JP2014190839A - 化合物半導体を評価する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】全反射蛍光Ｘ線分析法を用いて、六方晶系の化合物半導体表面上の不純物に関する定量分析を可能にする、化合物半導体を評価する方法を提供する。
【解決手段】全反射蛍光Ｘ線分析装置１１のステージ１３上に基板Ｗ１を置く。基板Ｗ１は、ステージ１３に対して位置決め及び向き付けされている。基板Ｗ１を搭載したステージ１３を回転して、Ｘ線源１５からの入射する励起Ｘ線の入射軸に合わせて基板Ｗ１を向き付けする。励起Ｘ線ＸＩＮは化合物半導体におけるｍ軸方向に沿って入射される。励起Ｘ線ＸＩＮの入射は、評価対象が六方晶系の化合物半導体の表面を有するとき、結晶学的に等価な＜０−１１０＞、＜−１０１０＞、＜−１１００＞、＜０１−１０＞、＜１０−１０＞、及び＜１−１００＞のいずれかの方位で入射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体を評価する方法に関する。

特許文献１は、シリコンウエハの表面への全反射蛍光Ｘ線分析装置を用いた不純物分析方法を開示する。

特開平５−９９８６５号公報

特許文献１では、タングステンの特定Ｘ線（Ｗ−Ｌβ1 線）を面方位｛１００｝のシリコンウエハのミラー表面に＜０１１＞方位から入射角を連続的に変えて入射する。このＸ線の回折強度を測定する。同様にシリコンの特定Ｘ線についても入射角を連続的に変更してその回折強度を測定する。２つの回折強度を同一の入射角についてそれぞれその比を演算し、入射角を増加していくとその比の変化の割合が最大となる入射角（０．１０度）を求めている。

一方、シリコンと同様に全反射蛍光Ｘ線分析装置を用いて、窒化ガリウムといったIII−Ｖ族窒化物の不純物分析を行うとき、III−Ｖ族窒化物表面からの蛍光Ｘ線スペクトルは、シリコン表面上の不純物種（例えば、銅、鉄、及びニッケル）と同じエネルギーのところにピークを含むことになる。ところが、窒化ガリウム表面からの蛍光Ｘ線スペクトルは、銅、鉄、及びニッケル等のピーク位置に、これらの不純物種からの蛍光Ｘ線と異なる起源のＸ線スペクトルを含む。この不純物種からの蛍光Ｘ線と異なる起源のＸ線スペクトルは、当該不純物種からの蛍光Ｘ線に対してノイズ成分となる。これ故に、窒化ガリウム表面では、シリコンにおける不純物分析とは事情が異なっている。このような事情のため、化合物半導体においては不純物の定量分析に困難がある。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、全反射蛍光Ｘ線分析法を用いて、化合物半導体表面上の不純物に関する定量分析を可能にする、化合物半導体を評価する方法を提供することを目的とする。

本発明は、化合物半導体を評価する方法に係る。この方法は、（ａ）六方晶系の化合物半導体からなる表面により励起Ｘ線が全反射するように該励起Ｘ線を該表面のターゲットエリアに照射して、前記ターゲットエリアからの蛍光Ｘ線を測定する工程と、（ｂ）前記蛍光Ｘ線のスペクトルを用いて、前記表面の元素を定量的に見積もる工程とを備える。前記励起Ｘ線は、前記化合物半導体におけるｍ軸のいずれかの方向に沿って入射される。

この評価方法（化合物半導体を評価する方法）によれば、六方晶系のIII−Ｖ族化合物半導体表面の微量元素を定量的に分析することを可能になる。

本発明に係る評価方法では、前記化合物半導体は、III−Ｖ族化合物半導体であって、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなることができる。この方法によれば、III−Ｖ族窒化物の表面の微量元素を定量的に分析できる。

本発明に係る評価方法では、前記蛍光Ｘ線は５ｋｅＶから９ｋｅＶのエネルギー範囲について測定されることができる。この方法によれば、５ｋｅＶから９ｋｅＶのエネルギー範囲にある蛍光Ｘ線を発する、半導体表面上の微量元素を定量的に分析可能になる。

