JP5415794B2 - 半導体層に存在する転位の種類を特定する方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体層に存在する転位の種類を特定する方法と装置に関する。

結晶成長によって半導体層を製造する際に、半導体層中に転位が形成されることがある。半導体層中に転位が形成されると、半導体装置の特性が低下する。高品質な半導体装置を製造するためには、半導体層に形成される転位を評価することが重要な役割を果たしている。様々な種類の転位が存在する。半導体層に形成されている転位の種類が特定できると、転位が形成されないような結晶成長条件を検討することができ、また形成されている転位が半導体装置に及ぼす影響を検討することができる。

非特許文献１には、半導体層に存在する転位を評価する技術が開示されている。半導体層の表面を化学エッチングすると、その半導体層に存在する転位に対応する部分に溝（すなわちエッチピット）が形成される。エッチピットのサイズ（半導体層の表面内でのサイズ）は、転位の種類に応じて変わる。例えば、貫通らせん転位（ＴＳＤ）はエッチピットのサイズが大きくなり、貫通刃状転位（ＴＥＤ）はエッチピットのサイズが小さくなる。非特許文献１の技術では、所定のエッチング条件（エッチング濃度、エッチング時間、エッチング温度等）の下で形成されたエッチピットのサイズと転位の種類とを予め対応づけておく（以下では対応情報と呼ぶ）。この対応情報を参照することによって、半導体層に形成されたエッチピットのサイズに基づいて転位の種類を特定することができる。

電力中央研究所 オンデマンドライブラリ、財団法人電力中央研究所 報告書番号Ｑ０４０２３ 「ＳｉＣ単結晶膜中欠陥の高分解能非破壊観察法の開発」 平成１７年９月

上記の従来技術では、エッチング条件が少しでも変わると、エッチピットのサイズが変わってしまう。エッチング条件が少しでも変わると、上記の対応情報を利用して転位の種類を正確に特定することができない。様々なエッチング条件での対応情報を用意しておけば、エッチング条件が変わっても転位の種類を正確に特定することできるが、これを実現するためには、様々なエッチング条件での対応情報を得るための事前作業に膨大な時間をかける必要がある。

本明細書では、多数のエッチング条件での対応情報を得るという事前作業を行なわなくても、転位の種類を正確に特定することができる技術を提供する。

本発明者らは、半導体層の表面を化学エッチングすることによって形成されたエッチピットの傾斜角度が、転位の種類に依存し、エッチング条件に依存しないことを見出した。エッチピットの傾斜角度と転位の種類との関係さえわかっていれば、どのようなエッチング条件を利用してエッチングを行なっても、転位の種類を正確に特定することができる。本発明は、このような知見に鑑みて創作されたものであり、以下の構成を備える。即ち、本発明の半導体層に存在する転位の種類を特定する方法は、半導体層を化学エッチングすることによって、化学エッチング後の半導体層の表面から窪んでいるエッチピットを形成する形成工程と、化学エッチング後の上記の表面に対するエッチピットの傾斜角度を特定する傾斜角度特定工程と、傾斜角度特定工程で特定されたエッチピットの傾斜角度に基づいて、転位の種類を特定する転位種類特定工程とを備える。この方法では、エッチピットの傾斜角度と転位の種類との関係を予め用意しておけば、半導体層に形成されたエッチピットの傾斜角度から転位の種類を正確に特定することができる。

なお、エッチピットの傾斜角度は、角度そのものであってもよいし（即ち単位が（°）であってもよいし）、エッチピットの径に対する深さで表現されてもよいし、傾斜角度に依存する他のパラメータで表現されてもよい。

なお、本発明の技術思想は、次の転位種類特定装置として表現することもできる。即ち、本発明の転位種類特定装置は、化学エッチングによって表面から窪んでいるエッチピットが形成された半導体層に存在する転位の種類を特定する装置である。本発明の転位種類特定装置は、複数の転位の種類のそれぞれについて、当該転位の種類と角度とを対応づけて記憶している記憶手段と、上記表面に対する上記エッチピットの傾斜角度を特定する傾斜角度特定手段と、傾斜角度特定手段で特定された上記エッチピットの傾斜角度に対応づけて記憶手段に記憶されている転位の種類を特定する転位種類特定手段と、転位種類特定手段で特定された転位の種類を出力する出力手段とを備える。この装置によると、エッチピットの傾斜角度と転位の種類との関係が記憶手段に記憶されている。記憶手段の記憶内容を参照することによって、半導体層に形成されたエッチピットの傾斜角度から転位の種類を正確に特定することができる。転位の種類が出力されるために、ユーザは、転位の種類を知ることができる。なお、上記の「出力」という用語は、表示すること、印刷すること、音を出力すること、他のデバイスに送信すること等を含む概念である。

