JPWO2005090650A1

JPWO2005090650A1 - 化合物半導体基板

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Publication number: JPWO2005090650A1
Application number: JP2006511134A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　健二; 健二鈴木; 立一平野; 中村　正志; 正志中村
Original assignee: Nippon Mining and Metals Co Ltd
Current assignee: Nippon Mining Holdings Inc
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2008-02-07
Also published as: US20100190322A1; EP1743961A1; EP1743961A4; KR20060130206A; TW200534385A; WO2005090650A1; US20080247935A1

Abstract

エピタキシャル層の表面状態をマイクロラフネスのレベルで改善できるエピタキシャル成長用基板を提供する。エピタキシャル成長用基板において、基板表面に所定の光源から光を入射させたときに得られる散乱光の強度を前記光源からの入射光の強度で割った値をヘイズと定義したときに、ヘイズが基板の有効利用領域全域にわたって２ｐｐｍ以下で、オフアングルが０．０５〜０．１０°となるようにした。

Description

本発明は、化合物半導体層を気相成長させるための成長用基板に関し、特に、表面モホロジーが良好であるとともに、表面のマイクロラフネスが所定値以下の化合物半導体層を成長させる技術に関する。

従来、発光素子や受光素子等の半導体素子の用途には、ＩｎＰ基板上にＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体層をエピタキシャル成長させた半導体ウェハが広く用いられている。この化合物半導体のエピタキシャル層は、例えば、有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と称する）により形成される。

このＭＯＣＶＤ法により上述したＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体層をエピタキシャル成長させた場合、エピタキシャル層の表面にヒロックとよばれる微小な凸状の欠陥や、オレンジピールとよばれるシワ状の欠陥が発生してしまい、エピタキシャル層の表面モホロジーが劣化するという問題があった。そこで、エピタキシャル層の表面モホロジーを改善するための種々の技術が提案されている。

例えば、特許文献１では、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長用基板として、面方位を<１００>方向から角度で０．１〜０．２°傾けたウェハを用い、かつ基板温度を６００℃以上７００℃以下の条件でエピタキシャル成長させる方法が提案されており、エピタキシャル層の表面におけるヒロック（特許文献１においては涙状欠陥と称している）を著しく低減させることに成功している。

さらに、特許文献２では、基板の面方位の傾斜角（以下、オフアングルと称する）が大きくなった場合にオレンジピールが発生するのを防止するために、基板のオフアングルの範囲を、成長速度と基板温度の関数により規定したエピタキシャル成長方法が提案されている。これにより、エピタキシャル層表面に生じるヒロックを大幅に低減できるとともに、オレンジピールの発生を防止することにも成功している。

また、特許文献３では、基板の欠陥密度（転位密度）も考慮に入れて基板のオフアングルを規定する方法が提案されている。具体的には、ＩｎＰ基板上に化合物半導体の薄膜を気相エピタキシャル成長させる際に、<１００>からのオフアングルθ（°）が、θ≧１×１０^-3Ｄ^1/2（Ｄ（ｃｍ^-2）：基板の欠陥密度）を満足する基板を使用するようにしている。例えば、基板の欠陥密度Ｄが１０００ｃｍ^-2の場合はオフアングルθ≧０．０３である基板を使用し、１００００ｃｍ^-2の場合はオフアングルθ≧０．１０である基板を使用することとなる。
特許第１９７５１４３号公報特許第２７５０３３１号公報特許第３１２９１１２号公報

上述したように、従来はオフアングルと転位密度を規定した半導体基板を用い、さらに所定の成長条件で気相成長させることにより表面モホロジーが良好で実用的なエピタキシャル層を成長させることができていた。

一方、半導体デバイスの高集積化、高機能化の要求に伴い、エピタキシャル層の表面状態の品質は益々重要視されるため、表面状態のより詳細かつ正確な評価が必要になると考えられる。例えば、上述した涙状欠陥等の表面モホロジーはノマルスキー顕微鏡等で観察されるものであるが、このような方法では観察できない表面状態も含めてエピタキシャル層を評価するのが望ましいと考えられる。つまり、実際のエピタキシャル層表面は上記ノマルスキー顕微鏡で観察しうる欠陥が皆無でも表面が完全になめらかというわけではなく、少なくともマイクロスケールレベルでの起伏（以下、マイクロラフネスと称する）が存在するため、このマイクロラフネスも考慮してエピタキシャル層の表面状態を評価するのが望ましい。

