JP6807730B2 - 半導体基板の検査方法、半導体基板の品質判定方法および半導体基板 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板の検査方法、半導体基板の品質判定方法および半導体基板に関する。

たとえば、非特許文献１には、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長したＧａＮを活性層とするＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）における電流コラプスの抑制技術が開示されている。当該文献において、ＧａＮ−ＨＥＭＴをパワーエレクトロニクスに応用するには電流コラプスを撲滅することが必要であり、そのためには、電界集中を緩和するためのフィールドプレート構造の最適化、および、エピタキシャル層内の欠陥または界面準位の低減、が必要であるとの記載がある。また、当該文献は、エピタキシャル層内の欠陥等の低減に関し、ＰＬ測定（Photo Luminescence）と、電流コラプスの評価指標の一つであるオン抵抗増加率との関係について言及しており、ＰＬ測定におけるイエロールミネッセンス強度（ＹＬ）のバンド端発光強度（ＢＥ）に対する比（ＹＬ／ＢＥ）と、オン抵抗増加率とが、ウェハ内分布において一致するとの記載がある。すなわち、ＹＬ／ＢＥを低く抑えることで、オン抵抗増加率（電流コラプス）が改善されるとの開示がある。

齋藤渉、「Si基板上GaN-HEMTのコラプス抑制」、(財)科学技術交流財団、第８回窒化物半導体応用研究会、平成２２年６月２４日、http://www.astf.or.jp/cluster/event/semicon/20100624/Mr_saito.pdf

非特許文献１によれば、ＰＬ測定を行い、バンド端発光強度（ＢＥ）に対するイエロールミネッセンス強度（ＹＬ）の比（ＹＬ／ＢＥ）を算出すれば、オン抵抗増加率が推定でき、電流コラプスについての評価が可能になる。

しかし、非特許文献１におけるＰＬ測定では、励起光として波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザ光を用いる。波長が３２５ｎｍの光は、ＧａＮ結晶には吸収されるものの、アルミニウム組成が０．１５以下のＡｌＧａＮ結晶にはほとんど吸収されず、その結果、ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層が形成されたようなＧａＮ／ＡｌＧａＮ積層結晶層を対象としたＰＬ測定では、その測定結果にＡｌＧａＮ層からの情報が含まれず、ＧａＮ層からの情報に限られてしまう問題がある。

本発明の目的は、ＡｌＧａＮ層を含む積層結晶層を対象とするＰＬ測定において積層結晶層の各層に由来するフォトルミネッセンス情報を取得し、半導体基板の結晶性または電流コラプスに関する検査および品質判定の精度を高める技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、ベース基板、第１結晶層および第２結晶層を有し、前記ベース基板、前記第１結晶層および前記第２結晶層が、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層の順に位置し、前記第２結晶層が、前記第１結晶層に接するとともに前記第１結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、前記第２結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ２が、前記第１結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ１より大きい、半導体基板の検査方法であって、前記第２結晶層の側から第１波長の第１励起光を照射し、前記第１励起光によるフォトルミネッセンスを第１観測光として測定する段階と、前記第１観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ１と、前記バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ１との比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１を計算する段階と、前記比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１を検査値とする段階と、を有し、前記第１結晶層の前記第１波長における光吸収係数α_１と、前記第２結晶層の前記第１波長における光吸収係数α_２との比α_２／α_１が、０．５〜１．０の範囲である半導体基板の検査方法を提供する。

本発明の第２の態様においては、ベース基板、第１結晶層および第２結晶層を有し、前記ベース基板、前記第１結晶層および前記第２結晶層が、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層の順に位置し、前記第２結晶層が、前記第１結晶層に接するとともに前記第１結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、前記第２結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ２が、前記第１結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ１より大きい、半導体基板の検査方法であって、前記第２結晶層の側から第１波長の第１励起光を照射し、前記第１励起光によるフォトルミネッセンスを第１観測光として測定する段階と、前記第２結晶層の側から前記第１波長より波長が長い第２波長の第２励起光を照射し、前記第２励起光によるフォトルミネッセンスを第２観測光として測定する段階と、前記第１観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ１と、前記バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ１との比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１を計算する段階と、前記第２観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ２と、前記バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ２との比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２を計算する段階と、前記比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１および前記比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２から選択された１以上の値または当該１以上の値から計算された値を検査値とする段階と、を有し、前記第１結晶層の前記第１波長における光吸収係数α_１と、前記第２結晶層の前記第１波長における光吸収係数α_２との比α_２／α_１が、前記第１結晶層の前記第２波長における光吸収係数β_１と、前記第２結晶層の前記第２波長における光吸収係数β_２との比β_２／β_１より大きい半導体基板の検査方法を提供する。