本発明では、多数のエッチング条件での対応情報を得るという事前作業を行なわなくても、半導体層に存在する転位の種類を正確に特定することができる。

半導体層を結晶成長させる様子を示す正面図である。 半導体層の正面図である。 エッチング後の半導体層の平面図である。 図３のＡ−Ｂ断面図である。 （ａ）図３のＣ−Ｄ断面図である。（ｂ）図３のＥ−Ｆ断面図である。（ｃ）図３のＧ−Ｈ断面図である。（ｄ）図３のＩ−Ｊ断面図である。 転位の種類と、その転位に対応する部分に形成されるエッチピットの傾斜角度の範囲との関係を示す。 転位種類特定装置の模式図である。

下記の実施例の記載されている技術の一部を以下に例示する。
（特徴１）上記の方法は、転位の種類とエッチピットの傾斜角度との関係を用意する工程をさらに備えていてもよい。
（特徴２）所定角度のオフ角を利用して結晶成長させることによって、半導体層を形成してもよい。
（形態３）上記の傾斜角度特定工程は、エッチピットの傾斜角度を特定する際に、オフ角の影響を受けない断面に沿った傾斜角度を特定してもよい。
（特徴４）半導体層の材料は、六方晶系の材料（炭化珪素、珪素、窒化ガリウム、砒化ガリウム等）であってもよい。

（第１実施例）
図面を参照して、本実施例の半導体層の転位種類特定方法を説明する。図１は、結晶成長によって半導体層を形成する様子を示す。まず、半導体層４を結晶成長させる結晶成長工程を実施する。半導体層４は、基板２の表面に結晶成長される。半導体層４は、炭化珪素で形成されている。基板２には、オフ角θが設けられている。本実施例では、オフ角θは４°である。オフ角θを設けて半導体層４を結晶成長させることで、単結晶の半導体層４を得ることができる。オフ角θは、一般に水平方向に対して０〜８°程度の角度であってもよい。

図２は、半導体層４の正面図を示す。半導体層４の内部に４つの転位６，８，１０，１２が形成されている。各転位６，８，１０，１２は、半導体層４の内部から半導体層４の表面４ａまで伸びている。上記結晶成長工程で得られた半導体層４の表面４ａをエッチングし、各転位６，８，１０，１２に対応する部分にエッチピットを形成する形成工程を実施する。半導体層４の表面４ａは、ＫＯＨによってエッチングされる。本実施例では、ＫＯＨ溶液（強アルカリ性溶液）によるウエットエッチングを行なっている。ただし、エッチング方法は、ウエットエッチングに限られない。エッチング方法は、塩素ガスなどによるドライエッチングでもよい。

図３は、エッチング後の半導体層４の平面図を示す。半導体層４のエッチング後の表面４ｂには、その表面４ｂから窪んでいるエッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａが確認できる。転位６が形成されている部分にエッチピット６ａが形成されている。同様に、転位８，１０，１２が形成されている部分にエッチピット８ａ，１０ａ，１２ａが形成されている。転位が存在する半導体層をエッチングすると、転位が存在する部分は転位が存在しない表面に比べ、侵食速度が速いためエッチピットが形成される。なお、侵食速度は、転位の種類に依存する。

次いで、上記形成工程で形成された各エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの表面４ｂに対する傾斜角度を特定する傾斜角度特定工程を実施する。図４は、図３のＡ−Ｂ断面図を示す。図４では、１１−２０方向における各エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの表面４ｂに対する傾斜角度を符号αで示す。なお、１１−２０方向は、図１の左右方向に対応する。即ち、１１−２０方向は、オフ角θを設ける基準方向に対応する。

傾斜角度特定工程では、レーザ顕微鏡、原子間力顕微鏡、段差膜厚計等を利用して各エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの傾斜角度αが特定される。なお、傾斜角度特定工程は、ヒトが行なってもよいし、後述する第２実施例に記載されているようにデバイスが行なってもよい。
エッチピット６ａの傾斜角度αは、Ａ側がα１であり、Ｂ側がα２である。また、エッチピット８ａの傾斜角度αは、Ａ側がα３であり、Ｂ側がα４である。エッチピット１０ａの傾斜角度αは、Ａ側がα５であり、Ｂ側がα６である。エッチピット１２ａの傾斜角度αは、Ａ側がα７であり、Ｂ側がα８である。結晶成長工程において半導体層４を結晶成長させる際にオフ角θを設けているために、１１−２０方向におけるエッチピットの傾斜角度αは、Ａ側とＢ側で相違する。