そこで、本発明は、従来は特に重要視されていなかったエピタキシャル層表面のマイクロラフネスに着目し、エピタキシャル層の表面状態をマイクロラフネスのレベルで改善できる技術を提供することを目的とする。

従来より、半導体ウェハの製造工程において、ウェハ面上に付着した異物等の欠陥を検査する作業が行われている。一般に、ウェハ表面の欠陥検査にはウェハ表面にレーザ光を照射して散乱光を光検出器によって検出する表面異物検査装置が用いられており、例えば、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＳｕｒｆｓｃａｎ６２２０が代表的である。

図１にＳｕｒｆｓｃａｎ６２２０の原理図を示す。Ｓｕｒｆｓｃａｎ６２２０では、所定の位置に配置されたウェハに光源Ｌからレーザを照射し、基板の表面状態によっては光が入射点から散乱するので、この散乱光を収集して低ノイズ光電子増倍管（ＰＭＴ：Photo-Multiplier Tube）で増幅し、ＰＭＴで増幅された散乱信号に基づいてウェハの表面状態を分析する。また、ウェハ搬送軸方向Ｙに一定の速度で搬送するとともに、所定の光源をレーザスイープ軸方向Ｘに往復移動させながら、レーザビームを照射することにより、基板全体をサンプリングすることができる。

光源Ｌをレーザスイープ軸方向Ｘに走査したときのウェハ表面からの散乱信号を図２に示す。図２に示すように、設定したしきい値以上の散乱信号が得られたときにその部分を異物として検出する。このようにしてＳｕｒｆＳｃａｎ６２２０では散乱信号の強度で異物を検出できる他、散乱信号のバックグラウンドの高さ（散乱光強度）を入射光強度で割った値（散乱光強度／入射光強度（ｐｐｍ））で定義されるヘイズを測定することができ、このヘイズによりウェハ表面のマイクロラフネスを評価することができる。例えば、ヘイズが大きくなるとそれだけウェハ表面のマイクロラフネスが大きく、表面状態が悪いということになる。

ここで、エピタキシャル層表面について考えると、エピタキシャル層の表面に涙状欠陥等の異常が生じている場合には、当然表面の起伏が大きくなるのでエピタキシャル層表面のヘイズが大きくなると予想される。また、エピタキシャル層表面に涙状欠陥等の異常表面モホロジーが観察されない場合であっても、半導体デバイスの性能に悪影響を及ぼす程度のマイクロラフネスが存在することはあり得る。このような場合に、エピタキシャル層表面のヘイズを測定することで表面をマイクロラフネスのレベルで評価することができる。

そこで、本発明者等は、半導体デバイスの高集積化、高機能化に伴い、エピタキシャル層の表面状態の品質向上がさらに要求されていることから、エピタキシャル層表面のマイクロラフネスに着目し、具体的にはエピタキシャル層表面のヘイズを２ｐｐｍ以下とすることを目標とした。これは、ヘイズが２ｐｐｍ以下であればマイクロラフネスは極めて小さいと考えられ、当然に表面欠陥も発生していないとみなすことができるからである。

具体的には、まず、エピタキシャル成長用の基板表面のマイクロラフネスが該基板上に成長されるエピタキシャル層の表面状態（特にマイクロラフネス）に少なからず影響を与えるのではないかと考え、エピタキシャル成長前の基板表面のヘイズと該基板上に成長させたエピタキシャル層表面のヘイズとの関係を調べた。ここで、ヘイズは上記Ｓｕｒｆｓｃａｎ６２２０により測定され、散乱光強度を入射光強度で割った百万分率で表される。その結果、エピタキシャル層表面のヘイズは、用いた基板表面のヘイズよりも必ず同等又は大きくなることが分かった。これより、エピタキシャル層表面のマイクロラフネスを抑制するためには、表面のヘイズが極力小さい基板を用いなければならないことが明らかとなった。

また、ヘイズが２ｐｐｍ以下の基板を用いて該基板上にエピタキシャル層を成長させたところ、エピタキシャル層表面のヘイズは２ｐｐｍ程度の場合もあれば大きく劣化する場合もあることが判明した。そこで、さらに実験を重ね、エピタキシャル層表面のヘイズは基板表面のヘイズだけでなく基板のオフアングルにも依存することを突き止めた。具体的には、ヘイズが２ｐｐｍ以下でオフアングルが０．０５〜０．１０°の範囲である基板を用いた場合に、該基板上に成長させたエピタキシャル層表面のヘイズを２ｐｐｍ以下とすることができた。特に、ヘイズが０．５〜０．８ｐｐｍで、オフアングルが０．０６〜０．１０°の範囲である基板を用いた場合にはエピタキシャル層表面のヘイズを１ｐｐｍ以下とすることができた。

