JP3920560B2

JP3920560B2 - 半導体の特性評価方法およびその装置

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Publication number: JP3920560B2
Application number: JP2000345480A
Authority: JP
Inventors: 隆一鳥羽
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2020-11-08
Also published as: JP2002148191A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体の特性評価方法およびその装置に関し、特に、化合物半導体の特性値をウエハスライス前のインゴット状態の段階で事前に把握して、化合物半導体をウエハ状にスライス加工する前にその特性により選別したり、迅速に結晶成長条件にフィードバックすることができる化合物半導体の特性評価方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体は、高周波素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）など、高速情報通信やオプトエレクトロニクスの分野で各種の応用がなされている。一般に、これらのデバイスを製造するにあたり、その基板として化合物半導体のウエハが使用されている。例えば、ＬＥＤやＬＤの場合、ウエハ上にエピタキシャル成長を行ってｐｎ層を形成し、その接合部に電流注入することにより発光させている。その際、エピタキシャル層の上面と基板の裏面に形成された電極から上下に電流を流すため、基板の導電型（ｐ型、ｎ型）は勿論、基板の抵抗値やキャリア濃度は重要な特性値であり、ウエハの用途別に異なる値が求められている。
【０００３】
一般に、化合物半導体ウエハは、液体封止チョクラルスキー法、横型ボート法、縦型ボート法などにより単結晶インゴットを製造し、スライシングにより厚さ数百μｍのウエハ状に切断し、更にラッピング、エッチング、鏡面研磨などの工程を経て、製品ウエハとして製造されている。また、化合物半導体ウエハとして要求される特性値を制御するために、インゴットの成長時に所定量の原料とともに所定の不純物（ドーパント）が添加（ドーピング）されている。
【０００４】
しかし、不純物の偏析係数が１になる場合は殆どないため、得られるインゴット中の不純物濃度は傾斜を有する。例えば、ＧａＡｓ中にＺｎを添加した場合には、実効偏析係数は０．４程度であり、インゴットの固化率０．１と０．９の場合を比較すると、後者の不純物濃度は前者の約３．７倍になってしまう。また、揮発性が高い場合や成長系で化学反応ロスを伴うドーパントを用いる場合には、成長ロット間でインゴットの不純物濃度のバラツキを生じる場合がある。
【０００５】
以上のように、ウエハの用途により異なるキャリア濃度の要求値に対し、単結晶インゴットから切り出したウエハについて、キャリア濃度の要求値を満足する範囲を検査して求める必要がある。
【０００６】
一方、電気的な不純物濃度、即ちキャリア濃度や抵抗率を評価する周知の方法として、ホール（Hall）効果を利用する方法や、ダイオードを形成してその静電容量−電圧特性（ＣＶ）を利用する方法などが知られている（例えば、半導体評価技術、河東田隆編著（産業図書）、２２１〜２３５頁を参照）。これらの評価方法は、化合物半導体のキャリア濃度や抵抗率の評価方法の標準的な手法として実際に使用されている。
【０００７】
しかし、これらの方法では、評価する試料に電極付けを行う必要があり、一般にインゴットからウエハまたはウエハ状の試料片をスライスし、更にホール効果の測定では、ウエハから短冊状、クローバリーフ形または正方形状に切り出して試料を形成するので破壊検査になる。また、ＣＶ法においても、最も簡便に試料を作成する場合でも、ショットキー電極の形成面は清浄で加工層がない状態にする必要があるので、鏡面研磨または鏡面エッチングを要し、結局は破壊検査になる。即ち、これらの評価方法をインゴット状態で実施することは現実的に不可能であるといえる。
【０００８】
ところで、キャリア濃度特性の評価方法としては、一般に実用化されている上記の２つの手法の他に、従来より開発されている代表的な評価方法として、▲１▼光吸収法と▲２▼フォトルミネッセンス法が知られている。以下、これらの方法について説明する。
【０００９】
▲１▼光吸収法