次いで、図６に示されている表を用いて、上記傾斜角度特定工程で特定されたエッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの傾斜角度αに基づいて、半導体層４に存在する転位６，８，１０，１２の種類を特定する転位種類特定工程を実施する。図６の１１−２０方向の欄は、オフ角θが４°の場合における転位の種類と、その転位に対応する部分に形成されるエッチピットの傾斜角度の範囲との関係を示す。なお、本実施例の方法を利用する場合、この関係を予め用意しておく必要がある。また、転位種類特定工程は、ヒトが行なってもよいし、後述する第２実施例に記載されているようにデバイスが行なってもよい。

転位種類特定工程では、まず、エッチピット６ａの傾斜角度α１，α２に基づいて、転位６の種類を特定する。即ち、傾斜角度α１，α２が、図６の１１−２０方向の欄のいずれの範囲に含まれるのかを特定する。本実施例では、傾斜角度α１が１８〜２６°であり、α２が２６〜３４°である。このために、転位６の種類は、貫通らせん転位（以下ではＴＳＤと呼ぶ）と特定される。次いで、エッチピット８ａの傾斜角度α３，α４に基づいて、転位８の種類を特定する。本実施例では、傾斜角度α３が１６〜１８°であり、α４が２４〜２６°である。このために、転位８の種類は、混合転位（以下ではＭＤと呼ぶ）と特定される。次いで、エッチピット１０ａの傾斜角度α５，α６に基づいて、転位１０の種類を特定する。本実施例では、傾斜角度α５が１０〜１６°であり、α６が１８〜２４°である。このために、転位１０の種類は、貫通刃状転位（以下ではＴＥＤと呼ぶ）と特定される。次いで、エッチピット８ａの傾斜角度α７，α８に基づいて、転位１２の種類を特定する。本実施例では、傾斜角度α７が８６°であり、α８が４°である。このために、転位１２の種類は、基底面内転位（以下ではＢＰＤと呼ぶ）と特定される。

上記の方法を利用すると、エッチピットの傾斜角度αと転位の種類との関係を予め用意しておけば、エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの傾斜角度αから、各転位６，８，１０，１２の種類を正確に特定することができる。多数のエッチング条件での対応情報（エッチピットのサイズと転位の種類との関係）を得るという事前作業を行なわなくても、半導体層４に存在する転位の種類を正確に特定することができる。
なお、上記の従来技術では、各種の転位に応じたエッチピットのサイズの差が出る程度まで、大きくエッチピットを形成する必要があり、エッチング時間を比較的に長くする必要がある。これに対し、エッチピットの傾斜角度αは、エッチング時間に依存しない。本実施例の方法では、エッチピットの傾斜角度αが特定できる程度のエッチング時間で足りる。このエッチング時間は、各種の転位に応じたエッチピットのサイズの差が出る程度のエッチング時間よりも短い。本実施例の方法によると、エッチング時間が短くて済むために、転位の種類を短時間で特定することができる。

（第１実施例の変形例）
なお、上記の傾斜角度特定工程では、エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの１１−２０方向の断面における傾斜角度αを特定している。しかしながら、上記の傾斜角度特定工程では、エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの１−１００方向の断面における傾斜角度βを特定してもよい。即ち、オフ角θの影響を受けない傾斜角度βを特定してもよい。
図５では、１−１００方向における各エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの表面４ｂに対する傾斜角度を符号βで示す。なお、１−１００方向は、図１の奥行き方向に対応する。傾斜角度特定工程では、傾斜角度αと同様の手法で傾斜角度βが特定される。図５（ａ）は、図３のＣ−Ｄ断面図を示す。エッチピット６ａの傾斜角度βは、Ｃ側がβ１であり、Ｄ側がβ２である。図５（ｂ）は、図３のＥ−Ｆ断面図を示す。エッチピット８ａの傾斜角度βは、Ｅ側がβ３であり、Ｆ側がβ４である。図５（ｃ）は、図３のＧ−Ｈ断面図を示す。エッチピット１０ａの傾斜角度βは、Ｇ側がβ５であり、Ｈ側がβ６である。図５（ｄ）は、図３のＩ−Ｊ断面図を示す。エッチピット１２ａの傾斜角度βは、Ｉ側がβ７であり、Ｊ側がβ８である。１−１００方向のエッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの形状は、各転位６，８，１０，１２を対称軸として対称である。各エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａにおいて、左右の傾斜角度β（例えばβ１とβ２）は等しい。即ち、各エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａにおいて、各転位６，８，１０，１２に対して左側と右側のどちらか一方の傾斜角度βを特定すればよい。