本発明は上記知見に基づいて完成されたものであり、エピタキシャル層の表面状態をマイクロラフネスのレベルで改善するために、エピタキシャル成長に用いられる基板の表面のヘイズ及びオフアングルを規定するようにしたものである。

すなわち、基板表面に所定の光源から光を入射させたときに得られる散乱光の強度を前記光源からの入射光の強度で割った値をヘイズと定義したときに、ヘイズが基板の有効利用領域全域にわたって２ｐｐｍ以下であり、オフアングルが０．０５〜０．１０°であることを特徴とする化合物半導体基板である。望ましくは、基板表面のヘイズを１ｐｐｍ以下とすることで、該基板上に成長されるエピタキシャル層表面のヘイズをより小さくすることができる。ここで、上記ヘイズは、例えば、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＳｕｒｆｓｃａｎ６２２０を用いて、基板の有効利用領域（面取り部分等の基板周縁部を除く）にわたって測定される値である。

特に、上記化合物半導体基板がＩｎＰ基板であるときに有効である。また、転位密度が１０００／ｃｍ²以下、望ましくは５００／ｃｍ²以下とすることで、エピタキシャル成長後の表面欠陥の発生を効果的に抑制することができ、かつヘイズを２ｐｐｍ以下にすることができる。

本発明に係る基板を用いてエピタキシャル成長を行うことにより、成長されたエピタキシャル層表面のヘイズは２ｐｐｍ以下となる。すなわち、マイクロラフネスが非常に小さい極めて良好な表面状態のエピタキシャル層を成長させることができる。したがって、本発明に係る基板上に半導体層をエピタキシャル成長させた半導体素子は、高集積化、高機能化を要求される半導体デバイスの用途に適用することができる。

ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＳｕｒｆｓｃａｎ６２２０の原理図である。光源Ｌをレーザスイープ軸方向Ｘに走査したときのウェハ表面からの散乱信号の一例である。基板のオフアングルと該基板上にエピタキシャル成長されたｎ−ＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズとの関係を示すグラフである。基板のオフアングルと該基板上にエピタキシャル成長されたＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズとの関係を示すグラフである。ＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズとシート抵抗の関係を示すグラフである。

符号の説明

Ｌ光源
Ｘレーザスイープ軸
Ｙウェハ搬送軸
Ｗウェハ
ＰＭＴ低ノイズ光電子増倍管

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。

実施例１として、基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりエピタキシャル層を成長させる場合について説明する。
はじめに、液体封止チョクラルスキー法（Liquid Encapsulated Czochralski；ＬＥＣ）により転位密度が１０００／ｃｍ²以下の（１００）ＩｎＰ単結晶を作製し、該ＩｎＰ単結晶から切り出してエピタキシャル成長用基板を作製した。そして、このＩｎＰ単結晶基板の表面を通常の方法により鏡面加工し<１００>方向からのオフアングルが０．０５〜０．１０°である基板を準備した。

上述した基板について、Ｓｕｒｆｓｃａｎ６２２０により表面のヘイズを測定し測定可能領域（有効利用領域）におけるヘイズが０．５〜０．８ｐｐｍであるものを選定した。なお、Ｓｕｒｆｓｃａｎ６２２０の光源は３０ｍＷアルゴン−イオンレーザで、波長が４８８ｎｍである。

そして、これらの基板上に有機金属気相成長法により、ｎ−ＩｎＰ層（膜厚１．０μｍ），ｎ−ＩｎＧａＡｓ層（膜厚４．０μｍ），ｎ−ＩｎＰ層（膜厚２．０μｍ），及びｎ−ＩｎＧａＡｓ層（膜厚０．１μｍ）を順次成長させた。このとき、エピタキシャル層の成長速度は１μｍ／時間で、成長温度は６２０℃とした。

上記のようにエピタキシャル成長された最上層のｎ−ＩｎＧａＡｓ層について、表面状態をノマルスキー顕微鏡にて観察したが、表面欠陥は認められず極めて良好な表面状態であることが確認できた。

