JP4126953B2 - 半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法及び半導体エピタキシャルウエハに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動体通信の基地局や衛生通信等に用いられる高出力ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）のさらなる高出力化が望まれている。この高出力化を実現する方法の一つに、ＦＥＴに印加する動作電圧を高くする方法があるが、この動作電圧は２端子耐圧によって制限されるため、この２端子耐圧を測定する必要がある。なお、２端子耐圧とは、例えば、「ゲート−ドレイン間に逆方向電圧を印加したとき、ゲート幅１ｍｍ当たり１ｍＡの電流が２端子間に流れる電圧」で定義される電圧値である。そして、従来は、基板としてのウエハに、適宜の層を積層させて、ショットキー電極（ゲート電極）及びオーミック電極（ソース電極、ドレイン電極）を含む実デバイスを作製し、ショットキー電極−オーミック電極間に電圧を印加していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法には、次のような課題が存在している。すなわち、実デバイスをウエハ上に作製した後に、耐圧測定をおこなうため、該ウエハが不適格であると判断された場合には時間とコストの多大な損失が生じてしまう。また、作製容易なラージデバイス（実デバイスよりも大きなサイズの測定用デバイス）により耐圧測定をおこなったとしても、ゲート電極用のショットキー電極のためのパターニングとソース／ドレイン電極用のオーミック電極のためのパターニングの少なくとも２回のパターニングが必要であり、その作製プロセスには多大な時間と労力がかかってしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、測定が容易な半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法及び耐圧に優れた半導体エピタキシャルウエハを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法は、半導体エピタキシャルウエハ上に形成された複数のショットキー電極のうち、少なくとも一対の電極に電圧を印加して、電極間耐圧を測定することを特徴とする。
【０００６】
この半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法においては、電極間の耐圧は、オーミック電極を必要とせず、ショットキー電極のみで測定される。したがって、オーミック電極を形成する工程が省略されるので、半導体エピタキシャルウエハを容易に耐圧測定試験に供することができる。それにより、半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定を容易におこなうことができる。また、ウエハから実デバイスを作製する前に電極間耐圧を測定するため、不適格なウエハを実デバイス作製工程に回す前に除外することができる。したがって、実デバイス作製後に電極間耐圧を測定する従来の測定方法に比べて、時間とコストの損失の低減を図ることが可能である。
【０００７】
また、各ショットキー電極を形成する際、半導体エピタキシャルウエハの表面は平坦であることが好ましい。この場合、ショットキー電極の形成に際し、ウエハ表面をエッチングする工程が不要であるため、電極の形成に要する時間を短縮することができる。
【０００８】
また、各ショットキー電極は、同一面上に形成されていることが好ましい。この場合、フォトリソグラフィ工程によって、ショットキー電極を容易に形成することができる。
【０００９】
また、ショットキー電極の材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ及びＮｉからなる群の一つを含むことが好ましい。このように、ショットキー電極に適した材料を選択することにより、より確実な耐圧測定をおこなうことができる。
【００１０】
また、電圧の印加前に、塩酸、リン酸、アンモニア、硫酸、過酸化水素水の少なくとも１つを含む洗浄液で、半導体エピタキシャルウエハの表面洗浄をすることが好ましい。この場合、半導体エピタキシャルウエハ表面に形成される酸化膜などの異物を除去することができるため、リーク電流を抑制することができ、より正確な電極間耐圧を測定することができる。
【００１１】
また、半導体エピタキシャルウエハの構造が、高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウエハ構造からコンタクト層を除いた構造であることが好ましい。この場合、実デバイスとしての高電子移動度トランジスタの耐圧測定と実質的に同等の測定をすることができる。