この方法は、ウエハに光を透過させ、吸収量から不純物濃度を求める方法であり、ＧａＡｓの場合には、深い不純物準位（ＥＬ２）濃度を求める場合に用いられている（G. M. Martin, Appl. Phys. Lett. 39.747（1981年）を参照）。また、ｎ型にドーピングされた結晶の場合には、フリーキャリア吸収があり、４μｍ以上の赤外波長では、キャリア濃度ｎと吸収係数αとの間にα∝Ｋ・ｎ・λ^３（Ｋは定数、λは波長を示す）という関係があることが報告されており（J. S. Blakemore, J. Appl. Phys. 53. R144（1981年）を参照）、この関係からキャリア濃度を算出することができる。
【００１０】
しかし、この方法は、光の吸収により評価するため、一般に光の入射面と出射面が平行であるのが望ましく、表面状態を常に一定にする必要があるとともに、汚れや異物の付着によって光の進行が妨害されるため、清浄でなければ再現性のある結果が得られないという問題がある。また、試料のキャリア濃度に応じて適切なサンプル厚みがあり、上述した式からわかるように、キャリア濃度が高い場合には、吸収係数が大き過ぎて、透過光が微弱となり過ぎるなどの問題があり、定形の厚みの広いキャリア濃度レンジの評価は困難である。
【００１１】
▲２▼フォトルミネッセンス法
一般に、フォトルミネッセンス法は、禁制帯幅よりも大きなエネルギーを有する光を照射し、帯間吸収過程で過剰な電子−正孔対を形成させ、電子が直接または各種捕獲過程を経由して価電子帯の正孔または浅いアクセプタ準位と再結合する際に発光される光（ルミネッセンス）を情報として用いる評価方法である。ルミネッセンス発光強度は試料温度の上昇とともに低下するので、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）や液体窒素温度（７７Ｋ）あるいは冷凍機を用いた低温状態で測定されることが多い。この方法では、評価の対象となる半導体材料中の不純物の種類や濃度によりスペクトルが変化するので、これを利用して不純物濃度を求めることができる。
【００１２】
例えば、ＧａＡｓのＳｉドープ結晶の場合には、フォトルミネッセンススペクトルのピーク波長がＳｉ濃度とともに高エネルギー側にシフトすることが知られている（半導体評価技術、河東田隆編著（産業図書）、２６７頁、図７．６を参照）。同様に、ＳｉドープＧａＡｓにおいて、キャリア濃度に対するフォトルミネッセンスのスペクトル形状の理論計算値と実際値の比較、スペクトルのピーク波長のシフト量、ピーク値の半分となる高エネルギー側のエネルギー位置とキャリア濃度の関係、スペクトル半値幅（ＦＷＨＭ）とキャリア濃度の関係が報告されている（牧田雄之助、電子技術総合研究所彙報４８，５０８（１９８４年）を参照）。また、同じくＳｉドープＧａＡｓ鏡面ウエハにおいて、微細な領域についてフォトルミネッセンスの強度マップとＣＶ法で求めたキャリア濃度マップの比較例も報告されている（R. Toba, et. al., Material Science Forum Vol. 196-201, 1785（1995年）を参照）。
【００１３】
以上のように、フォトルミネッセンス法では、波長情報や強度情報からキャリア濃度などの結晶特性情報が得られるので、この方法は非常に有用である。また、ホール効果やＣＶ法のように電極付けを行う必要がないのも有利な点である。
【００１４】
しかし、一般に、この方法では、対象となる試料表面として、鏡面研磨または鏡面エッチング相当のウエハまたはウエハから切り出した短冊状の試料の表面を使用することが常識的になっている。実際に強度を比較する場合には表面の状態が一定でなければならないので、再現性の良い表面を得るためには、ウエハ製品レベルと同等な鏡面研磨面を必要とする。また、同じ励起光強度条件の場合には、鏡面状態とラップ面では、後者はフォトルミネッセンス発光強度が１〜２桁低いので、鏡面状態における評価の方が検出時のＳＮ比なども含めて有利である。また、低温状態で測定する場合には、バンド端発光群は微細に分裂したスペクトルを得ることができるので、不純物や欠陥の同定も可能となることや、室温に比べて低温の方が発光強度が１〜４桁程度強いので、測定のために冷却することが常識的になっている。
【００１５】
また、近年、検出側の感度の向上により、発光強度が弱くても検出が可能になってきており、室温状態でも限定された目的において評価が可能になってきている。ここで、限定された目的とは、液体ヘリウムや液体窒素温度における測定によってのみ得られるスペクトルの微細構造は温度の上昇とともに消失してしまうので、低温と同じ内容の評価はできないが、そのようなスペクトルの微細構造を得る必要がないような場合という意味である。