前記第１結晶層として、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層を、より具体的にＧａＮ層を挙げることができ、前記第２結晶層として、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１、ｘ＜ｙ）層を、より具体的にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．１＜ｙ≦０．３）層を挙げることができる。前記第１波長が、１８０〜３００ｎｍの範囲内にあってもよい。

本発明の第３の態様においては、上記した第１形態の検査方法を用いた半導体基板の品質判定方法であって、前記検査方法を用いて前記半導体基板を検査する段階と、前記比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１が所定の値を超えた場合に、検査対象の前記半導体基板を不良品と判定する段階と、を有する半導体基板の品質判定方法を提供する。ここで、前記第１結晶層として、ＧａＮ層が例示でき、前記第２結晶層として、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．１＜ｙ≦０．３）層が例示でき、前記第１波長の範囲として、１８０〜３００ｎｍの範囲が例示でき、所定の値として０．１が例示できる。

本発明の第４の態様においては、上記した第２形態の検査方法を用いた半導体基板の品質判定方法であって、前記検査方法を用いて前記半導体基板を検査する段階と、前記比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１および前記比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２から選択された１以上の比率が所定の値を超えた場合に、検査対象の前記半導体基板を不良品と判定する段階と、を有する半導体基板の品質判定方法を提供する。ここで、前記第１結晶層として、ＧａＮ層が例示でき、前記第２結晶層として、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．１＜ｙ≦０．３）層が例示でき、前記第１波長の範囲として、１８０〜３００ｎｍの範囲が例示でき、前記第２波長の範囲として、３００ｎｍを超える範囲が例示でき、所定の値として０．１が例示できる。

本発明の第５の態様においては、ベース基板、第１結晶層および第２結晶層を有し、前記ベース基板、前記第１結晶層および前記第２結晶層が、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層の順に位置し、前記第２結晶層が、前記第１結晶層に接するとともに前記第１結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、前記第２結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ２が、前記第１結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ１より大きく、前記第１結晶層の第１波長（但し、第１波長は１８０〜３００ｎｍの範囲内にある。）における光吸収係数α_１と、前記第２結晶層の前記第１波長における光吸収係数α_２との比α_２／α_１が、０．５〜１．０の範囲である、半導体基板であって、前記半導体基板に、前記第２結晶層の側から前記第１波長の第１励起光を照射し、前記第１励起光によるフォトルミネッセンスを第１観測光として測定し、前記第１観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ１と、前記バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ１との比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１を計算した場合に、前記比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１が０．１となる半導体基板を提供する。

半導体基板１００の断面図である。 第１結晶層１１２をＧａＮ層とし、第２結晶層１１４をＡｌＧａＮ層とした場合の半導体基板１００のＰＬ発光スペクトルの一例を示した図である。 波長が相違する２種類の光源を励起光に用いてＡｌＧａＮ層をＰＬ測定した場合の検出深さをＡｌ組成の関数として示したグラフである。 ＰＬ測定における観測光（フォトルミネッセンス）の発生位置を模式的に示した図である。 実験例１〜３についてのＳＩＭＳ測定結果であり、炭素原子の深さプロファイルを示す。 ＳＩＭＳ測定で得られた第２結晶層１１４の炭素濃度とＹＬ／ＢＥの関係をプロットしたグラフである。 実験例１〜３および比較例１、２についてのホール移動度をＹＬ／ＢＥに対しプロットしたグラフである。 実施例１のＹＬ／ＢＥ比およびＰＬ発光スペクトルを示す図である。 実施例２のＹＬ／ＢＥ比およびＰＬ発光スペクトルを示す図である。 比較例１のＹＬ／ＢＥ比およびＰＬ発光スペクトルを示す図である。

図１は、本実施の形態の検査方法で用いる半導体基板１００の断面図である。半導体基板１００は、ベース基板１０２、反応抑制層１０４、バッファ層１０６およびデバイス形成層１０８を有する。バッファ層１０６は、第１層１０６ａおよび第２層１０６ｂからなる二層積層１０６ｃを有する。デバイス形成層１０８は、第１結晶層１１２および第２結晶層１１４を有する。ベース基板１０２、第１結晶層１１２および第２結晶層１１４は、ベース基板１０２、第１結晶層１１２、第２結晶層１１４の順に位置する。