【００１２】
また、半導体エピタキシャルウエハの材料は、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）及びＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）のいずれかで表される化合物であることが好ましい。
【００１３】
また、半導体エピタキシャルウエハ上には、ショットキー電極として、実デバイスのゲート電極、ソース電極及びドレイン電極にそれぞれ対応した第１電極、第２電極及び第３電極が形成されていることが好ましい。この場合、第１電極、第２電極及び第３電極を、実デバイスのゲート電極、ソース電極及びドレイン電極と仮定して、例えば、ソース−ドレイン間の距離や、ゲート長などを所望の状態にして耐圧測定することができる。したがって、要求される実デバイスの電極間耐圧に近似する耐圧値を得ることができる。
【００１４】
また、第２電極及び第３電極は、互いに対向する側の角部が曲面状であることが好ましい。この場合、隣接する第２電極と第３電極との間に発生するアーク放電を抑制することができるため、より確実な耐圧測定をおこなうことができる。
【００１５】
また、第１電極の幅が、０．８μｍ以上５μｍ以下であり、第１電極と第２電極との距離及び第1電極と第３電極との距離が０．８μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。このように、電極のサイズが大きい場合、密着露光によって、容易にショットキー電極を作製することができる。
【００１６】
また、電圧の印加前に、第１電極と第３電極との間に定電流を印加することが好ましい。この場合、いわゆる通電ストレスによって第１電極と第３電極と間の耐圧特性の安定化が図られる。
【００１７】
本発明に係る半導体エピタキシャルウエハは、ゲート−ドレイン間距離がＬ１であり、ゲートとドレインとの間において耐圧Ｖ１が要求されるＦＥＴの基板として用いられる半導体エピタキシャルウエハであって、第１電極と第３電極との距離をＬ２としたときに、上記耐圧測定方法で測定された第１電極と第３電極との間の耐圧Ｖ２が、下記式（１）
Ｖ２≧Ｖ１×Ｌ２／Ｌ１ ・・・（１）
を満たすことを特徴とする。
【００１８】
この半導体エピタキシャルウエハにおいては、第１電極と第３電極との間の耐圧Ｖ２が（１）式を満たしているため、このウエハから作製される実デバイス（ＦＥＴ）の耐圧が、要求される耐圧Ｖ１以上になり易い。そのため、耐圧に優れたウエハを得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係る半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。図１は、耐圧測定に供される半導体エピタキシャルウエハを示した平面図である。
【００２０】
図１に示すように、半導体エピタキシャルウエハ（以下、単に「ウエハ」と称す。）１０上には、３つのショットキー電極１２が形成されている。このウエハ１０は、最上層（キャップ層）がｎ型ＧａＮエピタキシャル層であり、適切な半導体製造工程を得て、実デバイスである電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が作製される。このウエハ１０表面は略平坦面であり、その同一面上にショットキー電極１２が形成されている。なお、ショットキー電極１２は、後述する方法によってウエハ１０上に形成される。
【００２１】
３つのショットキー電極１２は、実デバイスであるＦＥＴのゲート電極、ソース電極及びドレイン電極に対応した形状となっている。つまり、ショットキー電極（第１電極）１４はゲート電極に対応した形状を有しており、ショットキー電極（第２電極）１６及びショットキー電極（第３電極）１８は、それぞれソース電極及びドレイン電極に対応した形状を有している。
【００２２】
ゲート電極に対応したショットキー電極１４は、離間された２つの方形状電極１４ａと、この方形状電極１４ａ，１４ａ間を接続する直線状電極１４ｂとで構成されている。直線状電極１４ｂの幅（ＦＥＴのゲート長に対応；図中の左右方向の長さ）は１μｍであり、また、直線状電極１４ｂの長さ（ＦＥＴのゲート幅に対応；図中の上下方向の長さ）は１００μｍである。それぞれソース電極及びドレイン電極に対応したショットキー電極１６及びショットキー電極１８は、ショットキー電極１４の直線状電極１４ｂを挟んで対向すると共に、ショットキー電極１４の延在方向に長辺が沿う略長方形状を有している。つまり、ショットキー電極１６及びショットキー電極１８は、ショットキー電極１４の直線状電極１４ｂに対して略対称な形状をしている。
【００２３】