さらに、Ｓｕｒｆｓｃａｎ６２２０によりｎ−ＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズを測定した。基板のオフアングルとｎ−ＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズとの関係を図３に示す。本実施形態に係る測定結果は図３の○印である。図３に示すように、オフアングルが０．０５〜０．１０°である基板を用いた場合は何れもｎ−ＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズは２ｐｐｍ以下となり、マイクロラフネスの小さい極めて良好な表面状態のエピタキシャル層であることが確認できた。特に、オフアングルが０．０６〜０．１０°の基板においては、基板表面のヘイズとｎ−ＩｎＧａＡｓ層のヘイズは同程度であり、マイクロラフネスの劣化を効果的に抑制することができた。

一方、比較のため、上記実施例１とはオフアングルが異なる基板を用いた場合のエピタキシャル層の表面状態を評価した。具体的には、ＬＥＣ法により転位密度が１０００個／ｃｍ²以下のＩｎＰ基板を作製し、表面を通常の方法により鏡面加工し<１００>方向からのオフアングルが０．０５°よりも小さい基板（０．０１〜０．０２５°）及び０．１０°よりも大きい基板（０．１４〜０．２０°）を準備した。次いで、これらの基板についてＳｕｒｆｓｃａｎ６２２０により表面のヘイズを測定し測定可能領域におけるヘイズが０．５〜０．８ｐｐｍであるものを選定し、該基板上に上記実施形態と同様な構成のエピタキシャル層を成長させた。

そして、エピタキシャル成長された最上層のｎ−ＩｎＧａＡｓ層についてノマルスキー顕微鏡で観察したところ、オフアングルが０．２０°の基板上に成長させたｎ−ＩｎＧａＡｓ層では表面モホロジーの劣化が認められた。

さらに、Ｓｕｒｆｓｃａｎ６２２０によりｎ−ＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズを測定した。基板のオフアングルとｎ−ＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズとの関係を図３に示す。オフアングルが０．０５°よりも小さい基板を用いたときの測定結果を□印で、オフアングルが０．１０°よりも大きい基板を用いたときの測定結果を△印で示す。

図３に示すように、オフアングルが０．０５°よりも小さい基板を用いた場合は何れもｎ−ＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズは２ｐｐｍ以上となっており、マイクロラフネスの劣化が認められた。同様に、オフアングルが０．１０°よりも大きい基板を用いた場合もｎ−ＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズは３ｐｐｍ以上となっており、オフアングルが０．０５°よりも小さい基板を用いた場合に比較しても著しくマイクロラフネスの劣化が認められた。

上述したように、エピタキシャル成長前の基板として、表面のヘイズが１ｐｐｍ以下で、オフアングルが０．０５〜０．１０°である基板を用いることにより、該基板上に成長されるエピタキシャル層は表面のヘイズが２ｐｐｍ以下となり極めて良好な表面状態を実現できる。また、涙状欠陥等の表面欠陥も発生していないことはいうまでもない。

また、上記実施形態では、ヘイズが０．５〜０．８ｐｐｍ、すなわち１ｐｐｍ以下の基板を用いてエピタキシャル成長を行ったが、基板のオフアングルとの関係からヘイズが２ｐｐｍ以下の基板を用いても、該基板上に成長されるエピタキシャル層表面のヘイズを２ｐｐｍ以下とすることができる。つまり、オフアングルが０．０６〜０．１０°の基板においては、基板表面のヘイズとエピタキシャル層表面のヘイズは同程度でありマイクロラフネスの劣化は認められないので、ヘイズが２ｐｐｍ以下の基板を用いることでエピタキシャル層表面のヘイズを所望の値とすることができると考えられる。

実施例２として、基板上に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）によりエピタキシャル層を成長させる場合について説明する。
まず、液体封止チョクラルスキー法（Liquid Encapsulated Czochralski；ＬＥＣ）により転位密度が１０００／ｃｍ²以下の（１００）ＩｎＰ単結晶を作製し、該ＩｎＰ単結晶から切り出してエピタキシャル成長用基板を作製した。そして、このＩｎＰ単結晶基板の表面を通常の方法により鏡面加工し<１００>方向からのオフアングルが０．０２〜２．００°である基板を準備した。

上述した基板について、Ｓｕｒｆｓｃａｎ６２２０により表面のヘイズを測定し測定可能領域（有効利用領域）におけるヘイズが２ｐｐｍ以下であるものを選定した。なお、Ｓｕｒｆｓｃａｎ６２２０の光源は３０ｍＷアルゴン−イオンレーザで、波長が４８８ｎｍである。

