面に向かってTSD(模式図のS)及びTED(模式図のE及びE’)が伝播している。これらの転位線(模式図の上下に延びる実線)は、c軸からステップフロー方向に傾いている。
c軸から8度傾いているTSDやTED、すなわちエピタキシャル膜表面に垂直なTSDやTED(図の符号A)は、図2(a)の平面画像において丸い高輝度領域として現れる。
一方、c軸から8度よりも大きく傾いているTSDやTED(図の符号B)は、図2(a)の平面画像において線状の高輝度領域として現れる。
このように、被検査体1の断面と、その表面の画像とを照らし合わせた結果、傾いたTEDは、平面画像としては線状の高輝度領域として現れることが確認された。
上述したように、被検査体1にレーザを照射するとともに、被検査体1の画像を形成する。この画像には、TEDやTSDが存在する箇所が高輝度で現れる。このため、画像中の高輝度領域を特定することで、被検査体1に存在するTEDやTSDの位置を特定することができる。
そして、画像中に特定されたTEDは、その形状、方向及び強度に基づいてバーガーズベクトルの方向を特定することができる。以下、TEDの形状、方向及び強度に基づくバーガーズベクトルの方向の特定について詳細に説明する。
図4は、6種類のTEDの模式図とそれぞれのTEDに対応するRay-tracingによるシミュレーション像・本発明での実施例のX線トポグラフィー像・本発明での実施例の画像と特徴(発光強度・PL像方向)をまとめたものである。6種類のTEDを個別に説明する際には、それぞれA〜Fとして呼称する。
一行目には、6種類のTEDのバーガーズベクトルbが模式的に表されている。二行目には、6種類のTEDについてRay-tracingによるシミュレーション画像が示されている。同画像の符号「b」は、TEDのバーガーズベクトルの方向を示している。なお、そのシミュレーションによるバーガーズベクトルの方向を得る解析方法は、非特許文献「I. Kamata, M. Nagano, H. Tsuchida, Yi. Chen, M. Dudley: J.Cryst. Growth 311 (2009) 1415-1462.」に記載されている。
三行目には、X線トポグラフィー法による画像が示されている。これらは、6種類のTEDの近傍を撮像したものである。これらの図に示すように、X線トポグラフィー法による画像(X線トポグラフィー像)をそのまま用いて6種類のTEDを判別することは難しい。
四行目には、本検査方法により得られた画像が示されている。各画像は6種類のTEDの近傍を撮像したものであり、白色に発光している部分をTEDのPL像(Photoluminescence)と称する。五行目には、それらの画像の発光強度を相対的に「強」(A,B)「中」(C,D)「弱」(E,F)と評価したものである。六行目は、ステップフロー方向を右方向としたときの、PL像の方向を目視で判定したものである。
本検査方法は、PL画像に基づいてTEDのバーガーズベクトルを特定する。具体的には、PL画像と、シミュレーション画像及びX線トポグラフィー像とを比較し、それらに相関があるか否かを判定する。この相関があるか否かの判定は、各画像の強度、形状及び方向が略同一であるか否かを判定することにより行う。
そして、シミュレーション画像はバーガーズベクトルbが特定されているので(図4の二行目)、PL画像に表されたTEDの方向は、そのPL画像に相関があるシミュレーション画像のバーガーズベクトルbの方向であると判別する。以下、A〜Fについて具体例を示す。
発光強度が高いA、Bについては、PL像はそれぞれ左下から右上に向かう大きな発光形状、左上から右下に向かう大きな発光形状を有していることが明確に確認できる。AのPL画像の強度、形状及び方向(以下、形状等)は、二行目のシミュレーション画像と三行目のX線トポグラフィー像と比較すると、それらの像の形状等と相関がある。したがって、AのPL像に現れたTEDの方向を、Aのシミュレーション画像のバーガーズベクトルbの方向と判別する。Bについても同様である。
発光強度が中であるC、Dについては、PL像はやや右上に向かう発光形状と、やや右下に向かう発光形状を有していることが確認できる。CのPL画像の形状等は、二行目のシミュレーション画像と三行目のX線トポグラフィー像と比較すると、それらの像の形状等と相関がある。したがって、CのPL像に現れたTEDの方向を、Cのシミュレーション画像のバーガーズベクトルbの方向と判別する。Dについても同様である。
発光強度が弱であるE、Fについては、PL像はやや右上に向かう発光形状と、やや右下に向かう発光形状を有していることが若干確認できる。EのPL画像の形状等は、二行目のシミュレーション画像と三行目のX線トポグラフィー像と比較すると、それらの像の形状等と相関がある。したがって、EのPL像に現れたTEDの方向を、Eのシミュレーション画像のバーガーズベクトルbの方向と判別する。Fについても同様である。
ある特定の方向、強度及び形状を有するPL画像について、一度、シミュレーション画像との対比を通してバーガーズベクトルの方向を特定することができれば、同様のPL画像については、シミュレーション画像との対比を不要としてもよい。つまり、ある特定の方向、強度及び形状を有するPL画像と、バーガーズベクトルの方向と関連づけられれば、当該PL画像と同様の方向、強度、形状を有するPL画像は、同じバーガーズベクトルbを有すると判別することができる。
このように、TEDからの蛍光の形状・傾き・強度はバーガーズベクトルbの向きと相関があり、6種類のTEDのバーガーズベクトルを判別できる事が分かった。
したがって、本実施形態に係る本検査方法では、被検査体1から得られた画像について、高輝度領域(PL像)を特定し、その形状・方向・強度からバーガーズベクトルの方向を判定する。このように、本検査方法によれば、上記文献のような解析方法を用いずとも、画像からTEDのバーガーズベクトルの方向を簡易に特定することができる。
また、本検査方法は、X線トポグラフィー法のようにX線照射装置や現像処理が不要であるため、簡易にかつ迅速に行うことができる。さらに、本検査方法は、被検査体1にレーザを照射し、その蛍光から画像を得るため、非破壊で検査を行うことができる。
さらに、レーザ光源20や画像形成装置30は、エピタキシャル成長中の炭化珪素基板や、製造工程中の炭化珪素半導体素子を対象としてもよい。これにより、本検査方法によれば、炭化珪素基板や炭化珪素半導体素子の製造中においても、欠陥が生じているか否かを検査することができる。また、被検査体1に照射されるレーザの波長を調整することで、被検査体1の任意の深さにおける蛍光を画像化し、その深さにおける欠陥の位置を特定することができる。
ここで、バーガーズベクトルの方向は、被検査体1の歪みや応力に関係することが知られている。したがって、バーガーズベクトルの方向を解析することで、被検査体1に生じた歪みや応力を検出することが可能となる。
このようなバーガーズベクトルの方向に基づく歪みや応力の解析を応用すれば、性能を改善することができる炭化珪素基板や炭化珪素半導体素子の製造方法が提供される。
例えば、炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子を製造する各工程において、画像を形成してバーガーズベクトルの方向を分析し、その歪みや応力を解析する。その解析結果に基づいて、どの製造工程で歪みや応力が被検査体1に生じているかを分析し、当該製造工程の製造条件等を改善する。そして、その製造条件で炭化珪素基板や炭化珪素半導体素子を製造する。これにより、改善後の製造条件により製造された炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子は、歪みや応力が低減されたものとすることができる。
本発明は、炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子を検査又は製造する産業分野で利用することができる。
1 被検査体
10 試料台
20 レーザ光源
21 光ファイバ
30 画像形成装置
31 対物レンズ
32 バンドパスフィルタ
33 CCDカメラ