本発明に係る評価方法では、前記励起Ｘ線の入射は、前記化合物半導体の＜０−１１０＞、＜−１０１０＞、＜−１１００＞、＜０１−１０＞、＜１０−１０＞、及び＜１−１００＞のいずれかの方位であることができる。この評価方法によれば、六方晶系結晶体の＜０−１１０＞、＜−１０１０＞、＜−１１００＞、＜０１−１０＞、＜１０−１０＞、及び＜１−１００＞のいずれかの方位から励起Ｘ線を入射することができる。

本発明は、化合物半導体を評価する方法に係る。この評価方法は、（ａ）化合物半導体からなる表面の法線軸に直交する軸を基準にして該軸からある角度範囲において、複数の角度を入射方位として、前記表面において励起Ｘ線が全反射するように該励起Ｘ線を該表面に照射して、複数の蛍光Ｘ線スペクトルを測定する工程と、（ｂ）前記複数の蛍光Ｘ線スペクトルにおいて金属元素の既知のピーク位置におけるノイズの大きさの比較を行って、該比較の結果から、本測定のための入射方位を決定する工程と、（ｃ）III−Ｖ族化合物半導体からなる表面により励起Ｘ線が全反射するように該励起Ｘ線を該表面のターゲットエリアに前記入射方位から前記本測定のための照射を行って、前記ターゲットエリアからの蛍光Ｘ線を測定する工程と、（ｄ）前記蛍光Ｘ線のスペクトルを用いて、前記表面の元素を定量的に見積もる工程とを備える。

この評価方法（化合物半導体を評価する方法）によれば、シリコンの結晶構造と異なる化合物半導体では、例えば結晶構造に起因するノイズが蛍光Ｘ線スペクトルに現れる。発明者の知見によれば、このノイズの大きさ及びピーク位置は、入射Ｘ線の見上げ角よりは、励起Ｘ線の入射方位に依存している。これ故に、励起Ｘ線のいくつかの入射方位に沿って入射させてノイズレベルを評価することにより、半導体表面上における金属元素のより良い定量分析を可能にする。

本発明に係る評価方法では、前記蛍光Ｘ線スペクトルは、５ｋｅＶから９ｋｅＶのエネルギー範囲について測定することができる。この評価方法によれば、蛍光Ｘ線のエネルギー範囲が５ｋｅＶから９ｋｅＶにある、半導体表面の構成元素と異なる微量な元素を定量的に分析可能になる。

本発明に係る評価方法では、前記化合物半導体は、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなることができる。この評価方法によれば、III−Ｖ族窒化物の表面の微量元素を定量的に分析するための入射方位を決定できる。

本発明に係る評価方法では、前記角度範囲は６０度以上であることができる。また、本発明に係る評価方法では、前記金属元素は、銅、鉄、及びニッケルのいずれかを含むことができる。さらに、前記入射方位の決定では、前記銅、鉄、及びニッケルの少なくともいずれかのピーク位置の付近に現れるゴースト信号のレベルの大きさを判断することが良く、及び／又は本発明に係る評価方法では、前記入射方位の決定では、前記複数の蛍光Ｘ線スペクトル間におけるバックグラウンドのレベルの大きさを判断することが良い。

以上説明したように、本発明によれば、全反射蛍光Ｘ線分析法を用いて、化合物半導体表面上の不純物に関する定量分析を可能にする、化合物半導体を評価する方法を提供できる。

図１は、化合物半導体を評価する方法に用いる全反射蛍光Ｘ線分析装置を概略的に示す図面である。 図２は、本実施の形態の一例として化合物半導体を評価する方法における主要な工程を示す図面である。 図３は、本実施の形態に係る化合物半導体を評価する方法における別の主要な工程を示す図面である。 図４は、窒化ガリウム半導体の全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＸＲＦ）を示す図面である。 図５は、いくつかの角度ωから励起Ｘ線を入射して測定された蛍光Ｘ線スペクトルを示す図面である。 図６は、望まれないピークの強度が極小となる角度（ω）６０度に設定して調べた、銅、鉄、ニッケルの汚染量と全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＸＲＦ）の信号強度の相関を示す図面である。 図７は、III−Ｖ族化合物半導体のＧａＡｓにおいて現れる、ＧａＮ系半導体と同様な現象（ゴーストピークやバックグラウンド）を示す図面である。 図８は、ＧａＮ系半導体の六方晶系結晶の結晶方位とＧａＡｓ系結晶の結晶方位との以下の関係を示す図面である。

