JP7031709B2 - 六方晶化合物半導体の製造方法 - Google Patents
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最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
以下、本開示の実施形態(以降、本実施形態と称する)の詳細について図に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
図1に示すように、本実施形態に係る炭化珪素基板の評価方法は、六方晶化合物半導体の歪評価方法の一例であって、準備工程(S10)と、評価工程(S20)とを備える。準備工程(S10)は、六方晶化合物半導体の基板を準備する工程である。準備工程(S10)では、六方晶の結晶構造を備え、複屈折を有する六方晶化合物半導体からなる基板を準備する。基板は、第1主面と、当該第1主面と反対側の第2主面と、側面とを含む。基板として、たとえば炭化珪素(SiC)単結晶からなる炭化珪素基板を測定装置のステージ上に設置する。なお、基板としてはGaN基板やAlN基板を用いてもよい。ここで準備する基板としては、表面が(0001)面に対して傾斜しているオフ基板を用いることができる。また、基板の直径は100mm以上としてもよく、150mm以上としてもよく、200mm以上としてもよい。基板の直径は400mm以下としてもよく、300mm以下としてもよい。また、基板として、ベース基板と当該ベース基板表面上にエピタキシャル層が形成されたエピタキシャル層付基板を用いてもよい。あるいは、基板として、エピタキシャル層が形成されていない化合物半導体からなる基板を用いてもよい。以下では、基板として炭化珪素基板を用いた場合を代表例として説明する。
上述した評価方法を実施するための測定装置の基本構成を図2に示す。図2に示すように、測定装置100は、制御用コントローラ10と、入射側光学系41と、受光側光学系42と、サンプルである炭化珪素基板1を搭載するステージ24と、光軸調整部43~45とを備える。入射側光学系41は、光源21と、レンズ22と、偏光子23とを含む。受光側光学系42は、検光子25と、レンズ26と、受光器27とを含む。光源21と受光器27との間で、光源21側からレンズ22、偏光子23、ステージ24、検光子25、レンズ26がこの順番で配置されている。
以下、図3に示した測定装置を用いた炭化珪素基板の評価方法の一例の詳細を説明する。
まず、評価対象である炭化珪素基板1を図3に示した測定装置のステージ24上に設置する。炭化珪素基板1としては、図4に示すように点線2で示される(0001)面に対して表面4がオフ角だけ傾斜しているオフ基板を用いる。なお、炭化珪素基板1として表面4が(0001)面に対して傾斜していない基板を用いてもよい。
次に、評価用の光が炭化珪素基板1に入射する方向が、図4において矢印3で示すように、炭化珪素基板1の内部を透過する光の進行方向が(0001)面に対して垂直な<0001>方向となった状態における測定データを得るべく、予め決定された条件を満足するように、入射側光学系41、ステージ24、受光側光学系42の相対的な配置を決定する。なお、この工程では、ステージ24を固定して入射側光学系41を移動させてもよいし、入射側光学系41を固定してステージ24を移動させてもよい。
ステージ24にセットされた炭化珪素基板1に対して、光源21から光を照射する。照射する光としては、たとえば赤外線を用いることができる。このとき、偏光子23と検光子25との方位を平行状態として同期回転させ、炭化珪素基板1での透過光強度を偏光角Φの関数として測定する。さらに、偏光子23と検光子25との方位を直交させた状態で同期回転させ、炭化珪素基板1での透過光強度を偏光角Φの関数として測定する。
複屈折の位相差δ(単位:ラジアン)と、主振動方位角Ψとを、上述した測定点でのデータから算出する。算出方法は任意の方法を用いることができるが、たとえば以下のような方法を用いる。