ベース基板１０２は、反応抑制層１０４、バッファ層１０６およびデバイス形成層１０８の各層を支持する支持基板である。ベース基板１０２はシリコン基板とすることが好ましい。ベース基板１０２としてシリコン基板を用いることにより、材料価格を下げることができ、従来のシリコンプロセスで用いられている半導体製造装置を利用することができる。これにより、コスト競争力を高めることができる。さらに、ベース基板１０２としてシリコン基板を用いることにより、直径１５０ｍｍ以上の大型の基板を安価にかつ工業的に利用することができるようになる。

反応抑制層１０４は、ベース基板１０２がシリコン基板である場合、当該シリコン基板に含まれるシリコン原子とバッファ層１０６等に含まれるＩＩＩ族原子との反応を抑制する。反応抑制層１０４の上層にある窒化物結晶層が、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等のＧａＮ系半導体層である場合、当該ＧａＮ系半導体層に含まれるＧａ原子とシリコン原子との合金化を防止することができる。反応抑制層１０４として、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０．９≦ｚ≦１）を挙げることができ、代表的にはＡｌＮ層を挙げることができる。反応抑制層１０４により、ベース基板１０２の表面を保護し、上層の支持を確実にすることができる。また、反応抑制層１０４は、ベース基板１０２上に形成される結晶層の初期核を形成することができる。反応抑制層１０４の厚さは、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。

バッファ層１０６は、ベース基板１０２とデバイス形成層１０８の間に位置する。バッファ層１０６は、第１層１０６ａおよび第２層１０６ｂからなる二層積層１０６ｃが繰り返し積層された多層積層構造を有する。このような多層積層構造により圧縮応力を発生し、その結果バッファ層１０６は、半導体基板１００全体の反りを低減する応力発生層として機能する。バッファ層１０６は、また、ベース基板１０２とデバイス形成層１０８の間を電気的に絶縁する絶縁層としても機能する。

第１層１０６ａは、バルク結晶における格子定数がａ１である３族窒化物結晶からなり、第２層１０６ｂは、バルク結晶における格子定数がａ２（ａ１＜ａ２）である３族窒化物結晶からなる。二層積層１０６ｃの繰り返し数は、たとえば２〜５００とすることができる。二層積層１０６ｃを多数積層することにより、バッファ層１０６が発生する圧縮応力を大きくすることができる。また、二層積層１０６ｃの積層数によりバッファ層１０６が発生する圧縮応力の大きさを容易に制御することができる。さらに、二層積層１０６ｃを多数積層することで、第１層１０６ａによる耐電圧の向上をより高めることができる。

本実施の形態では、二層積層１０６ｃが複数繰り返して積層された構成のバッファ層１０６を例示しているが、二層積層１０６ｃは複数繰り返して積層されなくてもよく、この場合、単一の二層積層１０６ｃがバッファ層１０６を構成する。バッファ層１０６は、第１層１０６ａおよび第２層１０６ｂに加え、バルク結晶における格子定数がａ３（ａ２＜ａ３）である第３結晶層を含む三層積層からなる構造としてもよい。あるいは、バルク結晶における格子定数が、ベース基板１０２の近くから遠ざかるに従い連続的またはステップ状に大きくなるグレーディッド結晶層としてもよい。さらに、三層積層またはグレーディッド結晶層が複数繰り返して積層された多層積層構造としてもよい。

第１層１０６ａとしてＡｌ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０．９≦ｑ≦１）が例示でき、第２層１０６ｂとしてＡｌ_ｐＧａ_１−ｐＮ（０≦ｐ≦０．３）が例示できる。第１層１０６ａの厚さは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは５．０ｎｍを超え２０ｎｍ未満とすることができる。第２層１０６ｂの厚さは、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。

デバイス形成層１０８は、第１結晶層１１２および第２結晶層１１４を有し、トランジスタやＬＥＤ（light emitting diode）等任意のデバイスが形成できる結晶層である。たとえば第１結晶層１１２および第２結晶層１１４のヘテロ界面に形成される二次元電子ガス（２ＤＥＧ）をチャネルとするＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）が形成できる。第２結晶層１１４は、第１結晶層１１２に接するとともに第１結晶層１１２に対し格子整合または擬格子整合し、第２結晶層１１４を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ２は、第１結晶層１１２を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ１より大きい。