そして、上記ＩｎＰ基板上に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）により、Ｉｎ，Ａｌ，Ａｓ或いはＩｎ，Ｇａ，Ａｓの分子線を照射して、厚さ２５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓからなるＨＥＭＴ構造のエピタキシャル層を成長させた。このとき、エピタキシャル層の成長速度は約１μｍ／時間で、成長温度は４２０℃とした。

上記のようにしてエピタキシャル成長された最上層のＩｎＧａＡｓ層について、表面状態をノマルスキー顕微鏡にて観察したところ、表面欠陥は認められず極めて良好な表面状態であることが確認できた。

さらに、Ｓｕｒｆｓｃａｎ６２２０によりＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズを測定した。使用したＩｎＰ基板のオフアングルとｎ−ＩｎＧａＡｓ層表面のヘイズとの関係を図４に示す。図４に示すように、オフアングルが０．０５〜０．２０°であるＩｎＰ基板を用いた場合は何れもエピタキシャル層表面のヘイズは３ｐｐｍ以下となった。ここで、ＩｎＰ基板表面のヘイズが２ｐｐｍ以下であることから、基板表面のヘイズよりもエピタキシャル層表面のヘイズの方がやや高くなるが、ＭＢＥ法により成長させるエピタキシャル層の表面状態として要求される１０ｐｐｍ以下のヘイズを達成することができた。

また、ＨＥＭＴ特性の指標としてエピタキシャル層のシート抵抗を測定したところ図５に示す結果が得られ、エピタキシャル層表面のヘイズが大きくなるとシート抵抗が高くなる傾向にあり、エピタキシャル層の表面状態（ヘイズ）とシート抵抗との間に相関があることが確認できた。

実施例１，２の結果から、ＭＯＣＶＤ法とＭＢＥ法の両方に共通する範囲として、オフアングルが０．０５〜０．１０°でヘイズが２ｐｐｍ以下の基板を用いることが、表面状態の優れたエピタキシャル層を成長させるのに有効であるといえる。

このように、本発明に係る基板上に半導体層をエピタキシャル成長させた半導体素子は、マイクロラフネスのレベルで表面状態は良好であるといえるので、高集積化、高機能化を要求される半導体デバイスの用途にも対応することが可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させた例について説明したが、ＩｎＰ基板上に、にＩｎＧａＡｓ以外のＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合にも本発明を同様に適用できる。また、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体のエピタキシャル成長に限らず、エピタキシャル成長全般に適用できると考えられる。

また、上記実施形態では転位密度が１０００／ｃｍ²以下の基板を用いたが、転位密度が小さい方が表面欠陥の発生を抑制できると考えられるので、５００／ｃｍ²以下とするのが望ましい。また、本実施形態では基板の面方位を（１００）としているが、他の面方位の基板にも適用でき、基板の面方位からのオフアングルを０．０５〜０．１０°とすれば同様の効果を得ることができる。

本願では、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＳｕｒｆｓｃａｎ６２２０で測定されたヘイズ（散乱光強度／入射光強度の百万分率）に基づいて記載しているが、他社製のヘイズ測定装置（例えば、日立電子エンジニアリング社製のＬＳ５０００）で測定されたヘイズについても同様に規定することができる。例えば、Ｓｕｒｆｓｃａｎ６２２０で測定されたヘイズと他のヘイズ測定装置で測定されたヘイズとの相関関係を調べることにより、本発明におけるヘイズを他のヘイズ測定装置で測定されたヘイズで規定することは容易である。この場合も、基板のオフアングルは０．０５〜０．１０°とすることになる。

Claims

エピタキシャル成長用の化合物半導体基板であって、
基板表面に所定の光源から光を入射させたときに得られる散乱光の強度を前記光源からの入射光の強度で割った値をヘイズと定義したときに、
ヘイズが基板の有効利用領域にわたって２ｐｐｍ以下であり、面方位からのオフアングルが０．０５〜０．１０°であることを特徴とする化合物半導体基板。
上記ヘイズが、基板の有効利用領域にわたって１ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
上記化合物半導体基板はＩｎＰ基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体基板。
転位密度が１０００／ｃｍ²以下であることを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体基板。
転位密度が５００／ｃｍ²以下であることを特徴とする請求項４に記載の化合物半導体基板。