Claims (3)

  1. 炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子である被検査体に励起光を照射し、
    前記励起光により前記被検査体から放射された蛍光を受光し、前記被検査体の発光状態を表す画像を形成し、
    前記画像中に特定された欠陥の発光状態の形状・方向・強度から貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を判定する
    ことを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法。
  2. 請求項1に記載する炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法において、
    Ray-tracingシミュレーションにより、前記被検査体の表面に現れた貫通刃状転位のシミュレーション画像を形成するとともに、当該シミュレーション画像の貫通刃状転位のバーガーズベクトルを解析し、
    前記画像に特定された欠陥の発光状態の形状・方向・強度に相関する前記シミュレーション画像を特定し、前記画像に特定された欠陥の発光状態は、当該シミュレーション画像のバーガーズベクトルの方向を有する貫通刃状転位であると判定する
    ことを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法。
  3. 請求項1又は請求項2に記載する炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法により特定された貫通刃状転位のバーガーズベクトルの方向を分析することで、当該バーガーズベクトルによる歪み及び応力を解析し、
    前記歪み及び応力の発生が抑制される製造条件を特定し、当該製造条件で前記炭化珪素基板又は前記炭化珪素半導体素子を製造する
    ことを特徴とする炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法。
JP2013042354A 2013-03-04 2013-03-04 炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の検査方法及び炭化珪素基板又は炭化珪素半導体素子の製造方法 Active JP6124287B2 (ja)

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