第１結晶層１１２は、たとえばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層であり、具体的にはＧａＮ層が例示できる。第１結晶層１１２の厚さは、２００〜２０００ｎｍの範囲で選択することができ、たとえば８００ｎｍとすることができる。

第２結晶層１１４は、たとえばＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１、ｘ＜ｙ）層であり、具体的にはＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．１＜ｙ≦０．３）層、たとえばＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎが例示できる。第２結晶層１１４の厚さは、１０〜１００ｎｍの範囲で選択することができ、たとえば２５ｎｍとすることができる。

反応抑制層１０４、バッファ層１０６およびデバイス形成層１０８は、一般的なＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて形成できる。たとえば、ＭＯＣＶＤ法により形成する層がＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層である場合、ＩＩＩ族原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）およびトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３）を用いることができ、窒素原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）を用いることができる。成長温度は１１００〜１２６０℃の範囲で選択可能であり、ＩＩＩ族原料ガスに対するＶ族原料ガスの流量比Ｖ／ＩＩＩ比は、１６０〜５０００の範囲で選択可能である。形成する層の厚さは、たとえば予備実験で得た成長速度から設計厚さに対応する成長時間を算出し、成長時間により厚さを制御できる。

上記した半導体基板１００の検査方法として、二通りの検査方法を説明する。一つ目の検査方法は以下の通りである。まず、第２結晶層１１４の側から第１波長の第１励起光を照射し、第１励起光によるフォトルミネッセンスを第１観測光として測定する。次に、第１観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ１と、バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ１との比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１を計算し、これを検査値とする。ここで、第１結晶層１１２の第１波長における光吸収係数α_１と、第２結晶層１１４の第１波長における光吸収係数α_２との比α_２／α_１が、０．５〜１．０の範囲となるよう第１波長を選択する。

二つ目の検査方法は以下の通りである。まず、第２結晶層１１４の側から第１波長の第１励起光を照射し、第１励起光によるフォトルミネッセンスを第１観測光として測定し、第２結晶層１１４の側から第１波長より波長が長い第２波長の第２励起光を照射し、第２励起光によるフォトルミネッセンスを第２観測光として測定する。次に、第１観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ１と、バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ１との比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１を計算し、第２観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ２と、バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ２との比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２を計算し、比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１および比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２から選択された１以上の値または当該１以上の値から計算された値を検査値とする。ここで、第１結晶層１１２の第１波長における光吸収係数α_１と、第２結晶層１１４の第１波長における光吸収係数α_２との比α_２／α_１が、第１結晶層１１２の第２波長における光吸収係数β_１と、第２結晶層１１４の第２波長における光吸収係数β_２との比β_２／β_１より大きくなるよう第１波長および第２波長を選択する。

上記した二通りの検査方法をより詳細に説明する。図２は、第１結晶層１１２をＧａＮ層とし、第２結晶層１１４をＡｌＧａＮ層とする半導体基板１００のＰＬ発光スペクトルの一例を示した図である。ピークＡにＧａＮのバンド端発光（ＢＥ）が現れ、ピークＡより長波長側（低光子エネルギー側）のピークＢにイエロールミネッセンス（ＹＬ）が出現する。ピークＢのイエロールミネッセンス（ＹＬ）は結晶欠陥または不純物に起因すると考えられ、バンド端発光強度で規格化したイエロールミネッセンス強度（ＹＬ／ＢＥ）の値は、デバイス形成層１０８の結晶性（結晶欠陥または不純物等）についての評価指標とすることができる。

図３は、波長が相違する２種類の光源を励起光に用いてＡｌＧａＮ層をＰＬ測定した場合の検出深さをＡｌ組成の関数として示したグラフである。従来技術（非特許文献１）で用いていたＨｅ−Ｃｄレーザ光（発光波長３２５ｎｍ）では、Ａｌ組成が０．１５を超えた辺りから急激に検出深さが深くなっている。これは、Ａｌ組成が０．１５を超えるＡｌＧａＮ層ではＨｅ−Ｃｄレーザ光の吸収が小さく、十分な励起が行われないため、ＰＬ測定が困難であることを示している。一方、ＹＡＧレーザの４倍波光（発光波長２６６ｎｍ）を用いた場合、Ａｌ組成が０．１５を超えても検出深さは約２００ｎｍで一定であり、これは、Ｈｅ−Ｃｄレーザ光では測定困難なＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成が０．１５以上）のＰＬ測定が、ＹＡＧレーザ４倍波光を用いることで可能になることを示している。