【００１６】
また、前述のキャリア濃度に関する特性要求とは別に、デバイスの用途により、ウエハの面方位（インゴットの成長軸方位から意図的に方位をずらして切断）やウエハの厚みが異なるなど、多様化している。最終的なウエハ製品は、これらの全ての諸特性値を全て満足しなければならないのは当然であるが、この点が次のような問題点を発生させていた。
【００１７】
即ち、キャリア濃度特性値に対する要求範囲は、インゴット内の濃度変化範囲よりも狭い場合が多いため、個別のデバイス用途に応じて、加工仕様を含めてスライス時に切り分けを行う必要がある。そのため、従来は、蓄積したデータに基づいてキャリア濃度等の境界位置の概略を予想して、スライス時に選別加工を行っていた。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、偏析現象によってインゴット内の不純物濃度が部位によって変化することに加えて、成長バッチ間でのバラツキ幅が重奏するため、特性値が予想値と異なる場合があり、その場合、材料の損失や追加によりキャリア濃度の要求範囲の確認評価を行う必要があるなど手間や損失を増大させるという問題があった。また、インゴットの結晶特性値は、迅速に結晶成長条件にフィードバックされるべきものであり、実験的な場合は、どのような試料片のサンプリングにおける評価も可能であるが、工業生産では、加工仕様も含めた製品特性範囲が定まってからスライス加工する場合も多いため、逆にフィードバック期間が長くなってしまうという問題もあった。
【００１９】
以上のように、キャリア濃度や抵抗率などの特性値は、従来の評価方法では、インゴットからウエハをスライスした後に評価せざるを得ないといった問題を抱えていた。
【００２０】
また、インゴット状態のままでキャリア濃度の測定や分布を評価しようとする場合には、前述のフォトルミネッセンス法を室温環境下において適用する可能性が最も高い。しかし、その場合には以下の問題がある。
【００２１】
（１）被測定側の化合物半導体インゴットは、液体封止チョクラルスキー（ＬＥＣ）法、縦型ボート（ＶＢＧ）法、横型ボート（ＨＢ）法などにより製造されるのが一般的である。ＬＥＣ法の結晶は、直径制御性が向上したといえども、結晶表面には数ｍｍ程度の凹凸があり、ＶＢＧ法やＨＢ法においても、容器内の接触部の凹凸があり、表面は平滑でなく、熱分解や接触などによって表面変質が生じるので、最表面の特性はインゴットの内部の特性を反映しない。したがって、これらの表面を評価しても内部の情報を正確には捕らえることはできない。
【００２２】
（２）一般に、半導体ウエハは、単結晶インゴットから円形や矩形などの定形のウエハの状態にスライス加工することにより得られる。その直前にインゴットを定形に加工するため、円筒研削または平面研削加工を行う。この場合、機械研削を行うため、表面の状態は研削砥石や加工条件によって定まるが、通常数十μｍレベルの凹凸面に仕上げることができる。しかし、研削液などの汚れが生じるので、常識的にはフォトルミネッセンスなどの光学的な評価を行う表面とは考えられない。また、鏡面仕上状態ではないので、フォトルミネッセンスの発光強度が１〜２桁程度低下するため、検出のために励起光強度を１〜２桁増加させる必要があると考えられる。
【００２３】
（３）しかしながら、化合物半導体の表面に強い励起光を照射すると、フォトルミネッセンス光強度が経時変化する。例えばＧａＡｓやＩｎＰの場合には、図１（ａ）に示すように大気雰囲気中で強い励起光を照射すると、図１（ｂ）に示すように発光強度がそれぞれ減衰および漸増変化する。この現象の原因は学術的に解明されていないが、液体ヘリウムや液体窒素中の試料では生じないので、大気成分とＧａＡｓやＩｎＰが反応するなど、何らかの表面構造の変化によって生じるものと考えられる。特に、励起光の強度を増加させるほどこの現象が顕著となる。通常、スペクトルを得るために検出側の分光器の波長を走査するが、走査中に刻々と発光強度が変化するので、図２に示すように、測定されたスペクトル形状に大きな影響を与えてしまう。即ち、ピーク波長や半値幅（ＦＷＨＭ）などの波長情報の評価に誤差を与え、ひいてはフォトルミネッセンスの波長情報を利用するキャリア濃度評価にも誤差が生じることになる。
【００２４】
