特開 2019-190965 結晶格子面分布測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-190965(P2019-190965A)

(43)【公開日】2019年10月31日

(54)【発明の名称】結晶格子面分布測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/2055 20180101AFI20191004BHJP

【ＦＩ】

   G01N23/2055

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2018-83268(P2018-83268)

(22)【出願日】2018年4月24日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(72)【発明者】

【氏名】坂田 修身

(72)【発明者】

【氏名】キム ジェミョン

(72)【発明者】

【氏名】ソ オッキュン

【テーマコード（参考）】

2G001

【Ｆターム（参考）】

2G001AA01

2G001BA20

2G001CA01

2G001FA18

2G001GA04

2G001GA06

2G001HA07

2G001KA03

2G001KA08

2G001LA11

(57)【要約】

【課題】結晶構造を有する試料の結晶格子面方向分布を５０μｍの分解能で測定する方法を提供する。
【解決手段】単色、平行なＸ線を、試料の結晶軸の方向に沿った２以上の方位から方位毎に入射角を複数変えて試料の面内各部に照射するＸ線照射工程と、試料からのＸ線のブラッグ反射光を面内各部に対応して検出して２以上の方位毎にブラッグ反射Ｘ線強度を面内各部に対応して測定するブラッグ反射Ｘ線強度測定工程と、ブラッグ反射Ｘ線の反射強度を極大にする入射角度を２以上の方位および面内各部毎に求める入射角度算出工程と、２以上の方位および面内各部毎に求めた入射角度から面内各部毎の結晶格子面方向を計算する結晶格子面方向計算工程を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

結晶構造を有する試料の結晶格子面方向分布を測定する結晶格子面方向分布測定方法において、
平行な光速を有する指向性のＸ線を、前記試料の結晶軸の方向に沿った２以上の方位から前記２以上の方位毎に、入射角を複数変えて前記試料の面内各部に照射するＸ線照射工程と、
前記試料からの前記Ｘ線のブラッグ反射光を前記面内各部に対応して検出して、前記２以上の方位毎にブラッグ反射光強度を前記面内各部に対応して測定するブラッグ反射光強度測定工程と、
ブラッグ反射光の反射強度を極大にする入射角度を、前記２以上の方位および前記面内各部毎に求める入射角度算出工程と、
前記２以上の方位および前記面内各部毎に求めた入射角度から、前記面内各部毎の結晶格子面方向を計算する結晶格子面方向計算工程と、を有する結晶格子面方向分布測定方法。

【請求項2】

前記方位の数は２である、請求項１記載の結晶格子面方向分布測定方法。

【請求項3】

前記面内各部に対する結晶格子面方向分布の平均方向に対して前記面内各部の結晶格子面方向を投影し、結晶格子面方向分布の平均方向に対する前記面内各部の結晶格子面方向の差分を求め、前記差分の前記面内の分布をベクトル表示する、請求項１または２記載の結晶格子面方向分布測定方法。

【請求項4】

前記Ｘ線は波長０．０１ｎｍ以上０．２５ｎｍ以下の単色、平行な放射光である、請求項１から３の何れか１である結晶格子面方向分布測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、結晶格子面分布測定方法に関し、特に５０μｍ以下というような高い空間分解能をもって結晶格子面分布を測定する結晶格子面分布測定方法に係る。

【背景技術】

【0002】

半導体結晶の格子歪や欠陥などの結晶性は、製品となる半導体デバイスの特性に影響を及ぼす。例えば、格子歪がＧａＮのバンドギャップを変化させ、デバイスの特性に影響を及ぼすことが報告されている（非特許文献１，２参照）。半導体デバイス製造の分野では、デバイスが微細化されるにつれ、転位や欠陥を観察し、その結果を結晶製造にフィードバックして結晶を高品質にすることが産業上非常に重要である。