次いで、図６に示されている表を用いて、上記傾斜角度特定工程で特定されたエッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの傾斜角度βに基づいて、半導体層４に存在する転位６，８，１０，１２の種類を特定する転位種類特定工程を実施する。図６の１−１００方向の欄は、転位の種類と、その転位に対応する部分に形成されるエッチピットの傾斜角度の範囲との関係を示す。１−１００方向における傾斜角度βは、オフ角θの影響を受けない。

転位種類特定工程では、まず、エッチピット６ａの傾斜角度β１＝β２に基づいて、転位６の種類を特定する。即ち、傾斜角度β１＝β２が、図６の１−１００方向の欄のいずれの範囲に含まれるのかを特定する。本実施例では、傾斜角度β１＝β２が２２〜３０°である。このために、転位６の種類は、ＴＳＤと特定される。次いで、エッチピット８ａの傾斜角度β３＝β４に基づいて、転位８の種類を特定する。本実施例では、傾斜角度β３＝β４が２０〜２２°である。このために、転位８の種類は、ＭＤと特定される。次いで、エッチピット１０ａの傾斜角度β５＝β６に基づいて、転位１０の種類を特定する。本実施例では、傾斜角度β５＝β６が１４〜２０°である。このために、転位１０の種類は、ＴＥＤあるいはＢＰＤであることがわかる。即ち、１−１００方向の傾斜角度β５＝β６からは、転位１０の種類がわからない。従って、このような場合は、上記の１１−２０方向の断面における傾斜角度αに基づいて転位の種類を特定する。上記の１１−２０方向の断面における傾斜角度αに基づいて転位の種類を特定すると、転位１０の種類は、ＴＥＤと特定される。次いで、エッチピット１２ａの傾斜角度β７＝β８に基づいて、転位１２の種類を特定する。本実施例では、傾斜角度β７＝β８が１０〜２０°である。このために、転位１２の種類は、ＴＥＤあるいはＢＰＤであることがわかる。この場合、上記の１１−２０方向の断面における傾斜角度αに基づいて転位の種類を特定する。上記の１１−２０方向の断面における傾斜角度αに基づいて転位の種類を特定すると、転位１２の種類は、ＢＰＤと特定される。
本実施例では、傾斜角度β７＝β８が１０〜２０°であったため、上記の１１−２０方向の断面における傾斜角度αに基づいて転位の種類が特定された。しかしながら、形成されたエッチピットの傾斜角度βが１０〜１５°の角度範囲に含まれていると、そのエッチピットに対応する転位の種類は、ＢＰＤと特定することができる。

なお、上記の第１実施例において、各エッチピットの傾斜角度αの範囲は、オフ角θを含む以下の一般式で表現することができる。
転位の種類がＴＳＤである場合、Ａ側の傾斜角度α＝２２〜３０−θで表現することができ、Ｂ側の傾斜角度α＝２２〜３０＋θで表現することができ。
転位の種類がＭＤである場合、Ａ側の傾斜角度α＝２０〜２２−θ°で表現することができ、Ｂ側の傾斜角度α＝２０〜２２＋θで表現することができる。
転位の種類がＴＥＤである場合、Ａ側の傾斜角度α＝１４〜２０−θで表現することができ、Ｂ側の傾斜角度α＝１４〜２０＋θで表現することができる。
転位の種類がＢＰＤである場合、Ａ側の傾斜角度α＝９０°−θで表現することができ、Ｂ側の傾斜角度α＝θで表現することができる。

傾斜角度βは、オフ角θの影響を受けず一定である。複数の転位に対応する各傾斜角度βの範囲は、常に一定の角度範囲で表現することができる。また傾斜角度βは、転位に対して左右同じ角度である。複数の転位に対応する各エッチピットの傾斜角度αの範囲は、オフ角θを含む一般式で表現することができる。しかしながら、オフ角θを微妙に調整し半導体層４を成長させ、その半導体層４に存在する転位６，８，１０，１２を傾斜角度αによって特定する場合には、複数の転位の種類に対応する傾斜角度αをオフ角θから求める必要がある。特に、ヒトが半導体層４の転位６，８，１０，１２を特定する場合には、まず傾斜角度βによって半導体層４に存在する転位６，８の種類を特定することが好ましい。次いで、傾斜角度βによって特定できなかった転位１０，１２を傾斜角度αによって特定することが好ましい。