引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の化合物半導体を評価する方法、化合物半導体からの蛍光Ｘ線を評価する方法、化合物半導体における不純物を評価する方法、化合物半導体表面における微量分析を行う方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、化合物半導体を評価する方法に用いる全反射蛍光Ｘ線分析装置を概略的に示す図面である。全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＸＲＦ）装置１１は、化合物半導体の表面を有する基板Ｗ１を支持するステージ１３を含む。ステージ１３上の基板Ｗ１には、Ｘ線源１５からの励起Ｘ線が照射される。入射する励起Ｘ線ＸＩＮの大部分は、ステージ１３上の基板Ｗ１の表面で全反射されて、反射された励起Ｘ線ＸＯＵＴは、Ｘ線測定器１７に入射する。ステージ１３に対向する位置には、基板Ｗ１の化合物半導体表面からの蛍光Ｘ線ＸＤＡＴＡを検出するためのＸ線検出器１９が設けられており、Ｘ線検出器１９は、基板Ｗ１のIII−Ｖ族化合物半導体表面からの蛍光Ｘ線ＸＤＡＴＡを検出する。データ処理装置２１は、Ｘ線測定器１７からのデータ信号Ｓ１及び蛍光Ｘ線のためのＸ線検出器１９からのデータ信号Ｓ２を用いて、基板Ｗ１上の不純物の定量分析のためのデータ処理を行う。データ処理装置２１は、処理された蛍光Ｘ線スペクトルＸＳＰを生成する。

図２は、本実施の形態の一例として化合物半導体を評価する方法における主要な工程を示す図面である。工程Ｓ１０１では、評価対象となる基板Ｗ１を準備する。基板Ｗ１は、例えば六方晶系のIII−Ｖ族化合物半導体からなる表面を有する。III−Ｖ族化合物半導体の表面はｃ面、｛０００１｝面及び／又は｛０００−１｝面、を備えることができ、例えばIII−Ｖ族化合物半導体表面は例えば上限0.02度程度のオフを有することができる。このような基板Ｗ１として、単結晶サファイア、単結晶炭化シリコン、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮが例示される。工程Ｓ１０２では、全反射蛍光Ｘ線分析装置１１のステージ１３上に基板Ｗ１を置く。好適な実施例では、基板Ｗ１は、ステージ１３に対して位置決めされており、また向き付けされている。工程Ｓ１０３では、基板Ｗ１を搭載したステージ１３を法線軸Ｎｘの回りに回転して、Ｘ線源１５からの入射する励起Ｘ線の入射軸に合わせて基板Ｗ１を向き付けする。励起Ｘ線ＸＩＮは、III−Ｖ族化合物半導体におけるｍ軸方向に沿って入射される。結晶学的に基づき規定されるｍ軸方向を基準に-1度〜+1度の範囲で励起Ｘ線ＸＩＮが入射することが好ましい。励起Ｘ線ＸＩＮの入射は、評価対象が六方晶系のIII−Ｖ族化合物半導体の表面を有するとき、評価対象の結晶対称性に基づき、結晶学的に等価な＜０−１１０＞、＜−１０１０＞、＜−１１００＞、＜０１−１０＞、＜１０−１０＞、及び＜１−１００＞のいずれかの方位で励起Ｘ線ＸＩＮを入射させても実質的に同等の定量分析の結果を得ることができる。