図４は、ＰＬ測定における観測光（フォトルミネッセンス）の発生位置を模式的に示した図であり、図中左側にＨｅ−Ｃｄレーザ光を励起光に用いた場合、図中右側にＹＡＧレーザ４倍波光を励起光に用いた場合を示す。Ｈｅ−Ｃｄレーザ光を励起光に用いた場合、Ｈｅ−Ｃｄレーザ励起光Ｅ１は、第２結晶層１１４に対しほぼ透明なため、第２結晶層１１４を吸収なく透過し、第１結晶層１１２に至って吸収され始める。よって、Ｈｅ−Ｃｄレーザ励起光Ｅ１による観測光Ｏ１は、第１結晶層１１２で主に発生する。一方、ＹＡＧレーザ４倍波光を励起光に用いた場合、ＹＡＧレーザ４倍波励起光Ｅ２は、第２結晶層１１４および第２結晶層１１４で吸収され、ＹＡＧレーザ４倍波励起光Ｅ２による観測光Ｏ２は、第２結晶層１１４および第１結晶層１１２の両方で発生する。

ＹＡＧレーザ４倍波光のように第２結晶層１１４でも吸収される励起光（第１励起光）を用いてＰＬ測定し、バンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ１に対するイエロールミネッセンス光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ１の比Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１を計算し、これを検査値とすることで、ＡｌＧａＮ層を含めたデバイス形成層１０８の結晶性評価を実施することができる。これにより半導体基板１００の電流コラプスに対する検査・判定の精度を高めることができる。この場合、ＹＡＧレーザ４倍波光の波長（第１波長）における第１結晶層１１２に対する光吸収係数をα_１、同波長における第２結晶層１１４に対する光吸収係数をα_２とした場合、α_２／α_１は、０．５〜１．０の範囲であるものとする。これは、ＹＡＧレーザ４倍波光を励起光（第１励起光）とした場合、励起光波長（第１波長）における第１結晶層１１２（ＧａＮ層）の吸収係数α_１と第１結晶層１１２（ＡｌＧａＮ層）の吸収係数α_２は、図３から明らかにほぼ同等であり、α_１の方が若干大きな値になっていると思われる。よって、α_２／α_１は１に近い値であり、０．５〜１．０の範囲、好ましくは０．７〜０．９５の範囲、さらに好ましくは０．８〜０．９の範囲が適当であると考えられる。

また、第２結晶層１１４でも吸収される第１励起光を用いたＰＬ測定に加え、Ｈｅ−Ｃｄレーザ光のような第１励起光より長波長の第２励起光も用いてＰＬ測定を行い、第１励起光による比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１の計算、および第１励起光と同様に、第２励起光による比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２の計算を行い、比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１および比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２から選択された１以上の値または当該１以上の値から計算された値を検査値とすることができる。これにより、ＡｌＧａＮ層を含めたデバイス形成層１０８の結晶性評価を実施することができ、半導体基板１００の電流コラプスに対する検査・判定の精度を高めることができる。この場合、α_２／α_１と同様に、第２波長における第１結晶層１１２の光吸収係数β_１と第２結晶層１１４の光吸収係数β_２との比β_２／β_１が定義でき、α_２／α_１がβ_２／β_１より大きい値であるものとすることができる。第２波長をＨｅ−Ｃｄレーザ光の波長とすると、図３から明らかに、第１結晶層１１２に対する光吸収係数β_１に比べて第２結晶層１１４に対する光吸収係数β_２は極めて小さく、α_２／α_１はβ_２／β_１より大きな値になっているものと考えられる。α_２／α_１の値は、β_２／β_１より大きく、好ましくはα_２／α_１はβ_２／β_１の２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とすることができる。