したがって、本発明は、上述したような従来の問題点に鑑み、ウエハ状にスライスする前のインゴット状態のままで、半導体の特性値およびインゴット内の特性値分布を高精度に評価し、スライス前の段階で各種の加工仕様を含めた選別スライス加工ができるようにして、ウエハの製造における歩留まりを向上させるとともに、結晶成長プロセスへのフィードバックを迅速に行い得る半導体の特性評価方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、表面を平滑化して表面変質層を除去した化合物半導体のインゴットに対して、その化合物半導体の価電子帯と伝導帯との間の帯間吸収遷移を起こし得る励起光を不活性ガス雰囲気中、好ましくは乾燥窒素雰囲気中で照射することにより、研削加工したインゴット表面からであっても、室温においても経時変化なく且つ十分な強度のフォトルミネッセンス光を得ることができ、その波長情報や強度情報に基づいて、ウエハ状にスライスする前のインゴット状態でキャリア濃度の分布を十分な精度で予測することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００２６】
すなわち、本発明による半導体の特性評価方法は、表面を平滑化して表面変質層を除去したＧａＡｓやＩｎＰなどの化合物半導体のインゴットを固定し、この化合物半導体のインゴットの長手方向に沿って断続的または連続的に、その化合物半導体の価電子帯と伝導帯との間の帯間吸収遷移を起こし得る励起光を室温環境下において不活性ガス雰囲気中、好ましくは窒素雰囲気中で照射し、この励起光の照射によって得られたフォトルミネッセンス光の波長情報および強度情報の少なくとも一方に基づいてキャリア濃度を評価することを特徴とする。
【００２７】
この半導体の特性評価方法において、化合物半導体のインゴットの光照射面が円筒研削または平面研削されているのが好ましい。
【００２８】
また、本発明による化合物半導体の特性評価装置は、表面を平滑化して表面変質層を除去したＧａＡｓやＩｎＰなどの化合物半導体のインゴットを支持する支持手段と、この化合物インゴットの長手方向に沿って断続的または連続的に、その化合物半導体の価電子帯と伝導帯との間の帯間吸収遷移を起こし得る励起光を室温環境下において不活性ガス雰囲気中、好ましくは窒素雰囲気中で照射する光照射手段と、この励起光の照射によって得られたフォトルミネッセンス光を検出する光検出手段と、このフォトルミネッセンス光の波長情報および強度情報の少なくとも一方に基づいてキャリア濃度を評価する評価手段とからなる。
【００２９】
この半導体の特性評価装置において、化合物半導体のインゴットの光照射面が円筒研削または平面研削されているのが好ましい。また、上記の半導体の特性評価装置において、化合物半導体のインゴットに照射される励起光が、化合物半導体のインゴットの光照射面に対して一次元または二次元に移動して照射され、その照射点の位置情報を得る位置情報手段を有するようにしてもよい。さらに、上記の半導体の特性評価装置において、化合物半導体のインゴットの光照射面と光照射手段および光検出手段との間の距離を一定に保持する保持手段を有するのが好ましい。また、光照射手段は、化合物半導体のインゴットに対して鉛直方向下側または水平方向から励起光を照射するのが好ましい。
【００３０】
【作用】
化合物半導体のキャリア濃度を評価するにあたって、インゴットの表面変質層を円筒研削や平面研削などによって除去するので、フォトルミネッセンス法における励起光の照射面はインゴット内部と同様の結晶特性面となり、ウエハ状にスライスしたり試料断片を採取しなくても、インゴット状態におけるその分布を評価することができる。
【００３１】
励起光照射によって生じる大気中の表面構造変化に伴うフォトルミネッセンスの経時変化は、酸素との反応を避けるために光照射部を不活性ガス雰囲気、好ましくは乾燥窒素雰囲気にすることによって防止することができ、波長情報や強度情報を精度良く測定することができるので、ピーク波長、半値幅、ピークの半値になる高エネルギー側波長などと、ホール効果測定によるキャリア濃度との相関式を用いて精度良く算出することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明による半導体の特性評価方法の実施の形態では、室温におけるフォトルミネッセンス法を利用して半導体の特性を評価する。
【００３３】
この特性評価の前に、結晶成長時におけるインゴットの最表面の変質層を円筒研削や平面研削加工などにより除去し、インゴットの内部と同様の結晶特性を呈する面を露呈させる。これは、ウエハの加工を行う前の工程でもあり、非常に好都合である。このように、特性評価対象の表面をスライス加工直前の円筒研削や平面研削した面にすることにより、結晶表面の凹凸や表面の変質部を除去して、結晶の内部の特性情報を正確に得ることができるとともに、フォトルミネッセンススペクトルの測定位置に目印などを付けることができるため、キャリア濃度規格に合わせて選別スライスすることが極めて容易になるなど、規格はずれによる材料の損失を大幅に低減することが可能となる。