Ｘ線源１５は、例えばタングステン（Ｗ）のＬβ１線を生成する。工程Ｓ１０４では、基板Ｗ１の主面により励起Ｘ線が全反射するような角度（例えば0.05〜0.1度）で励起Ｘ線ＸＩＮをIII−Ｖ族化合物半導体表面のターゲットエリアに照射して、このターゲットエリアからの蛍光Ｘ線ＸＤＡＴＡをＸ線検出器１９を用いて測定する。励起Ｘ線の照射に応答して、III−Ｖ族化合物半導体表面に存在する不純物の濃度に対応した強度の蛍光Ｘ線が発生する。Ｘ線検出器１９は、ターゲットエリアにおける蛍光Ｘ線の積分強度を算出する。工程Ｓ１０５では、蛍光Ｘ線のスペクトルを用いて、III−Ｖ族化合物半導体表面の微量元素を定量的に見積もる。この見積もりにおいて、まず、例えば測定された蛍光Ｘ線スペクトルにおけるバックグラウンドを見積もる。このバックグラウンドの見積もりは例えば試料自体の散乱と光電子による制動放射を数値計算することにより行われる。バックグラウンドの見積もりの後に、測定された蛍光Ｘ線スペクトルから、見積もられたバックグラウンドレベルを差し引いて、キャリブレーションされた蛍光Ｘ線スペクトル、つまり校正された蛍光Ｘ線スペクトルを生成する。蛍光Ｘ線は５ｋｅＶから９ｋｅＶのエネルギー範囲について測定されることが好ましい。このエネルギー範囲は、半導体表面を汚染する可能性のある元素を定量的に分析可能にする。校正済み蛍光Ｘ線スペクトルは、鉄（エネルギー６．４００ｋｅＶ）、コバルト（エネルギー６．９２５ｋｅＶ）、ニッケル（エネルギー７．４７３ｋｅＶ）、銅（エネルギー８．０４１ｋｅＶ）、クロム（エネルギー５．４１２ｋｅＶ）及び亜鉛（エネルギー８．６３１ｋｅＶ）に対応するピークを含む可能性がある。校正済み蛍光Ｘ線スペクトルにおけるピーク値（Ｘ線強度）がその元素の不純物量に対応している。このピーク値から不純物濃度の見積もり値は、例えば数値解析によるスペクトルのカーブフィッテングにより変換されて、不純物の濃度を得る。この評価方法によれば、六方晶系のIII−Ｖ族化合物半導体表面の微量元素を定量的に分析することを可能になる。

III−Ｖ族化合物半導体は例えばＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなる。III−Ｖ族窒化物の表面の微量元素を定量的に分析できる。III−Ｖ族化合物半導体表面は具体的にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＮ等を備えることができる。

シリコン半導体の製造において、全反射蛍光Ｘ線（ＴＸＲＦ）分析は、ウエハ表面の不純物濃度が１×１０^１０（「１Ｅ１０」とも記す）（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）以下の微量金属の定量解析に用いられている。これ故に、III−Ｖ族化合物半導体のためのウエハプロセスにおいても全反射蛍光Ｘ線（ＴＸＲＦ）分析の適用を求められている。微量金属の定量解析がインラインでの測定で可能になれば、シリコンのウエハ製造やデバイスプロセスのように、銅、鉄、ニッケル、やクロムなど汚染源となる微量金属を定量的に管理できる。窒化ガリウムなどの化合物半導体のウエハ製造やデバイスプロセスにおいても、シリコン同様に微量金属のインラインでの測定が必要とされている。しかし、これまでは、化合物半導体上の微量金属の分析では、１Ｅ１０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）以下の定量解析が困難であり、化合物半導体の分野では全反射蛍光Ｘ線（ＴＸＲＦ）分析を使った管理（微量金属の管理）を実現できていない。

図１に示されるように、ＴＸＲＦ装置では、励起Ｘ線が物質面に対して非常に低い角度で入射すると、この入射励起Ｘ線がその物質表面で全反射することを利用する。すなわち、励起Ｘ線を試料に対して非常に低い角度で照射させ、励起に寄与しないＸ線をサンプルホルダ面で全反射させて、蛍光Ｘ線を半導体Ｘ線検出器（例えばＳＳＤ：シリコンもしくはゲルマニウム製の半導体放射線検出器）で検出する。このとき、銅、鉄、ニッケル、クロム、亜鉛などを検出するためには、励起Ｘ線としてタングステンのＷ−Ｌβ線の使用が好適である。

ＴＸＲＦ装置における微量金属の定量方法のデータ解析手順では、蛍光Ｘ線エネルギースペクトルを測定した後に、蛍光Ｘ線エネルギースペクトルから、バックグラウンドを引くと共に、カーブフィッテングによりエネルギースペクトルを計算する。分析対象となる個々の金属に対応するピーク信号（銅:Ｋα＝８．０４１ｋｅＶ、鉄Ｋα＝６．４ｋｅＶ、ニッケル:Ｋα＝７．４７３ｋｅＶ）を積分し、ピーク部分の面積の比率により微量金属の量を求める。