【0003】

結晶の完全性を観察する方法として、Ｘ線回折顕微法、あるいはＸ線回折トポグラフ（ＸＲＤＴ）法と総称される方法がある（非特許文献３参照）。この方法は、Ｂｅｒｇ−Ｂａｒｒｅｔｔ法、Ｌａｎｇ法、Ｌａｕｅ法などにさらに分類される。Ｘ線源としてシンクロトロン放射光（シンクロトロンＸ線）が利用される以前から、実験室のＸ線源によってこれらの方法はよく使われている。これらの方法は、転位や欠陥による回折Ｘ線強度のコントラストを数μｍの分解能で記録したり、転位のバーガースベクトルの方向を決定したりできる。
また、実験室のＸ線源を用いて、結晶方位の面内分布を測定する試みもなされている（特許文献１参照）

【0004】

シンクロトロンＸ線を用いたＸＲＤＴ法の開発により、１９８０年以降は、格子面間隔の分布や格子面の曲率が評価された（非特許文献４参照）。そして、ＸＲＤＴ法をレーザー走査法と組み合わせることにより、残留応力を含む曲率情報を理解することができた（非特許文献５参照）。例えば、Ｘ線回折により観察された４Ｈ−ＳｉＣ4基板の格子面曲げに関する最近の報告では、基板の形状と曲率が示されている（非特許文献６参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平２−２６６２４９号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．７４，ｐ．６７３４（１９９３）

【非特許文献2】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ：Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ，ｖｏｌ．５４，ｐ．１７７４５（１９９６）

【非特許文献3】日本結晶学会誌，ｖｏｌ．１３，ｐ．３５８（１９７１）

【非特許文献4】Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．５１，ｐ．６２２４（１９８０）

【非特許文献5】Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ，ｖｏｌ．４１５，ｐ．ｐ．２１−３１（２００２）

【非特許文献6】Ｃｒｙｓｔ，Ｅｎｇ．Ｃｏｍｍ．，ｖｏｌ．１９，ｐ．３８４４（２０１７）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

背景のところで述べたような従来の結晶格子面方向分布測定法は、主に結晶格子面の観点での試料の曲率などある意味巨視的な性質を求めることを目的としており、空間分解能は高いものではなかった。このため、高い空間分解能をもって試料の結晶格子面方位のばらつき分布を測定する方法には適していなかった。
本発明は、このような背景の下、結晶構造を有する試料の結晶格子面方向分布を５０μｍというような高い空間分解能をもち、かつ高速に測定する方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の構成を下記に示す。
（構成１）
結晶構造を有する試料の結晶格子面方向分布を測定する結晶格子面方向分布測定方法において、
単色で平行なＸ線を、前記試料の結晶軸の方向に沿った２以上の方位から前記２以上の方位毎に、入射角を複数変えて前記試料の面内各部に照射するＸ線照射工程と、
前記試料からの前記Ｘ線のブラッグ反射光を前記面内各部に対応して検出して、前記２以上の方位毎にブラッグ反射X線強度を前記面内各部に対応して測定するブラッグ反射X線強度測定工程と、
ブラッグ反射X線の反射強度を極大にする入射角度を、前記２以上の方位および前記面内各部毎に求める入射角度算出工程と、
前記２以上の方位および前記面内各部毎に求めた入射角度から、前記面内各部毎の結晶格子面方向を計算する結晶格子面方向計算工程と、を有する結晶格子面方向分布測定方法。
（構成２）
前記方位の数は２である、構成１記載の結晶格子面方向分布測定方法。
（構成３）
前記面内各部に対する結晶格子面方向分布の平均方向に対して前記面内各部の結晶格子面方向を投影し、結晶格子面方向分布の平均方向に対する前記面内各部の結晶格子面方向の差分を求め、前記差分の前記面内の分布をベクトル表示する、構成１または２記載の結晶格子面方向分布測定方法。
（構成４）
前記Ｘ線は波長０．０１ｎｍ以上０．２５ｎｍ以下の単色、平行な放射光である、構成１から３の何れか１である結晶格子面方向分布測定方法。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、結晶構造を有する試料の結晶格子面方向分布を５０μｍ以下の分解能で、かつ高速に測定する方法を提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の概念を見取り図で示した説明図。