なお、第１波長は、１８０〜３００ｎｍの範囲内とすることができ、第２波長は、３００ｎｍを超える波長範囲とすることができる。

（実施例）
ベース基板１０２として（１１１）面を主面とするＳｉウェハを用い、反応抑制層１０４、バッファ層１０６およびデバイス形成層１０８を形成した。反応抑制層１０４として、設計厚さ１５０〜１６０ｎｍのＡｌＮ層を形成した。バッファ層１０６として、設計厚さ５ｎｍのＡｌＮ層（第１層１０６ａ）および設計厚さ２８ｎｍのＡｌＧａＮ層（第２層１０６ｂ）からなるＡｌＮ／ＡｌＧａＮ積層構造（二層積層１０６ｃ）を繰り返し積層して形成した。デバイス形成層１０８として、設計厚さ８００ｎｍのＧａＮ層（第１結晶層１１２）および設計厚さ２５ｎｍのＡｌＧａＮ層（第２結晶層１１４）を形成した。ＡｌＧａＮ層（第２結晶層１１４）のＡｌ組成は０．２５とした。

反応抑制層１０４、バッファ層１０６およびデバイス形成層１０８（ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層）の形成にはＭＯＣＶＤ法を用い、ＩＩＩ族原料ガスとしてトリメチルアルミニウムおよびトリメチルガリウムを用い、窒素原料ガスとしてアンモニアを用いた。成長温度は１１００〜１２６０℃の範囲で選択し、ＩＩＩ族原料ガスに対するＶ族原料ガスの流量比Ｖ／ＩＩＩ比は、１６０〜３７００の範囲で選択した。予備実験で得た成長速度から算出した成長時間により各層の厚さを制御したため、各層の実際の厚さと設計厚さとは異なる。

第２結晶層１１４であるＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ層の成長時のＶ／ＩＩＩ比を変えて実験例１〜３および比較例１，２を作成した。実験例１におけるＶ／ＩＩＩ比は３７００、実験例２におけるＶ／ＩＩＩ比は２５００、実験例３におけるＶ／ＩＩＩ比は６２０、比較例１におけるＶ／ＩＩＩ比は６００、比較例２におけるＶ／ＩＩＩ比は５８８、とした。

実験例１〜３および比較例１、２のそれぞれについて、ＹＡＧレーザ４倍波光を励起光とするＰＬ測定を行い、バンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ１と、バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光（イエロールミネッセンス）ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ１との比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１（ＹＬ／ＢＥ）を計算した。また、実験例１〜３および比較例１、２のそれぞれについて、ホール移動度を測定した。さらに、実験例１〜３について第２結晶層１１４および第１結晶層１１２の一部に渡るＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）深さ測定を行った。ＹＬ／ＢＥの値およびホール移動度の測定結果を表１に示す。

図５は、実験例１〜３についてのＳＩＭＳ測定結果であり、炭素原子の深さプロファイルを示す。図６は、ＳＩＭＳ測定で得られた第２結晶層１１４の炭素濃度とＹＬ／ＢＥの関係をプロットしたグラフである。図７は、実験例１〜３および比較例１、２についてのホール移動度をＹＬ／ＢＥに対しプロットしたグラフである。

表１および図５〜７に示す結果から、Ｖ／ＩＩＩ比が小さくなるほどＡｌＧａＮ層（第２結晶層１１４）内の炭素濃度が増加し、ＹＬ／ＢＥ比が大きくなることがわかる。また、ＹＬ／ＢＥ比が０．１に至るまではホール移動度が徐々に低下し、０．１を超えると急激にホール移動度が小さくなることがわかる。つまり、ＹＬ／ＢＥ比が０．１を境にホール移動度が臨界的に変化し、ＹＬ／ＢＥ比が０．１以上でホール移動度が急激に悪化する。

以上の結果から、上記検査方法を用いて半導体基板を検査し、比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１（ＹＬ／ＢＥ比）が所定の値（たとえば０．１）を超えたことを以て検査対象の半導体基板を不良品と判定することができる。

なお、上記した二通りの検査方法のうち、実施例では一つ目の検査方法の実施例と不良品判定方法を説明したが、二つ目の検査方法を用いて不用品判定を行うことも可能である。たとえば、二つ目の検査方法を用いて半導体基板を検査し、比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１および比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２から選択された１以上の比率が所定の値を超えた場合に、検査対象の半導体基板を不良品と判定することができる。

図８〜図１０は、それぞれ、実施例１、実施例２および比較例１のＹＬ／ＢＥ比およびＰＬ発光スペクトルを示す図である。図８〜１０の各図において、上部には、基板中心から外周方向に測定位置を変えた場合の各測定位置におけるＹＬ／ＢＥ比、すなわちＹＬ／ＢＥ比の面内分布を示す。「△」印のプロットはＨｅ−Ｃｄレーザ光（波長３２５ｎｍ）を励起光に用いた場合、「◆」印のプロットはＹＡＧレーザ４倍波光（波長２６６ｎｍ）を励起光に用いた場合である。図８〜１０の各図下部に示すＰＬ発光スペクトルにおいては、Ｈｅ−Ｃｄレーザ光（波長３２５ｎｍ）による発光スペクトルとＹＡＧレーザ４倍波光（波長２６６ｎｍ）による発光スペクトルを同時に示す。