【００３４】
また、室温で研削面状態においてフォトルミネッセンススペクトルを測定するとフォトルミネッセンスの発光強度が低下するので、検出に十分な発光強度を確保するために励起光強度を増加させる。このような励起光強度の増加に伴う発光強度の過渡変化（図１（ｂ）を参照）は、励起光照射を不活性ガス、好ましくは乾燥窒素中で行う（または少なくとも励起光照射部を不活性ガス雰囲気、好ましくは乾燥窒素ガス雰囲気にする）ことにより防止または抑制する。励起光は１ｍｍφ程度のスポット光であり、光のアシストによる表面変化はこの部分のみに生じるので、インゴット全体を不活性ガス雰囲気（好ましくは乾燥窒素雰囲気）にしても良いが、スポット光の照射される部分に不活性ガス、好ましくは乾燥窒素をパージしても良い。このように励起光照射を不活性ガス（好ましくは乾燥窒素）中で行うことにより、化合物半導体のインゴットの側面の表面状態が円筒研削や平面研削加工などを行った表面状態であっても、半導体結晶についての波長情報や強度情報に関する誤差のないフォトルミネッセンススペクトルを得ることができる（図３を参照）。
【００３５】
さらに、インゴット状態におけるフォトルミネッセンスの波長情報や強度情報の分布を得るために、円筒研削や平面研削などによって定形化したインゴットを測定の基準面に固定することにより、インゴットの励起光照射面と励起光照射部および検出部との距離を一定に保った状態で、インゴットの表面と励起光部および検出部との相対的な一次元または二次元の走査を行って、相対的に照射位置を変えてフォトルミネッセンスのスペクトルの分布測定を行い、インゴット内のフォトルミネッセンスのスペクトルの分布を評価する。このようにインゴットを固定することにより、励起光強度および検出されるフォトルミネッセンス強度の信頼性の向上を図ることができる。
【００３６】
以下、添付図面を参照して本発明による半導体の特性評価方法およびその装置の実施の形態について詳細に説明する。
【００３７】
まず、図４乃至図６を参照して本発明による半導体の特性評価装置の実施の形態について説明する。
【００３８】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、本実施の形態の半導体の特性評価装置による評価対象であるインゴット１０は、略円筒形のインゴットの側面に平面研削により長手方向に延びる平面部が形成されたインゴットである。このインゴット１０は、略円形の断面の他、略多角形の断面を有するものでもよく、インゴット１０の断面の直径または対角線の長さは４０ｍｍ以上、インゴットの長さは５０ｍｍであるのが好ましい。
【００３９】
図４（ａ）に示すように、本発明による一実施の形態では、半導体の特性評価装置は、インゴット１０を載置する可動ステージ１２と、この可動ステージ１２に対して垂直に延びてインゴット１０の平面部に当接するストッパ１４と、インゴット１０を固定してインゴット１０の位置ずれを防止するプッシャ１６と、ストッパ１４の開口部１４ａを介してインゴット１０の平面部に対して略垂直（この実施の形態では略水平方向）に励起レーザー光を照射する励起光源１８と、インゴット１０の平面部からのフォトルミネッセンス光を検出する光検出部２０とからなる。また、図４（ｂ）に示すように、ストッパ１４に形成された開口部１４ａは、インゴット１０の長手方向に延びており、インゴット１０の長手方向に沿って励起光を照射できるようになっている。
【００４０】
また、図５に示すように、本発明の他の実施の形態では、半導体の特性評価装置は、インゴット１０の平面部を下向きにしてインゴット１０を載置する可動ステージ１２１と、インゴット１０を固定してインゴット１０の位置ずれを防止するプッシャ１６と、可動ステージ１２１の開口部１２１ａを介してインゴット１０の平面部に対して略垂直（この実施の形態では略鉛直方向）に励起レーザー光を照射する励起光源１８と、インゴット１０の平面部からのフォトルミネッセンス光を検出する光検出部２０とからなる。また、可動ステージ１２１に形成された開口部１２１ａは、インゴット１０の長手方向に延びており、インゴット１０の長手方向に沿って励起光を照射できるようになっている。この実施の形態では、インゴット１０の平面部を下向きにして自重により可動ステージ１２１の基準面に当てることにより、インゴット１０の励起光照射面と励起光源１８および光検出部２０との距離を簡単に一定に保つことができる。