【図2】入射Ｘ線とブラッグ反射Ｘ線との関係を示す説明図。

【図3】Ｘ線の入射角θ_ｋをパラメータにしたときのブラッグ反射光強度の試料面内分布図。

【図4】結晶方位面法線のｘ成分ｑ_ｘおよびｙ成分ｑ_ｙの試料面内分布図。

【図5】理想的な（００・１）面に投影した結晶格子面法線の投影像の試料面内分布図。

【図6】結晶格子面の法線の傾き分布図。

【図7】結晶面形状の断面模式図。

【図8】実施例の座標系の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。
＜本発明の測定方法の概要＞
結晶構造を有する試料に、その結晶軸に沿った方位（第１の方位）から、その試料への入射角を複数変えてＸ線を照射する。そして、その試料からのブラッグ反射光の強度をフラットパネル検出器、ＣＭＯＳアレーセンサー、ＣＣＤアレーセンサーなどのめ２次元Ｘ線検出器で測定して、いわゆるロッキング曲線を得る。第１の方位を結晶軸に沿った方位とすることで、測定精度を向上させることができる。
ここで、測定に用いるＸ線は、測定精度を高めるため、単色で平行なＸ線であることが好ましい。特に、Ｘ線の強度を高くすることができる放射光（シンクロトロンＸ線）はより好ましい。Ｘ線の波長としては、０．０１ｎｍ以上０．２５ｎｍ以下が好ましく、単色性が高いほど（波長分布が狭いほど）測定精度が向上する。
なお、試料の結晶完全性や用いられるＸ線の波長によって必要とされる入射Ｘ線の単色度と平行度は変わる。ここでの単色なＸ線は、Ｘ線の波長λの拡がりΔλがそのＸ線の中心波長をλ_ａｖｅとしたとき、Δλ/λ_ａｖｅが１０^−４の範囲に収まるＸ線のことであり、また、ここでの平行なＸ線は、そのＸ線の広がり角が３０ａｒｃｓｅｃの範囲に収まるＸ線のことをいう。

【0012】

そして、試料表面の各部位からのｈｋｌ回折に対するロッキング曲線を記録し、そのピーク角度位置を得る。そして、試料表面全体から得られる平均角度ピーク位置からのはずれ角Δθ_１をすべての部位に対して得る。すなわち、試料の面内の各場所において上記の測定を行い、Δθ（ｘ，ｙ)のデータを取得する。

【0013】

試料が単結晶の場合で試料表面がほぼ（００・１）面を例にすると、図１（ａ）に示すように、Δθ（ｘ，ｙ）は理想的な（００・１）面１１の法線１３と試料表面にほぼ平行な結晶格子面の各部位における局所的な法線方向１０とのなす角と同じである。
ここで、ｘ，ｙは試料表面内の場所を表し、図１（ａ）中の１１は理想的な（００・１）面である。１２は、各場所からの結晶格子面の法線を試料表面全体で平均した法線と回折を起こす入射Ｘ線が作る面で、ここでは平均的な（００・１）回折面Ａと称す。１４は、各場所（ｘ，ｙ）での結晶格子面の法線を平均的な（００・１）回折面Ａに投影した像（写像）である。なお、（００・１）の表記に関しては、実施例で用いたＧａＮ六方晶の場合の記載法に準じた。

【0014】

試料をその表面法線周りにφ回転して（方位角をφ変えて）同様な測定を繰り返し、図１（ｂ）に示すように、第２の方位角でのΔχ（ｘ，ｙ)を評価する。
ここで、図１（ｂ）中の２２は、第２の方位角での測定での、各場所からの結晶面の法線を試料表面全体で平均した法線と回折を起こす入射Ｘ線が作る面、すなわち平均的な（００・１）回折面Ｂである。２４は、各場所（ｘ，ｙ）での結晶格子面の法線を平均的な（００・１）回折面Ｂに投影した像（写像）である。

【0015】

次に、得られたΔθ（ｘ，ｙ)とΔχ（ｘ，ｙ))を用い、試料上の各部位における試料表面にほぼ平行な結晶格子面の法線ｑ(ｑ_ｘ(ｘ，ｙ)，ｑ_ｙ(ｘ，ｙ)，ｑ_ｚ(ｘ，ｙ))を、（式1）から求める。なお、第２の方位角も試料の結晶軸に沿った方位とすることが測定精度を向上させる上で好ましい。