実施例１および実施例２においては、ＹＬ／ＢＥ比が低く、面内分布もほぼ均一であることがわかる。一方比較例１においては、Ｈｅ−Ｃｄレーザ光を励起光とする場合のＹＬ／ＢＥ比は低く、面内分布もほぼ均一であるものの、ＹＡＧレーザ４倍波光を励起光とする場合のＹＬ／ＢＥ比は値が大きく、面内分布は不均一である。Ｈｅ−Ｃｄレーザ光を励起光とする従来技術においては、比較例１は良品として判定されてしまうものの、本実施例ではＹＡＧレーザ４倍波光を励起光とするので、比較例１は不良品として判定され、検査判定の精度が高くなっていることがわかる。なお、図１０の比較例１におけるＰＬ発光スペクトルでは、ＹＡＧレーザ４倍波光を励起光とする場合のイエロールミネッセンスのが高エネルギー側にシフトしている（図中Ｃ部）。これは、ＹＡＧレーザ４倍波光がＡｌＧａＮ層（第２結晶層１１４）に吸収され、ＡｌＧａＮ層に由来するイエロールミネッセンスが観測されていることによると推察される。

以上説明の通り、本実施の形態の検査方法および品質判定方法によれば、ＡｌＧａＮ層（第２結晶層１１４）に由来するイエロールミネッセンスが観測され、精度よく検査および品質判定を行うことが可能になる。

以上、発明を半導体基板の検査方法あるいは品質判定方法として説明したが、発明は、半導体基板として把握することも可能である。すなわち、本件発明を、ベース基板１０２、第１結晶層１１２および第２結晶層１１４を有し、ベース基板１０２、第１結晶層１１２および第２結晶層１１４が、ベース基板１０２、第１結晶層１１２、第２結晶層１１４の順に位置し、第２結晶層１１４が、第１結晶層１１２に接するとともに第１結晶層１１２に対し格子整合または擬格子整合し、第２結晶層１１４を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ２が、第１結晶層１１２を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ１より大きく、第１結晶層１１２の第１波長（但し、第１波長は１８０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内にある。）における光吸収係数α_１と、第２結晶層１１４の第１波長における光吸収係数α_２との比α_２／α_１が、０．５〜１．０の範囲である、半導体基板であって、半導体基板に、第２結晶層１１４の側から第１波長の第１励起光を照射し、第１励起光によるフォトルミネッセンスを第１観測光として測定し、第１観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ１と、バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ１との比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１を計算した場合に、比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１が０．１となる半導体基板として把握することが可能である。

１００…半導体基板、１０２…ベース基板、１０４…反応抑制層、１０６…バッファ層、１０６ａ…第１層、１０６ｂ…第２層、１０６ｃ…二層積層、１０８…デバイス形成層、１１２…第１結晶層、１１４…第２結晶層。

Claims (9)