【００４１】
これらの実施の形態おいて、光検出部２０として、ＪＯＢＩＮＹＶＯＮ・ＳＰＥＸ社製のＴＲＩＡＸ−３２０分光器と、Ｓ−１タイプの感度曲線を有するフォトマルチプライヤ（浜松ホトニクス社製Ｒ１７６７型またはＲ５１０８型）とを使用することができるが、評価対象の半導体材料により適宜検知器を選択すれば良い。また、励起光源１８としては、評価対象の半導体材料の価電子帯と伝導帯との間の帯間吸収遷移を起こし得る励起光を照射する励起光レーザーなどの励起光源を使用することができる。なお、この励起光を化合物半導体のインゴット１０の光照射面に対して長手方向に沿って一次元に移動して照射するだけでなく、二次元に移動して照射するように構成してもよく、また、照射点の位置情報を得るための図示しない位置情報手段を設けてもよい。
【００４２】
また、これらの実施の形態では、図６（ａ）に示すようにインゴット全体を乾燥窒素雰囲気にするか、図６（ｂ）に示すようにスポット光の照射される部分に乾燥窒素をパージすることにより、光照射部を窒素雰囲気に維持する。
【００４３】
さらに、後述する半導体の特性方法の実施の形態のような方法により、フォトルミネッセンス光の波長情報（または強度情報）に基づいてキャリア濃度を自動的に評価する図示しない評価手段を設けるようにしてもよい。
【００４４】
次に、上述した半導体の特性評価装置を用いて半導体の特性を評価する、本発明による半導体の特性評価方法の実施の形態について説明する。
【００４５】
まず、上述した半導体の特性評価装置を用いて、インゴット１０の側面でフォトルミネッセンススペクトルの分布を測定する。次いで、各測定位置におけるスペクトルのピーク波長、ピーク値の半値となる高エネルギー側の波長、半値幅などの波長情報（または強度情報）と、予め他の手法、例えばホール効果により求めておいたキャリア濃度との較正線（図７、図８、図９を参照）を使用することにより、スライスする前の段階でインゴット１０のキャリア濃度を評価する。なお、表面状態が一定の場合には、ピーク強度とキャリア濃度との間にも相関があり、評価が可能な場合があるが、機械加工研削面の場合には、研削ダメージの導入深さがインゴット間で変動したり、切削液の汚れなどが残る場合があり、インゴット内およびインゴット間において表面状態を一定にすることが困難なため、波長情報を利用して評価するのが好ましい。
【００４６】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明による半導体の特性評価方法について更に詳細に説明する。
【００４７】
［実施例１］
縦型ボート法により、直径８２〜８４ｍｍφ、定径部の長さ２００ｍｍの円柱状のＳｉドープ（１００）ＧａＡｓ単結晶を成長させた。得られた結晶は、冷却時に容器と結晶間の酸化ホウ素との熱膨張差により、インゴットの表面の一部に貝殻上の剥離が生じており、光学的分布評価用としては不適切であった。
【００４８】
次に、＃１５０番手の砥石を用いて直径を７９ｍｍφに円筒研削し、更に円柱の側面の（０１１）面に幅１６ｍｍのオリエンテーションフラット面を平面研削により形成した。研削時の切削液はウエスでぬぐったが、目視により汚れが若干残った状態であった。
【００４９】
その後、図５に示す可動ステージ１２１の基準面上にインゴットの平面研削面を載せ、下方側から３００ｍＷのＡｒレーザー光（５１４．５ｎｍ）を照射し、光検出部２０によりフォトルミネッセンス光を検出してスペクトルを得た。
【００５０】
次に、可動ステージ１２１を順次移動して、インゴットのシード側端からテール側端まで所定ピッチで各点におけるスペクトルを得た。
【００５１】
なお、励起光照射部分を０．１Ｌ／ｍｉｎの流量の乾燥窒素でパージした。また、スペクトルの波長情報（高エネルギー側半値波長、半値幅など）を用いて、インゴットの長手方向のキャリア濃度を換算して分布図を得た。
【００５２】
その後、ウエハ状にスライス加工をし、ホール効果測定用のウエハをサンプリングし、各ウエハから１０ｍｍ□の試料を切り出し、四隅にＩｎの電極付けを行った後、３５０℃、５分間のオーミックアロイ処理を行って、ファンデァポー（Van der Pauw）法によりキャリア濃度を求めた。
【００５３】
その結果、図１０に示すように、両者の値は±５％内で一致しており、インゴット状態において十分にキャリア濃度を予測することが可能であった。また、図１１に示すように、キャリア濃度分布を連続的に評価した場合も同様の結果が得られた。
【００５４】
［実施例２］