上記の式で示されるIr(Φ)をsine、cosine変換することにより、複屈折の位相差δと、主振動方位角Ψとを求める。たとえば、以下のような数式(2)~(5)に基づき測定点での位相差δと主振動方位角Ψとを求めることができる。
Ψ=(1/4)tan-1(Isin/Icos) 数式(3)
Isin=(-1/4)sin4Ψ{sin2(δ/2)} 数式(4)
Icos=(-1/4)cos4Ψ{sin2(δ/2)} 数式(5)
炭化珪素基板1中での光の進行方向が、図4に示すように炭化珪素基板1の<0001>方向に沿う方向にセットされた状態では、炭化珪素の結晶構造に起因する自然複屈折を低減できるので、上述の位相差の値が相対的に小さくなる。そして、上記のように自然複屈折が抑制された条件で測定を行っているため、光弾性を利用して、複屈折により生じる位相差により歪を高精度で評価することができる。一方、炭化珪素基板1中での光の進行方向が上記<0001>方向に沿っていない場合には、上記自然複屈折の影響が相対的に大きくなり、上述した位相差の値が相対的に大きくなって歪の正確な測定も難しくなる。
次に、炭化珪素基板1の残留歪を評価する。評価方法としては、任意の方法を採用できるが、たとえば日本国特許第3156382号(特開平5-339100号公報)に開示された方法を用いることができる。具体的には、炭化珪素基板の残留歪は、半径方向の歪Srと接線方向の歪Stとの差の絶対値|Sr-St|によって算定できる。この算定において、|Sr-St|は以下の数式(6)、(7)に示すように算定できる。
ただし、上記数式(6)において、
k=λ/(πdn0 3) 数式(7)
である。ここで、測定に用いる光の波長をλとし、測定に用いる炭化珪素基板1の厚さをdとし、炭化珪素基板1の屈折率をn0とし、炭化珪素基板1の光弾性定数をP11、P12、P44とした。ここで、屈折率n0は、光を<0001>方向に沿って透過させた場合の屈折率である。
上記のような評価方法によれば、炭化珪素基板1中を<0001>方向に沿って評価用の光が透過したときのデータを測定結果として得ることができるので、炭化珪素基板1の結晶構造に起因する自然複屈折の影響を低減した状態で、歪(残留歪)を評価できる。
以下、上述した評価方法を応用した六方晶化合物半導体の製造方法を説明する。図5に示すように、六方晶化合物半導体の製造方法では、まず基板準備工程(S100)を実施する。この工程(S100)は、化合物半導体装置を製造するために用いる化合物半導体基板を準備する。以下、六方晶化合物半導体の一例として炭化珪素を例に説明する。工程(S100)では、六方晶の結晶構造を備え、複屈折を有し、第1主面としての表面4と当該第1主面と反対側の第2主面と側面とを含む六方晶化合物半導体の基板を準備する。ここでは化合物半導体基板の例として炭化珪素基板を準備する。炭化珪素基板としては、(0001)面(C面)に対する表面のオフ角度が0°超え8°以下のオフ基板を用いる。炭化珪素基板の直径はたとえば100mm以上とする。炭化珪素基板の直径は150mm以上でもよく、200mm以上でもよい。炭化珪素基板の厚さはたとえば200μm以上1mm以下としてもよい。炭化珪素基板の直径は300mm以下でもよい。
上述した六方晶化合物半導体の製造方法によれば、化合物半導体中を<0001>方向に沿って光が透過する状態での位相差δを算出するので、化合物半導体の結晶構造に起因する自然複屈折の影響が低減された位相差δを得ることができる。このため、当該自然複屈折の影響を低減した状態で、複屈折により生じる位相差δにより歪が評価された化合物半導体の一例としての炭化珪素基板を得ることができる。また、化合物半導体基板に化合物半導体層としての炭化珪素エピタキシャル層が形成される前後で複屈折により生じる位相差δにより歪を評価できるので、炭化珪素エピタキシャル層の成膜工程(S300)による歪への影響を評価できる。さらに、炭化珪素エピタキシャル層が形成されたエピタキシャル層付炭化珪素基板での歪の発生状況を確認できる。そして、炭化珪素エピタキシャル層が形成された後の歪と、炭化珪素エピタキシャル層を形成する前の歪とを比較して、エピタキシャル成長の際に発生した歪の量を把握することにより、エピタキシャル成長における成長条件の適否を判断することが可能となる。