（第２実施例）
図７は、転位種類特定装置１４の構成を簡単に示している。本実施例では、第１実施例で成長された半導体層４を用いて説明する。転位種類特定装置１４は、記憶部１６とエッチピット特定部１８と転位種類特定部２０と表示部２２とを備える。記憶部１６は、複数の転位の種類のそれぞれに対応する角度を記憶している。具体的に言うと、記憶部１６は、図６の表に示される情報を記憶している。なお、記憶部１６は、オフ角θから複数の転位のそれぞれに対応する角度を決定するプログラムを内蔵していてもよい。
エッチピット特定部１８は、化学エッチング後の半導体層４の表面４ｂにおけるエッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの位置を特定し、その各エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの傾斜角度α，βを特定する。即ち、本実施例では、１１−２０方向での傾斜角度αと、１−１００方向での傾斜角度βとの両方が特定される。エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａを特定する手法の一例として、レーザ顕微鏡、原子間力顕微鏡、段差膜圧計等を挙げることができる。
転位種類特定部２０は、エッチピット特定部１８で特定されたエッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの傾斜角度α，βと、記憶部１６に予め記憶されているデータとに基づいて、転位６，８，１０，１２の種類を特定する。すなわち、転位６はＴＳＤと特定され、転位８はＭＤと特定され、転位１０はＴＥＤと特定され、転位１２はＢＰＤと特定される。
表示部２２は、転位種類特定部２０によって特定された転位の種類を表示する。本実施例の表示部２２は、エッチピット特定部１８によって特定された各エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの位置（座標）と、その位置での転位の種類とを表示する。なお、表示部２２は、各転位を種類毎に色分けし、その映像を表示してもよい。例えば、転位６，８，１０，１２（エッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａ）が形成されていない領域を黒で表示し、ＴＳＤ６（エッチピット６ａ）を赤色で表示し、ＭＤ６（エッチピット８ａ）を黄色で表示し、ＴＥＤ１０（エッチピット１０ａ）を青色で表示し、ＢＰＤ１２（エッチピット１２ａ）を緑色で表示してもよい。これによって、ユーザは、転位の位置と種類を容易に特定することができる。

上記の転位種類特定装置１４を利用すると、エッチング処理によって形成されたエッチピット６ａ，８ａ，１０ａ，１２ａの傾斜角度α，βから、転位の種類を正確に特定することができる。半導体層４に存在する転位６，８，１０，１２の位置と種類をユーザに提供することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。上記の実施例の変形例を以下に列挙する。

（１）上記の実施例では、炭化珪素の半導体層４を利用している。しかしながら、転位が形成され易い他の種類の半導体層を利用する場合にも、上記の実施例の技術を適用することができる。例えば、六方晶系の材料によって形成される他の半導体層（珪素、窒化ガリウム、砒化ガリウム）を利用する場合にも、上記の実施例の技術を適用することができる。
（２）第１実施例及び第２実施例では、１１−２０方向における断面における左右両方の傾斜角度（例えばα１とα２）を特定している。しかしながら、左右のいずれかの傾斜角度（例えばA側の傾斜角度）のみを特定し、その傾斜角度と図６の表とから転位の種類を特定してもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ 基板
４ 半導体層
４ａ エッチング前の表面
４ｂ エッチング後の表面
６ 転位
６ａ エッチピット
８ 転位
８ａ エッチピット
１０ 転位
１０ａ エッチピット
１２ 転位
１２ａ エッチピット
１４ 転位種類特定装置
１６ 記憶部
１８ エッチピット特定部
２０ 転位種類特定部
２２ 表示部

Claims (2)

1. 半導体層に存在する複数種類の転位を種類ごとに区別して特定する方法であり、
   前記半導体層を化学エッチングすることによって、化学エッチング後の半導体層の表面から窪んでいるエッチピットを形成する形成工程と、
   化学エッチング後の前記表面に対する前記エッチピットの傾斜角度を特定する傾斜角度特定工程と、
   傾斜角度特定工程で特定された前記エッチピットの傾斜角度に基づいて、前記転位の種類を特定する転位種類特定工程と
   を備える転位種類特定方法。
2. 化学エッチングによって表面から窪んでいるエッチピットが形成された半導体層に存在する複数種類の転位を種類ごとに区別して特定する装置であり、
   複数の転位の種類のそれぞれについて、当該転位の種類と角度とを対応づけて記憶している記憶手段と、
   前記表面に対する前記エッチピットの傾斜角度を特定する傾斜角度特定手段と、
   傾斜角度特定手段で特定された前記エッチピットの傾斜角度に対応づけて記憶手段に記憶されている転位の種類を特定する転位種類特定手段と、
   転位種類特定手段で特定された転位の種類を出力する出力手段と
   を備える転位種類特定装置。

Images