図３は、本実施の形態に係る化合物半導体を評価する方法における別の主要な工程を示す図面である。工程Ｓ２０１では、化合物半導体からなる表面の法線軸に直交する軸を基準にして該軸からある角度範囲において、複数の角度を入射方位として、化合物半導体表面により励起Ｘ線が全反射するように該励起Ｘ線を化合物半導体表面に照射して、複数の角度における入射方位に対応づけて複数の蛍光Ｘ線スペクトルを測定する。図４の（ａ）部は、測定対象物としての六方晶系化合物半導体の表面を示す平面図であり、図４の（ｂ）部は、図４の（ａ）部に示されたI−I線にそってとられた断面を示す。図４の（ａ）部を参照すると、面内（例えば（０００１）面）における角度ωを、一例として六方晶系結晶体のｍ軸＜１−１００＞を基準にして、ｍ軸＜１−１００＞からａ軸＜１１−２０＞へ向かう回転方向を正として規定している。角度ωの変更範囲は例えば６０度以上であることができる。

図４の（ａ）部において、座標系の原点には、ｃ軸＜０００１＞がｍ軸＜１−１００＞及びａ軸＜１１−２０＞に直交するように規定される。図４の（ｂ）部を参照すると、励起Ｘ線の入射軸と、この入射軸をｃ面に射影した射影ｃ軸とにより規定される平面における断面を示す。この平面内において、励起Ｘ線に入射軸はｃ面に対して角度φを成す。

図４の（ｃ）部は、III−Ｖ族窒化物の表面（ｃ面ＧａＮ）からの蛍光Ｘ線スペクトルの一例を示す。図４の（ｃ）部において、シンボル「Ｂ」は、生の測定データを示し、シンボル「ＢＧ」はバックグラウンドレベルを示し、シンボル「ＣＢ」は、校正されたスペクトルを示す。図４の（ｃ）部に示されるように、III−Ｖ族窒化物半導体からの生の測定データは、シリコンウエハからの蛍光Ｘ線エネルギースペクトルとは異なり、高いバックグラウンドレベルを含み、また「ゴーストピーク」と呼ばれる出所不明のピークを含む。この実施例では、「ゴーストピーク」は微量分析の対象となる元素の銅や亜鉛からの特性Ｘ線のエネルギーに重なる。このため、「ゴーストピーク」は微量分析の妨げとなる。また、高いバックグラウンドレベルは微量分析の精度を低下させる可能性がある。

工程Ｓ２０２では、複数の蛍光Ｘ線スペクトルにおいて金属元素の既知のピーク位置におけるノイズの大きさの比較を行って、該比較の結果から、本測定のための入射方位を決定する。

シリコンウエハにおいては、ＴＸＲＦ法を用いて、１Ｅ１０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）以下のレベルで不純物の定量解析を行っている。しかし、窒化ガリウム基板や窒化ガリウムエピタキシャル層上で、ＴＸＲＦ分析を行うためには、測定データ値（Ｂ）には、蛍光Ｘ線以外のゴーストピーク成分やバックグラウンド成分が含まれる。この測定生データ値から求めたフィッティングカーブに、本来ならば窒化ガリウム表面に含まれない元素が含まれているように、解析結果が生成されてしまう可能性がある。特に、５ｋｅＶから９ｋｅＶのエネルギー範囲では、バックグラウンドの上昇やゴーストピークの発生が顕著である。また、このエネルギー範囲は、製造ラインの管理で重要とされている汚染物質である銅、鉄、ニッケルの特性Ｘ線のエネルギーを含むので、これらの元素の定量分析に大きな誤差を生むことになる。これが、窒化ガリウム等のIII−Ｖ族化合物半導体においてインラインの微量金属汚染の管理を困難にしている。

この課題を鑑みて、本実施の形態では、窒化ガリウム基板上において１Ｅ１０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）台の微量金属の定量解析を可能にし、化合物半導体のウエハ製造やデバイスプロセスにおいても、ＴＸＲＦ分析を用いて微量の金属汚染に関する管理を可能にする方法を見出した。