上述した評価方法の効果を検証するため、以下のような実験を行った。
評価対象として、直径150mm、(0001)面に対する表面のオフ角が4°であるポリタイプ4Hの炭化珪素基板を準備した。炭化珪素基板の厚さは350μmとした。
上記炭化珪素基板に対して、上述のように炭化珪素エピタキシャル層を形成する前と後とのそれぞれのタイミングで、本実施形態に係る評価方法を用いて歪の評価を行った。評価方法では、図3に示した構成の測定装置を用い、波長が950nmの光を炭化珪素基板に照射して測定を行った。このとき、各測定点について、予めオフ角度およびオフ方向をX線回折法を用いて測定しておいた。測定は、一例として、直径が150mmの炭化珪素基板の表面において、10mm間隔の格子状に配置された複数の測定点に対して実施した。なお、測定点の数は約170点である。そして、位相差δについて、最大値と平均値、および標準偏差を算出した。
エピタキシャル成長前:
複屈折の位相差δ(単位:ラジアン)について、最大値は0.425、平均値は0.149、標準偏差は0.065であった。
複屈折の位相差δについて、最大値は0.395、平均値は0.140、標準偏差は0.060であった。
2 点線
3 矢印
4 表面
10 制御用コントローラ
11 制御IOバス
21 光源
22,26 レンズ
23 偏光子
24 ステージ
25 検光子
27 受光器
31~35,39 駆動回路
36 IV変換器
37 可変ゲイン増幅器
38 AD変換器
41 入射側光学系
42 受光側光学系
43~45 光軸調整部
100 測定装置
Claims (4)
- 六方晶の結晶構造を備え、複屈折を有し、第1主面と前記第1主面と反対側の第2主面と側面とを含む六方晶化合物半導体の基板を準備する工程と、
前記第1主面に前記基板を透過する光を照射し、前記基板中の<0001>方向に沿って前記基板に前記光を透過させ、前記複屈折により生じる第1の位相差および第1の主振動方位角を算出する工程と、
予め決定されている成長条件に基づき、前記第1主面上に化合物半導体層をホモエピタキシャル成長させる工程と、
前記化合物半導体層の表面に前記光を照射し、前記化合物半導体層中および前記基板中の<0001>方向に沿って前記化合物半導体層および前記基板に前記光を透過させ、前記複屈折により生じる第2の位相差および第2の主振動方位角を算出する工程と、を備え、
前記六方晶化合物半導体は炭化珪素単結晶である、六方晶化合物半導体の製造方法。 - 前記第1の位相差および前記第1の主振動方位角から第1の残留歪と、前記第2の位相差および前記第2の主振動方位角から第2の残留歪とを算出する工程と、
前記第1の残留歪と前記第2の残留歪から前記基板の面内における歪の分布状況を評価する工程を含む、請求項1に記載の六方晶化合物半導体の製造方法。 - 前記第1の残留歪と前記第2の残留歪は、前記基板の厚みで規格化された値である、請求項2に記載の六方晶化合物半導体の製造方法。
- 六方晶の結晶構造を備え、複屈折を有し、第1主面と前記第1主面と反対側の第2主面と側面とを含む六方晶化合物半導体の基板を準備する工程と、
前記第1主面の複数個所に前記基板を透過する光を照射し、前記基板中の<0001>方向に沿って前記基板に前記光を透過させ、前記複屈折により生じる第1の位相差を算出する工程と、
前記第1主面上に化合物半導体層をホモエピタキシャル成長させる工程と、
前記化合物半導体層の表面の複数箇所に前記光を照射し、前記化合物半導体層中および前記基板中の<0001>方向に沿って前記化合物半導体層および前記基板に前記光を透過させ、前記複屈折により生じる第2の位相差を算出する工程と、
前記第1の位相差と前記第2の位相差に基づき前記基板の面内における歪の分布状況を判断し、前記ホモエピタキシャル成長の条件の変更を判断する工程とを備える、六方晶化合物半導体の製造方法。
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