そして、これらショットキー電極１６及びショットキー電極１８の角部のうち、電極１６，１８同士が互いに対向する側の角部は、円滑な曲面状となっており、その側面は円柱表面の曲面と略同様である。ショットキー電極１６及びショットキー電極１８の角部をこのような形状にすることにより、角部が直角である場合に比べて、電極１６，１８間に発生するアーク放電の発生を抑制することができる。また、ショットキー電極１２は、実デバイスのゲート電極、ソース電極及びドレイン電極に対応するように形成されているため、測定される耐圧は実デバイスの電極間耐圧に近い値となる。
【００２４】
また、３つのショットキー電極１２は、Ａｕで構成されている。なお、ショットキー電極１２は、Ａｕの他に、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉのいずれかを材料として選択可能であり、また、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉのいずれかを含む合金であってもよい。このように、ショットキー電極１２に適した材料を選択することにより、後述する耐圧測定をより確実におこなうことができる。このショットキー電極１２は適宜多層構造にされ、この場合各層の材料は上記材料から選択される。なお、これらのショットキー電極１２は、ウエハ１０上にリフトオフ加工により形成される。以下、図２を参照しつつ、ウエハ１０上にショットキー電極１２を形成する方法について説明する。
【００２５】
まず、ウエハ１０上の全面に、感光性樹脂であるネガ型のレジスト２０を塗布する（図２（ａ）参照）。そして、塗布したレジスト２０上に、上述したショットキー電極１２形状にクロム等でパターニング（図中の梨子地部分）された石英マスク２２を重ねて、ウエハ１０と石英マスク２２とを密着させると共に（図２（ｂ）参照）、石英マスク２２の上方から水銀ランプ（図示せず）で紫外線を照射する。このように、ウエハ１０と石英マスク２２とを密着させて露光する、いわゆる密着露光法を採用することにより、簡単にウエハ１０を露光することができる。それにより、露光された部分のレジスト２０が不溶性となる。
【００２６】
その後、石英マスク２２を除去すると共に、現像することにより、石英マスク２２のパターンの逆パターンがウエハ１０上に転写される（図２（ｃ）参照）。このようにして形成された、逆パターンのレジスト２０が形成されたウエハ１０に、ＥＢ蒸着によりＡｕ層２４を積層する（図２（ｄ）参照）。そして、最後に、レジスト２０及びレジスト２０上に積層されたＡｕ層２４を除去（いわゆるリフトオフ）することにより、所望形状のショットキー電極１２が形成される（図２（ｅ）参照）。
【００２７】
以上のようなショットキー電極１２作製工程（フォトリソグラフィ工程）を経て、ウエハ１０表面にショットキー電極１２が形成される。すなわち、ショットキー電極１２を作製する際、ウエハ１０表面のエッチングはおこなわれない。このように、多大な時間を必要とするエッチング工程が不要であるため、ショットキー電極１２作製時間の短縮化が図られる。
【００２８】
次に、以上のようにして形成したショットキー電極１２の耐圧を測定する方法について説明する。なお、本実施形態において「耐圧」とは、ショットキー電極１８からショットキー電極１４へ直流電流を流す電圧を印加した場合において、ショットキー電極１４の１ｍｍ長さ当たりに、ショットキー電極１４とショットキー電極１８との間に１ｍＡの電流が流れるときの電圧である。すなわち、実デバイス（ＦＥＴ）においては、「ゲート幅１ｍｍ当たりに、１ｍＡの電流がゲート−ドレイン間に流れるときの電圧」を示す。したがって、例えば、ショットキー電極１４の長さ（実デバイスのゲート幅）が１００μｍである場合、ショットキー電極１４（実デバイスのゲート電極に対応）とショットキー電極１８（実デバイスのドレイン電極に対応）との間に１０^-4Ａが流れるときの電圧が「耐圧」である。
【００２９】
図３に示すように、ショットキー電極１８を接地すると共に、ショットキー電極１４にマイナス電圧を印加するような直流回路２６を形成する。そして、耐圧測定の前に、１０μＡの定電流を、１０秒間だけ印加した。一般に電流を流すと耐圧が向上することが知られているが、このように回路２６に定電流を流して、ショットキー電極１８からショットキー電極１４に通電ストレスを付与することにより耐圧特性が安定する。その後、回路２６に直流電流を流して、耐圧測定をおこなう。
【００３０】
このとき、ショットキー電極１８からウエハ１０へ流れる電流は、接触抵抗が小さいショットキー順方向であるため、電流がスムーズに流れる。すなわち、実デバイスのドレイン電極に対応したショットキー電極１８は、オーミック電極と同様に機能する。そのため、ウエハ１０上にオーミック電極を形成することなく、ショットキー電極１４の耐圧測定がおこなわれる。したがって、ショットキー電極に加えて、オーミック電極をウエハ１０上に形成する必要があった従来の耐圧測定方法に比べて、電極１２を有するウエハ１０を容易に作製することができる。