【0016】

【数1】

【0017】

ここで、Ｒは座標変換の３行３列の行列（式２）である。

【0018】

【数2】

【0019】

その結果、結晶格子面の形状を試料表面の全面に渡り得ることができる。

【0020】

なお、上記では、方位角を第１と第２の２つとした場合について述べたが、さらに第３、第４、・・・第ｎ（ｎは整数）と、測定する方位をｎに増やしてもよい。ここで、測定する方位の数は、最低２以上必要である。
測定する方位の数を増やすと、測定精度が向上するという効果がある。一方で、測定する方位の数が２の場合は、測定時間および計算に要する時間が短くなり、測定効率が良くなるという効果がある。

【0021】

その後、第１および第２もしくはそれ以上の方位および試料面内各部毎に求めたはずれ角Δθ（ｘ，ｙ）、Δχ（ｘ，ｙ）から、試料面内各部毎の結晶格子面方向を計算する。
具体的には、試料面内各部に対する結晶格子面方向分布の平均方向に対して試料面内各部の結晶格子面方向を投影し、結晶格子面方向分布の平均方向に対する試料面内各部の結晶格子面方向の差分を求め、その差分の試料面内の分布をベクトル表示する。

【0022】

＜本発明の空間分解能＞
各部位の空間分解能は、用いる２次元Ｘ線検出器の画素の大きさΔｐで決まる。
本発明は、試料表面からＸ線の消衰距離の範囲内を評価できる。その消衰距離は、入射Ｘ線の波長、試料、用いる回折指数に依存するが、数μｍが代表的な値である。
試料表面上の隣り合うΔｐの領域の格子定数差δｄが、｜δｄ／ｄ｜＜Δｐ／（２Ｌ・ｔａｎ（θ_Ｂ））を満足する場合に適用できる。
ここで、Ｌは試料とＸ線検出器との距離で定義されるカメラ長である。ｄは、ｈｋｌ回折に関わる格子面間隔であり、θ_Ｂはブラッグ条件λ＝２ｄ・ｓｉｎ（θ_Ｂ）で入射Ｘ線の波長λとｄとで関係づけられるブラッグ角である。
試料上の各部位における結晶格子面の法線ｑの試料表面全体で平均した法線からの外れ角Δψが、｜Δψ｜＜Δｐ／Ｌについて観測可能である。

【0023】

後述のように、本発明の実施例では１画素の大きさ（サイズ）が５０μｍ×５０μｍのＸ線検出器を用いた。したがって、この場合の空間分解能は５０μｍである。但し、これは一例であって、例えば画素サイズを２０μｍ×２０μｍと小さくすることも可能である。
本発明の技術で測定可能な空間分解能は、正確には、１画素当たりの画素サイズと隣接画素間のピッチ（画素間ピッチ）に依存する。ここで、試料表面全体で平均した法線からの外れ角が大きく画素間ピッチを超えてＸ線が隣接の画素に入射した場合は、その隣接の画素に対応する試料上の場所の測定と区別がつかなくなることから、測定可能な外れ角が制限される。

【0024】

一方で、画素サイズを小さくすると、測定可能な、試料表面全体で平均した法線からの外れ角は小さくなる。この問題を解決するには、カメラ長Ｌを短くすればよい。
したがって、実質的には、画素サイズと、配置が可能なカメラ長Ｌにより、最小の｜Δψ｜が規定される。後述の実施例のカメラ長Ｌは０．５ｍであった。本発明の技術は、Ｘ線検出器の画素サイズとカメラの配置の最適化により、観測できる｜Δψ｜をコントロールできる。

【実施例】

【0025】

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、当然のこととして、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲のみにより規定されるものであることに注意されたい。