キャリア濃度規格が０．７〜１．２×１０^１８ｃｍ^−３、ウエハ面方位が（１００）、ウエハの仕上厚みが６００μｍであるウエハ仕様Ａと、キャリア濃度規格が１．０〜２．０×１０^１８ｃｍ^−３、ウエハ面方位が（１００）から１０°傾き、ウエハの厚みが４５０μｍであるウエハ仕様Ｂとを一本のインゴットから効率的に採取するため、マージンを考慮して１．１×１０^１８ｃｍ^−３の位置で切り分けた。
【００５５】
実施例１と同様のインゴットの加工およびフォトルミネッセンスの測定を行い、インゴットのキャリア濃度分布を予測し、インゴットの側面のスライス条件の変更位置にマーキングを施した。
【００５６】
この目印に基づいて、実際のスライス時に、角度やスライス厚みを調整して、ウエハ仕様ＡとＢを切り分けた。境界位置におけるウエハをサンプリングし、ホール効果測定用の試料を調整した後、ファンデァポー法によりキャリア濃度を実測したところ、１．０８×１０^１８ｃｍ^―３になり、仕様Ａ、Ｂともに規格外となるウエハは存在しなかった。なお、従来の統計的な予想に基づいて切り分けると仮定すると、１５枚のウエハが規格外になり、損失を発生させたことになる。
【００５７】
［実施例３］
単結晶成長装置を用いて、ＳｉドープＧａＡｓを１０回成長させた。これらの成長は、目的のキャリア濃度が、結晶の固化率０．１で０．８×１０^１８ｃｍ^−３以上、固化率０．９で２．０×１０^１８ｃｍ^−３以下になるような、原料ＧａＡｓとドーパントＳｉの仕込み量、成長炉の温度条件および攪拌条件によって行った。
【００５８】
１回目の成長後、成長炉からインゴットを取り出し、直ぐに次の成長を開始したため、仕込み条件の変更はできなかったが、２回目の成長中にインゴットの円筒研削および平面研削工程までのプロセスが進捗し、直ちに実施例１と同様の評価を行った。その結果、結晶成長の後半でキャリア濃度が目的値よりも高いことが判明した。
【００５９】
その時点で２本目の結晶成長が固化率０．４程度の進捗であったため、結晶成長の後半の攪拌条件を修正し、成長を続行した。その結果、目的である固化率０．９の位置におけるキャリア濃度は１．９３×１０^１８ｃｍ^−３になり、速やかな成長条件へのフィードバックにより、目的の値を得ることができた。
【００６０】
以後、１０回の成長においても、次回または少なくともその次の成長条件に結果を反映することができたので、キャリア濃度の歩留まりは９８％と大幅に上昇した。
【００６１】
［比較例１］
実施例３と同様の結晶成長を連続１０回行った。この場合、キャリア濃度の評価は、一般に実施されているホール効果測定によって行った。円筒研削および平面研削加工までは進めることができたが、加工仕様が定まるまでスライスできないので、結晶成長へのフィードバックができるのは、速くて２バッチ後、遅ければ５バッチ後、平均的に３．５バッチ後となり、その間に発生した目標からのずれは修正できなかった。そのため、１０本のインゴットのキャリア濃度規格の歩留まりは、平均で８８％であった。
【００６２】
［比較例２］
キャリア濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３〜２．５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲のＳｉドープＧａＡｓのフォトルミネッセンススペクトルを測定する際に、励起光照射部を室温・大気状態にした。その際、バンド端のピーク波長は８６０〜８７５ｎｍに位置し、分光器は波長８２０〜９００ｎｍ間を４ｎｍ／秒で走査したため、測定に２０秒を要した。その間、図３の点線で示すようにフォトルミネッセンス強度が経時変化するので、測定中の強度変化を約５％以下に抑えるために、Ａｒレーザーの励起光強度を５０ｍＷに下げる必要があった。そのため、実施例１の場合と比べて、フォトルミネッセンスの強度が約１低下し、測定におけるＳＮ比が低下した。そのため、波長情報から求めたキャリア濃度の算出値は、ホール効果測定の実測値に対し、±１０〜２０％の誤差を生じた。
【００６３】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、不活性ガス雰囲気中、好ましくは乾燥窒素雰囲気中で励起光の照射を行うことにより、研削加工したインゴット表面からであっても、室温においても経時変化なく且つ十分な強度のフォトルミネッセンス光を得ることができ、その波長情報や強度情報に基づいて、ウエハ状にスライスする前のインゴット状態でキャリア濃度の分布を十分な精度で予測することができる。これにより、ウエハ加工時の損失を大幅に低減することができるとともに、迅速に結晶成長工程にフィードバックすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】室温大気中でＧａＡｓおよびＩｎＰに励起光を照射した場合におけるフォトルミネッセンス光の経時変化を示す図。