【００３１】
続いて、回路２６において、電圧を０Ｖから次第に増加させたときのグラフを図４に示す。このグラフの横軸は、印加電圧の値であり、縦軸は、ショットキー電極１４とショットキー電極１８との間に流れる電流の値である。このグラフから明らかなように、電流値は、電圧２Ｖくらいまで急峻に立ち上がった。その後、電流は、ショットキー逆方向であるため飽和するはずであったが、電流値の明確な飽和を確認することができなかった。これでは、精度良く耐圧を測定することが困難である。そこで、発明者らは、鋭意研究の末、電流値の明確な飽和が確認できないのはリーク電流によるものであり、リーク電流の原因となる電極１２間のウエハ表面の酸化膜を塩酸で除去すればよいことを見出した。
【００３２】
したがって、塩酸で電極１２間のウエハ表面の酸化膜除去をおこなった後、再度測定した。その測定結果のグラフを図５に示す。横軸及び縦軸は、図４のグラフと同様である。このグラフから明らかなように、電流値の明確な飽和を確認することができ、降伏電圧はおよそ３２Ｖである。そして、ショットキー電極１４の長さが１００μｍであるため、ショットキー電極１４とショットキー電極１８との間に１０^-4Ａの電流が流れるときの電圧値（耐圧）を読みとると、およそ３８Ｖであることがわかる。このようにして、耐圧の測定が完了する。
【００３３】
以上、詳細に説明したように、電極１２が形成されたウエハ１０を耐圧測定試験に供することにより、電極１４，１８間の耐圧は、オーミック電極を必要とせず、ショットキー電極のみで測定される。したがって、オーミック電極を形成する工程が省略されるので、電極１２は、１回のフォトリソグラフィ工程のみで形成可能である。それにより、ウエハ１０を容易に耐圧測定試験に供することができるため、ウエハ１０の耐圧測定を容易におこなうことができる。また、ウエハ１０から実デバイスを作製する前に電極間耐圧を測定することができるため、不適格なウエハ１０を実デバイス作製工程に回す前に除外することができる。したがって、実デバイス作製後に電極間耐圧を測定する従来の測定方法に比べて、損失の低減を図ることが可能である。
【００３４】
ここで、所望のＦＥＴのサイズよりも大きなサイズの電極によって耐圧を測定する方法について説明する。
【００３５】
一般に、耐圧は実デバイスのゲート−ドレイン間距離に略反比例することが知られている。したがって、所望のＦＥＴのゲート−ドレイン間距離及び耐圧がＬ１及びＶ１であるとき、耐圧測定に供されるウエハ１０のショットキー電極１４とショットキー電極１８との間の距離Ｌ２（図３参照）及び耐圧Ｖ２は、下記の関係式（１）で表すことができる。
Ｖ２／Ｌ２≒Ｖ１／Ｌ１ ・・・（１）
【００３６】
したがって、所望するＦＥＴの耐圧が少なくともＶ１を満たすためには、下記式（２）を、ショットキー電極１４とショットキー電極１８との間の耐圧Ｖ２が満たせばよい。
Ｖ２≧Ｖ１×Ｌ２／Ｌ１ ・・・（２）
【００３７】
そして、耐圧Ｖ２が（２）式を満たすことにより、ＦＥＴの耐圧が要求耐圧Ｖ１以上になり易くなる。したがって、簡便である密着露光法によって大きいサイズの電極１２を形成した場合であっても、実デバイスの耐圧Ｖ１を求めることができるため、耐圧測定を容易におこなうことができる。なお、密着露光法で作成容易なサイズとしては、第１電極の幅については０．８μｍ以上５μｍ以下であり、第１電極と第２電極との距離及び第１電極と第３電極との距離については０．８μｍ以上２０μｍ以下である。
【００３８】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、ウエハ表面の酸化膜を除去する洗浄液は、塩酸に限らず、酸化膜を除去できるものであれば、リン酸、アンモニア、硫酸、過酸化水素水でもよく、これら複数の液体の混合液であってもよい。また、ウエハの材料は、ＧａＮに限定されず、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）及びＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）のいずれかで表すことができる、例えば、ＩｎＰ、ＡｌＧａＮなどでもよい。
【００３９】
さらに、ショットキー電極１６及びショットキー電極１８は、ショットキー電極１４に対して略同様な位置関係であり、同様の耐圧測定結果が導かれるため、ショットキー電極１６又はショットキー電極１８のいずれか一方をウエハ１０上に形成するだけでもよい。また、印加する電圧は、交流電圧であってもよい。
【００４０】