1. ベース基板、第１結晶層および第２結晶層を有し、
   前記ベース基板、前記第１結晶層および前記第２結晶層が、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層の順に位置し、
   前記第２結晶層が、前記第１結晶層に接するとともに前記第１結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、
   前記第２結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ２が、前記第１結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ１より大きい、半導体基板の検査方法であって、
   前記第２結晶層の側から第１波長の第１励起光を照射し、前記第１励起光によるフォトルミネッセンスを第１観測光として測定する段階と、
   前記第２結晶層の側から前記第１波長より波長が長い第２波長の第２励起光を照射し、前記第２励起光によるフォトルミネッセンスを第２観測光として測定する段階と、
   前記第１観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ１と、前記バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ１との比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１を計算する段階と、
   前記第２観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ２と、前記バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ２との比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２を計算する段階と、
   前記比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１および前記比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２から選択された１以上の値または当該１以上の値から計算された値を検査値とする段階と、を有し、
   前記第１結晶層の前記第１波長における光吸収係数α_１と、前記第２結晶層の前記第１波長における光吸収係数α_２との比α_２／α_１が、前記第１結晶層の前記第２波長における光吸収係数β_１と、前記第２結晶層の前記第２波長における光吸収係数β_２との比β_２／β_１より大きい
   半導体基板の検査方法。
2. 前記第１結晶層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層であり、
   前記第２結晶層が、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１、ｘ＜ｙ）層である
   請求項１に記載の半導体基板の検査方法。
3. 前記第１結晶層が、ＧａＮ層であり、
   前記第２結晶層が、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．１＜ｙ≦０．３）層である
   請求項２に記載の半導体基板の検査方法。
4. 前記第１波長が、１８０〜３００ｎｍの範囲内にある
   請求項３に記載の半導体基板の検査方法。
5. 請求項１〜請求項４に記載の検査方法を用いた半導体基板の品質判定方法であって、
   前記検査方法を用いて前記半導体基板を検査する段階と、
   前記比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１および前記比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２から選択された１以上の比率が所定の値を超えた場合に、検査対象の前記半導体基板を不良品と判定する段階と、
   を有する半導体基板の品質判定方法。
6. 前記第１結晶層が、ＧａＮ層であり、
   前記第２結晶層が、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．１＜ｙ≦０．３）層であり
   前記第１波長が、１８０〜３００ｎｍの範囲内にあり、
   前記判定する段階において、前記比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１が０．１を超えた場合に、検査対象の前記半導体基板を不良品と判定する
   請求項５に記載の半導体基板の品質判定方法。
7. 前記第２波長が、３００ｎｍを超え、
   前記判定する段階において、前記比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１および前記比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２から選択された１以上の比率が０．１を超えた場合に、検査対象の前記半導体基板を不良品と判定する
   請求項６に記載の半導体基板の品質判定方法。
8. ベース基板、第１結晶層および第２結晶層を有し、
   前記ベース基板、前記第１結晶層および前記第２結晶層が、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層の順に位置し、
   前記第２結晶層が、前記第１結晶層に接するとともに前記第１結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、
   前記第２結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ２が、前記第１結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ１より大きく、
   前記第１結晶層の第１波長（但し、第１波長は１８０〜３００ｎｍの範囲内にある。）における光吸収係数α_１と、前記第２結晶層の前記第１波長における光吸収係数α_２との比α_２／α_１が、０．５〜１．０の範囲である、半導体基板であって、
   前記半導体基板に、前記第２結晶層の側から前記第１波長の第１励起光を照射し、前記第１励起光によるフォトルミネッセンスを第１観測光として測定し、
   前記第１観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ１と、前記バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ１との比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１を計算した場合に、
   前記比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１が０．１未満となる
   半導体基板。
9. ベース基板、第１結晶層および第２結晶層を有し、
   前記ベース基板、前記第１結晶層および前記第２結晶層が、前記ベース基板、前記第１結晶層、前記第２結晶層の順に位置し、
   前記第２結晶層が、前記第１結晶層に接するとともに前記第１結晶層に対し格子整合または擬格子整合し、
   前記第２結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ２が、前記第１結晶層を構成する結晶のバンド幅エネルギーＥ_ｇ１より大きく、
   前記第１結晶層の第１波長（但し、第１波長は１８０〜３００ｎｍの範囲内にある。）における光吸収係数α_１と、前記第２結晶層の前記第１波長における光吸収係数α_２との比α_２／α_１が、前記第１結晶層の第２波長（但し、第２波長は３００ｎｍを超える。）における光吸収係数β_１と、前記第２結晶層の前記第２波長における光吸収係数β_２との比β_２／β_１より大きい、半導体基板であって、
   前記半導体基板に、前記第２結晶層の側から前記第１波長の第１励起光を照射し、前記第１励起光によるフォトルミネッセンスを第１観測光として測定し、前記第２結晶層の側から前記第１波長より波長が長い第２波長の第２励起光を照射し、前記第２励起光によるフォトルミネッセンスを第２観測光として測定し、
   前記第１観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ１と、前記バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ１との比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１を計算し、前記第２観測光に含まれるバンド端発光ＢＥのピーク強度Ｉ_ＢＥ２と、前記バンド端発光ＢＥのピーク波長λ_ＢＥより長波長側に出現する発光ＹＬのピーク強度Ｉ_ＹＬ２との比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２を計算した場合に、
   前記比率Ｉ_ＹＬ１／Ｉ_ＢＥ１および前記比率Ｉ_ＹＬ２／Ｉ_ＢＥ２から選択された１以上の比率が０．１未満となる
   半導体基板。