バックグラウンドの上昇やゴーストピークの発生は励起Ｘ線の回折やラマン散乱に起因すると考えられる。励起Ｘ線の回折やラマン散乱は、単結晶ウエハの結晶方位に依存する。結晶方位は材料の結晶構造を反映している。窒化ガリウムにおいては、これまでシリコンウエハの測定条件をそのまま採用している。このため、バックグラウンドの上昇やゴーストピークが発生していた可能性がある。シリコンはダイヤモンド構造であり、一方、窒化ガリウムはウルツ鉱構造である。ウルツ鉱構造の結晶構造はダイヤモンド構造と異なる。そこで、窒化ガリウムで入手容易な（０００１）面基板を用いて、＜１−１００＞軸を基準に時計回り９０度、つまりａ軸＜１１−２０＞軸までの角度範囲において、複数の方位に対応する角度（ω）で励起Ｘ線を入射させて、回折光とラマン散乱の強度を測定した。入射角φは０．１度に固定しており、好ましくは０．０５度〜０．１度の範囲が望ましい。図５は、このように測定された、ＧａＮからの蛍光Ｘ線スペクトルを示す。窒化ガリウムでは、角度（ω）が４０度及び９０度であるとき、望まれないゴーストピークが８．４ｋｅＶ付近に現れる。一方で、角度（ω）が６０度であるとき、望まれないピークの強度は極小となる。この向きは、結晶方位＜０−１１０＞である。

複数の角度における入射方位に対応づけて蛍光Ｘ線スペクトルを測定する際に、分析対象となる金属元素、例えば銅、鉄、及びニッケルに起因する特性Ｘ線ピークのいずれかを含むように蛍光Ｘ線スペクトルを測定する。また、入射方位の決定では、銅、鉄、及びニッケルの少なくともいずれかのピーク位置の付近に現れるゴースト信号のレベルの大きさに関する判断、及び／又は複数の蛍光Ｘ線スペクトル間におけるバックグラウンドのレベルの大きさに関する判断を行うことが好ましい。

図６は、望まれないピークの強度が極小となる角度（ω）６０度に入射方位を設定して調べた、銅、鉄、ニッケルの汚染量とＴＸＲＦ分析の信号強度の相関を示す。図５を参照すると、５ｋｅＶから９ｋｅＶのエネルギー範囲のバックグラウンド上昇やゴーストピークの発生を抑制できることを示す。このとき、１Ｅ１０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）台まで信号強度は、物質の濃度に良好な相関関係を有している。これ故に、窒化ガリウム表面においても１Ｅ１０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）台の微量金属の定量が可能である。したがって、励起Ｘ線の入射角を例えば６０度にすることにより、化合物半導体のウエハ製造やデバイスプロセスの製造ラインにてインラインで微量汚染金属の管理が可能になる。

工程Ｓ２０３では、化合物半導体からなる表面により励起Ｘ線が全反射するように該励起Ｘ線を該表面のターゲットエリアに入射方位から照射して、このターゲットエリアからの蛍光Ｘ線を測定する。工程Ｓ２０４では、蛍光Ｘ線のスペクトルを用いて、化合物半導体表面の微量元素を定量的に見積もる。この結果、化合物半導体表面の微量元素を定量的に評価できる。この方法によれば、シリコンの結晶構造と異なる化合物半導体では、結晶構造に起因するノイズが蛍光Ｘ線スペクトルに現れる。発明者の知見によれば、このノイズの大きさ及びピーク位置は、見上げ角よりは、励起Ｘ線の入射方位に依存している。これ故に、励起Ｘ線のいくつかの入射方位に沿って入射させてノイズレベルを評価することにより、半導体表面上における金属元素のより良い定量分析を可能にする入射方位を見出せる。

複数の角度における入射方位に対応づけて蛍光Ｘ線スペクトルを測定する工程において、化合物半導体は、例えばIII−Ｖ族化合物半導体であることができ、またＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなることができる。