さらに、ウエハ１０は、例えば、ＧａＡｓ系の高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウエハ構造からコンタクト層（例えば、ｎ型ＧａＡｓ層）を除いた構造であってもよい。この場合、高電子移動度トランジスタの実デバイスを作製する前に、当該高電子移動度トランジスタの耐圧測定と実質的に同等の測定をすることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、測定が容易な半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法及び耐圧に優れた半導体エピタキシャルウエハが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るウエハを示した平面図である。
【図２】図１に示したウエハを作製する工程を示した図である。
【図３】図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】回路における電圧と電流の関係を示したグラフである。
【図５】酸化膜除去後の回路における電圧と電流の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１０…半導体エピタキシャルウエハ、１２，１４，１６，１８…ショットキー電極、耐圧…Ｖ２。

Claims (11)

1. 半導体エピタキシャルウエハ上に形成された複数のショットキー電極のうち、少なくとも一対の電極に電圧を印加して、電極間耐圧を測定することを特徴とする半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法。
2. 前記各ショットキー電極を形成する際、前記半導体エピタキシャルウエハの表面は平坦であることを特徴とする請求項１に記載の半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法。
3. 前記各ショットキー電極は、同一面上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法。
4. 前記ショットキー電極の材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ及びＮｉからなる群の一つを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法。
5. 前記電圧の印加前に、塩酸、リン酸、アンモニア、硫酸、過酸化水素水の少なくとも１つを含む洗浄液で、前記半導体エピタキシャルウエハの表面洗浄をすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法。
6. 前記半導体エピタキシャルウエハの構造が、高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウエハ構造からコンタクト層を除いた構造であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法。
7. 前記半導体エピタキシャルウエハの材料は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）及びＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）のいずれかで表される化合物であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法。
8. 前記半導体エピタキシャルウエハ上には、前記ショットキー電極として、実デバイスのゲート電極、ソース電極及びドレイン電極にそれぞれ対応した第１電極、第２電極及び第３電極が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法。
9. 前記第２電極及び前記第３電極は、互いに対向する側の角部が曲面状であることを特徴とする請求項８に記載の半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法。
10. 前記第１電極の幅が、０．８μｍ以上５μｍ以下であり、前記第１電極と前記第２電極との距離及び前記第1電極と前記第３電極との距離が０．８μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法。
11. 前記電圧の印加前に、前記第１電極と前記第３電極との間に定電流を印加することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の半導体エピタキシャルウエハの耐圧測定方法。

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