【0026】

（実施例１）
実施例１では、試料１０１（後述の図２参照）として、直径２インチのガリウム（００・１）窒素半導体ウエハに、ＧａＮを厚さ１μｍ成長させ、さらにマグネシウムを添加したＧａＮを２μｍ成長させたものを用いた。その厚さは、３３０μｍである。
そして、線源を大型放射光施設ＳＰｒｉｎｇ−８の放射光として、試料表面全面に２個の（１１１）面の結晶を用いたシリコンモノクロメータからのほぼ単色平行なＸ線を照射し、（ｈｋ・ｌ）結晶格子面から回折が生じるようＸ線の入射角θを調節した。なお、測定もＳＰｒｉｎｇ−８にて行った。

【0027】

Ｘ線入射光とブラッグ反射X線の関係を図２に示す。
入射Ｘ線の波長は０．１２８４ｎｍであり、１１・４回折を励起した。入射Ｘ線と試料１０１の表面となす角は０．６°であった。（００・１）面と（１１・４）面が３９．１°の角度をなしているので、回折強度がもっとも大きくなる入射角０．６°（ブラッグ角θ_B）近傍で、入射角を２５ａｒｃｓｅｃステップ変える毎に回折像を２次元Ｘ線検出器１０２で測定した。そのときに検出されたブラッグ反射光の試料面内分布の様子を、Ｘ線の入射角θ_ｋをパラメータにして、図３に示す。
Ｘ線露光時間は０．５秒であった。用いたＸ線検出器１０２は、フラットパネル検出器（浜松ホトニクス製）であり、その画素サイズは５０μｍ×５０μｍ、ピクセル数は２３６８×２２４０であった。ｘ方向は［１１・０］と平行であり、ｙ方向はそれに垂直である。［１１・０］は平均的な回折面内にある。
次に、試料の表面法線周りに試料をφ＝１２０°回転し（方位角を１２０°回転し）、同様な測定を繰り返した。測定時間は合計で３２分３０秒であった。
なお、実施例１における｜δｄ／ｄ｜は６．０×１０^−５未満であり、｜Δψ｜は０．０６°未満である。

【0028】

次に、（式３）を用いて、試料上の各部位における試料表面にほぼ平行な結晶格子面の法線ｑ(ｑ_ｘ(ｘ，ｙ)，ｑ_ｙ(ｘ，ｙ)，ｑ_ｚ(ｘ，ｙ))を決定した。測定されたｑ_ｘ(ｘ，ｙ)、ｑ_ｙ(ｘ，ｙ)をそれぞれ図４（ａ）、（ｂ）に示す。

【0029】

【数3】

【0030】

その法線ｑの理想的な（００・１）面上への投影を図５に矢印で表示した。
また、その法線ｑの傾き分布を解析した。その結果を図６に示す。また、結晶面の形状を求め、その模式的な形状を、ｘ方向に関しては図７（ａ）に、ｙ方向に関しては図７（ｂ）にそれぞれ示した。なお、今回用いた座標系を図８に示す。
その結果、試料の結晶方位面の面内分布を５０μｍというような高い空間分解能をもって３０分台という短い測定時間で計測できることが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0031】

本発明は、上述のように、試料の結晶方位面の面内分布を５０μｍというような高い空間分解能をもって３０分台という短い測定時間で計測する方法である。これまでの結晶方位面の測定方法では、試料全体のそりや曲率といった巨視的な特性を把握するという観点であったが、本発明により各部での微視的な結晶方位面を測定でき、ばらつき分布を解析できる。
この測定方法を半導体基板、半導体デバイスなどに適用すれば、結晶方位面ばらつきがそれらに与える影響を関連付けることができ、また、より面内結晶方位ばらつきの少ない高品質な半導体基板、半導体デバイスなどを提供することが可能になる。このため、半導体をはじめとする産業分野で大いに利用される可能性がある。

【符号の説明】

【0032】

１０：試料の結晶方位面の法線方向ベクトル
１１：理想的な（００・１）面
１２：平均的な（００・１）回折面Ａ
１３：理想的な（００・１）回折面の法線
１４：平均的な（００・１）回折面Ａへの投影像（写像）
２２：平均的な（００・１）回折面Ｂ
２４：平均的な（００・１）回折面Ｂへの投影像（写像）
１０１：試料
１０２：Ｘ線検出器（フラットパネル検出器）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】