図７に示されるように、III−Ｖ族化合物半導体のＧａＡｓにおいても、ＧａＮ系半導体と同様な現象（ゴーストピークやバックグラウンドの上昇）が生じている。これ故に、上記の分析方法は、III−Ｖ族窒化物に限定されることなく、ＧａＡｓ系半導体、ＩｎＰ系半導体といった閃亜鉛鉱型の結晶格子を有するIII−Ｖ族化合物半導体にも適用可能である。図７において、シンボル「Ｂ」は、生の測定データを示し。シンボル「ＢＧ」はバックグラウンドレベルを示し、シンボル「ＣＢ」は、校正されたスペクトルを示す。図７の測定は、角度ωが40度であり、角度θが0.05度である。ＧａＡｓに対する測定においても、III−Ｖ族化合物半導体からの生の測定データは、高いバックグラウンドレベルを含み、また「ゴーストピーク」と呼ばれる出所不明のピークを含む。この実施例を具体的に見ると、ゴーストピークは微量分析の対象となる元素の銅や亜鉛からの特性Ｘ線のエネルギーに重なる。このため、ゴーストピークは微量分析の妨げとなる。また、高いバックグラウンドレベルは微量分析の精度を低下させる可能性がある。

図８は、結晶方位を説明するための六角柱を示す図面である。六方晶系結晶格子において、ウエハ主面として（０００１）面を選ぶとき、図８の（ａ）部に示されるように、六角柱の側面の一つ（柱面）に垂直な方向は、以下の６方向になる。
＜０−１１０＞、＜−１０１０＞、＜−１１００＞、＜０１−１０＞、＜１０−１０＞、＜１−１００＞。
これらの結晶方位の一つと基板主面とにより規定される平面に沿って励起Ｘ線を入射させるとき、この単結晶からの回折光の強度は最小となる。これは、全反射蛍光Ｘ線分析にて現れる蛍光Ｘ線以外の光の成分の強度はウルツ鉱構造の結晶方位に依存することを意味する。また、ウルツ鉱構造の結晶方位への依存は、上記の説明が特定の材料、つまり窒化ガリウムだけでなく、励起Ｘ線の入射方向の調整により全反射蛍光Ｘ線分析の回折光を低減できることを示しており、ウルツ鉱構造の結晶全般に当てはまる。
また、図８の（ｂ）部は、ＧａＮ系半導体の六方晶系結晶の結晶方位とＧａＡｓ系結晶の結晶方位との以下の関係を示す。
［０００１］：［００１］。
［−１−１２０］：［−１−１０］。
［１−１２０］：［１−１０］。
［２−１−１０］：［１００］。
［４−１−１３］：［１０１］。
［１０−１２］：［２１２］。
［―１２−１０］：［０１０］。

半導体プロセスにおいては、ウエハ表面の金属汚染を常に監視することが好ましい。シリコンのウエハ製造やデバイスプロセスにおいては、製造ライン内にて、金属汚染量の管理のために全反射蛍光Ｘ線分析が用いられてきた。一方で、窒化ガリウムなどの化合物半導体を用いたデバイスプロセスにおいても、ＴＸＲＦ分析が行われていたが、微量金属の定量分析は不可能であったので、製造ライン内での管理には使われていない。そのため、化合物半導体のウエハ製造やデバイスプロセスにおいては、製造ライン内で汚染物質となる微量金属量の維持・管理ができていなかった。

化合物半導体ウエハにおいて微量金属の定量ができていなかった理由は、汚染金属を特定する蛍光Ｘ線スペクトルの中にラマン散乱や入射X線の回折光などが雑音として入り、蛍光Ｘ線スペクトルのバックグラウンドの上昇やゴーストピークの発生により、カーブフィッテングに大きな誤差が生じて、数値解析による金属の定量値の精度を著しく低下させるからである。また、定量値の精度の悪化は、金属が微量になるほど顕著になるため化合物半導体表面における微量金属の定量は難しいとされてきた。

しかし、本実施の形態に係る方法では、化合物半導体の製造においても、インラインにおいて、微量元素の定量分析が可能になる。また、単結晶窒化アルミニウム、単結晶ＡｌＧａＮ、単結晶ＩｎＧａＮ、単結晶サファイア、炭化シリコン等などウルツ鉱構造と、単結晶ＧａＡｓ、単結晶ＩｎＰなど、せん亜鉛構造、を持つウエハやエピタキシャル層における極微量の汚染物質を検査可能になる。