【図２】室温大気中で励起光を照射した場合におけるフォトルミネッセンス光の経時変化によって生じるスペクトルの誤差を説明する図。
【図３】室温大気中および室温乾燥窒素雰囲気中でＧａＡｓに励起光を照射した場合におけるフォトルミネッセンス光の経時変化を示す図。
【図４】本発明による半導体の特性評価装置の一実施の形態を概略的に示す図。
【図５】本発明による半導体の特性評価装置の他の実施の形態を概略的に示す図。
【図６】本発明による半導体の特性評価装置の実施の形態において乾燥窒素雰囲気にする手段の例を示す図。
【図７】本発明による半導体の特性評価方法においてピーク強度とキャリア濃度との関係からキャリア濃度を算出するための較正線を概略的に示す図。
【図８】本発明による半導体の特性評価方法において高エネルギー側半値波長とキャリア濃度との関係からキャリア濃度を算出するための較正線を概略的に示す図。
【図９】本発明による半導体の特性評価方法において半値幅とキャリア濃度との関係からキャリア濃度を算出するための較正線を概略的に示す図。
【図１０】実施例１において得られたキャリア濃度分布の断続的な評価結果と従来法により得られたキャリア濃度分布の評価結果とを比較して示す図。
【図１１】実施例１において得られたキャリア濃度分布の連続的な評価結果と従来法により得られたキャリア濃度分布の評価結果とを比較して示す図。
【符号の説明】
１０インゴット
１２可動ステージ
１４ストッパ
１４ａ開口部
１６プッシャ
１８励起光源
２０光検出部
１２１可動ステージ
１２１ａ開口部

Claims

化合物半導体のインゴットの表面変質層を除去してインゴットの長手方向に延びる平面部を平面研削により側面に形成し、このインゴットの側面に形成された平面部を固定し、この平面部に、インゴットの長手方向に沿って断続的または連続的に、その化合物半導体の価電子帯と伝導帯との間の帯間吸収遷移を起こし得る励起光を室温環境下において不活性ガス雰囲気中で照射し、この励起光の照射によって得られたフォトルミネッセンス光の波長情報および強度情報の少なくとも一方に基づいてキャリア濃度を評価することを特徴とする、半導体の特性評価方法。
前記化合物半導体のインゴットの側面に形成された平面部に照射される励起光が、前記化合物半導体のインゴットの平面部に対して一次元または二次元に移動して照射され、その照射点の位置情報を得ることを特徴とする、請求項１に記載の半導体の特性評価装置。
前記不活性ガスが窒素であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体の特性評価方法。
前記化合物半導体がＧａＡｓまたはＩｎＰであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体の特性評価方法。
表面変質層を除去して長手方向に延びる平面部を平面研削により側面に形成した化合物半導体のインゴットを支持する支持手段と、このインゴットの側面に形成された平面部に、インゴットの長手方向に沿って断続的または連続的に、その化合物半導体の価電子帯と伝導帯との間の帯間吸収遷移を起こし得る励起光を室温環境下において不活性ガス雰囲気中で照射する光照射手段と、この励起光の照射によって得られたフォトルミネッセンス光を検出する光検出手段と、このフォトルミネッセンス光の波長情報および強度情報の少なくとも一方に基づいてキャリア濃度を評価する評価手段とからなる、化合物半導体の特性評価装置。
前記不活性ガスが窒素であることを特徴とする、請求項５に記載の半導体の特性評価装置。
前記化合物半導体のインゴットの側面に形成された平面部に照射される励起光が、前記化合物半導体のインゴットの平面部に対して一次元または二次元に移動して照射され、その照射点の位置情報を得る位置情報手段を有することを特徴とする、請求項５または６に記載の半導体の特性評価装置。
前記化合物半導体のインゴットの平面部と前記光照射手段および前記光検出手段との間の距離を一定に保持する保持手段を有することを特徴とする、請求項５乃至７のいずれかに記載の半導体の特性評価装置。
前記光照射手段が、前記化合物半導体のインゴットに対して鉛直方向下側または水平方向から励起光を照射することを特徴とする、請求項５乃至８のいずれかに記載の特性評価装置。
前記化合物半導体がＧａＡｓまたはＩｎＰであることを特徴とする、請求項５乃至９のいずれかに記載の半導体の特性評価装置。