本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。

以上説明したように、本実施の形態によれば、全反射蛍光Ｘ線分析法を用いて、化合物半導体表面上の不純物に関する定量分析を可能にする、化合物半導体を評価する方法を提供できる。

１１…全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＸＲＦ）装置、Ｗ１…基板、１３…ステージ、１５…Ｘ線源、ＸＩＮ…入射する励起Ｘ線、ＸＯＵＴ…反射された励起Ｘ線、１７…Ｘ線測定器、ＤＡＴＡ…蛍光Ｘ線Ｘ、１９…蛍光Ｘ線検出器、Ｓ１、Ｓ２…Ｘ線測定器からのデータ信号、２１…データ処理装置、ＸＳＰ…処理された蛍光Ｘ線スペクトル。

Claims (11)

1. 化合物半導体を評価する方法であって、
   六方晶系の化合物半導体からなる表面により励起Ｘ線が全反射するように該励起Ｘ線を該表面のターゲットエリアに照射して、前記ターゲットエリアからの蛍光Ｘ線を測定する工程と、
   前記蛍光Ｘ線のスペクトルを用いて、前記表面の元素を定量的に見積もる工程と、
   を備え、
   前記励起Ｘ線は、前記化合物半導体におけるｍ軸方向に沿って入射される、化合物半導体を評価する方法。
2. 前記化合物半導体は、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなる、請求項１に記載された化合物半導体を評価する方法。
3. 前記蛍光Ｘ線は５ｋｅＶから９ｋｅＶのエネルギー範囲について測定される、請求項１又は請求項２に記載された化合物半導体を評価する方法。
4. 前記励起Ｘ線の入射は、前記化合物半導体の＜０−１１０＞、＜−１０１０＞、＜−１１００＞、＜０１−１０＞、＜１０−１０＞、及び＜１−１００＞のいずれかの方位である、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された化合物半導体を評価する方法。
5. 化合物半導体を評価する方法であって、
   化合物半導体からなる表面の法線軸に直交する軸を基準にして該軸から規定されるある角度範囲において複数の角度を入射方位として、前記表面により励起Ｘ線が全反射するように該励起Ｘ線を該表面に照射して、前記複数の角度における入射方位に対応づけて複数の蛍光Ｘ線スペクトルを測定する工程と、
   前記複数の蛍光Ｘ線スペクトルにおいて金属元素の既知のピーク位置におけるノイズのレベルの比較を行って、該比較の結果から、本測定のための入射方位を決定する工程と、
   化合物半導体からなる表面により励起Ｘ線が全反射するように該励起Ｘ線を該表面のターゲットエリアに前記入射方位から照射して、前記ターゲットエリアからの蛍光Ｘ線を測定する工程と、
   前記蛍光Ｘ線のスペクトルを用いて、前記表面の元素を定量的に見積もる工程と、
   を備える、化合物半導体を評価する方法。
6. 前記複数の角度における入射方位に対応づけて前記蛍光Ｘ線スペクトルを測定する工程において、前記蛍光Ｘ線スペクトルは、５ｋｅＶから９ｋｅＶのエネルギー範囲について測定される、請求項５に記載された化合物半導体を評価する方法。
7. 前記複数の角度における入射方位に対応づけて前記蛍光Ｘ線スペクトルを測定する工程において、前記化合物半導体は、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなる、請求項５又は請求項６に記載された化合物半導体を評価する方法。
8. 前記角度範囲は６０度以上である、請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載された化合物半導体を評価する方法。
9. 前記複数の角度における入射方位に対応づけて前記蛍光Ｘ線スペクトルを測定する工程において、前記金属元素は、銅、鉄、及びニッケルのいずれかを含む、請求項５〜請求項８のいずれか一項に記載された化合物半導体を評価する方法。
10. 前記入射方位の決定では、前記銅、鉄、及びニッケルの少なくともいずれかのピーク位置の付近に現れるゴースト信号のレベルを判断する、請求項９に記載された化合物半導体を評価する方法。
11. 前記入射方位の決定では、前記複数の蛍光Ｘ線スペクトル間におけるバックグラウンドのレベルを判断する、請求項５〜請求項１０のいずれか一項に記載された化合物半導体を評価する方法。