特許 6066337 半導体の表面・界面準位を評価する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6066337

(24)【登録日】2017年1月6日

(45)【発行日】2017年1月25日

(54)【発明の名称】半導体の表面・界面準位を評価する方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20170116BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/66 L

   H01L21/66 U

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-61734(P2014-61734)

(22)【出願日】2014年3月25日

(65)【公開番号】特開2015-185733(P2015-185733A)

(43)【公開日】2015年10月22日

【審査請求日】2016年5月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】592032636

【氏名又は名称】学校法人トヨタ学園

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】富田 英幹

(72)【発明者】

【氏名】榊 裕之

(72)【発明者】

【氏名】保木井 美和

【審査官】 堀江 義隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−６８２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−７４２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−３８３４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１半導体層と、第１半導体層に対してヘテロ接合されている第２半導体層を有し、前記ヘテロ接合界面に沿って形成された伝導チャネルを有する半導体装置の第１半導体層と第２半導体層の少なくとも一方の界面準位を評価する方法であって、
半導体装置に対して、前記ヘテロ接合界面に平行な方向に沿って歪みを付与し、歪みの付与前後における伝導チャネル層の電荷変化量を測定する工程を有する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、ヘテロ接合界面に沿って形成された伝導チャネルを有する半導体装置の界面準位を評価する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、高周波で静電容量Ｃのバイアス電圧Ｖ依存性を計測する手法（Ｃ−Ｖ法）によって半導体と絶縁体の界面準位を評価する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−０３８３４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の方法は、半導体と金属電極を設けた絶縁体（ＭＩＳ構造）の界面にしか適用することができない。すなわち、他の構造を有する界面の界面準位や、半導体が露出している表面の表面準位（以下、表面準位と界面準位を併せて、界面準位と呼ぶ）を評価することができない。また、半導体の界面準位を評価する方法として、ＸＰＳ法（Ｘ線光電子分光法）が知られている。しかしながら、ＸＰＳ法では、Ｘ線が届かない半導体の内部における準位を評価することができない。すなわち、ＸＰＳ法では、露出している表面の界面準位しか評価することができない。このように、従来は、ＭＩＳ構造以外の構造を有する界面の界面準位を評価することができなかった。また、従来は、界面の界面準位と露出している表面の界面準位を同一の方法で評価することができず、これらを定量的に比較することができなかった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書は、第１半導体層と、第２半導体層がヘテロ接合され、前記ヘテロ接合界面に沿って伝導チャネルを有する半導体装置の第１半導体層と第２半導体層の少なくともどちらか一方の界面準位を評価する方法を開示する。この方法は、半導体装置に対して、前記ヘテロ接合界面に平行な方向に沿って歪みを付与し、歪みの付与前後における伝導チャネルの電荷変化量を測定する工程を有する。

【0006】

この方法では、ヘテロ接合界面に平行な方向に沿って歪みを付与することで、各半導体層内でピエゾ分極電荷を発生させる。すると、ピエゾ分極電荷により半導体層内の内部電界（ヘテロ接合を垂直に横断する方向の電界）が変化するため、第１半導体層のヘテロ接合界面とは反対側の端面（露出している表面または２つの層の境界面）と、第２半導体層のヘテロ接合界面とは反対側の端面（露出している表面または２つの層の境界面）の電位が変化する。これによって、これらの端面の界面準位で電荷が充電または放電される。すると、この電荷状態の変化を補うために、移動度が高い伝導チャネルで電荷量が変化する。したがって、この伝導チャネルの電荷変化量を測定することで、第１半導体層または第２半導体層の界面準位を評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】半導体装置１０（試料）の縦断面図。

【図2】評価装置にセットされた半導体装置１０を示す図。

【図3】試料１、２の伝導チャネルの電荷変化量の測定結果を示すグラフ。

【図4】界面準位密度の見積値を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１に示す半導体装置１０は、実施例の方法によって界面準位を評価する対象の試料である。半導体装置１０は、基板１２と、バッファ層１４と、エピタキシャル層１６と、エピタキシャル層２０を有している。基板１２は、シリコンまたはサファイア等により構成されている。バッファ層１４は、基板１２上に形成されている。バッファ層１４とエピタキシャル層１６の間には、エピタキシャル層１６とは異なる半導体材料によって構成された層やドーピング層を加えることもできるが、多くは、エピタキシャル層１６は、バッファ層１４上に形成されている。エピタキシャル層１６は、例えば、ＧａＮ等により構成されている。エピタキシャル層２０は、エピタキシャル層１６上に形成されている。エピタキシャル層２０は、例えば、ＡｌＧａＮ等により構成されている。したがって、エピタキシャル層１６とエピタキシャル層２０の界面１８は、ヘテロ接合界面となっている。エピタキシャル層１６内であって、ヘテロ接合界面１８の近傍には、伝導チャネル層１７が形成されている。伝導チャネル層１７は、二次元電子ガスにより構成されている。伝導チャネル層１７では、電子の移動度が極めて高い。また、図１では、エピタキシャル層２０の表面側界面２１が露出しているが、後述するように、エピタキシャル層２０の表面側界面２１が金属膜や絶縁膜によって覆われていてもよい。半導体装置１０は、電極３０、３２を有している。電極３０、３２は、伝導チャネル層１７に接続されている。また、図１には示されていないが、半導体装置１０は、図２の電極３４、３６を有しており、この間での伝導チャネル層１７の電荷量を２端子測定できる。電極３４、３６は、伝導チャネル層１７に接続されている。

【0009】

次に、実施例の界面準位密度の評価方法について説明する。この方法では、エピタキシャル層２０の表面側界面２１の界面準位とエピタキシャル層１６のバッファ層１４との基板側界面１５の界面準位を評価する。界面準位を評価する際には、図２に示すように半導体装置１０を評価装置に取り付ける。評価装置は、図２に示す４本のピラー４１〜４４と、定電流源４６と、電圧計４８と、歪みゲージ５０を有する。ピラー４１、４２は半導体装置１０の表面側に配置され、ピラー４３、４４は半導体装置１０の裏面側に配置される。半導体装置１０の表面に沿う方向において、ピラー４１、４２は、ピラー４３、４４の間に配置される。４端子測定の場合、定電流源４６は、電極３４と電極３６の間に接続される。定電流源４６によって、電極３４、３６を介して、伝導チャネル層１７に一定の電流を流すことができる。電圧計４８は、電極３０と電極３２の間に接続される。電圧計４８は、電極３０と電極３２の間の電圧（すなわち、伝導チャネル層１７内の電位差）を測定する。電極３４、３６がない２端子計測の場合は、定電流源４６と電圧計４８はいずれも、電極３０と電極３２の間に接続され、その間の電圧を測定する。歪みゲージ５０は、半導体装置１０の裏面に取り付けられる。

【0010】

界面準位を評価する際には、まず、定電流源４６により伝導チャネル層１７に一定電流を流す。そして、一定電流を流しながら、ピラー４１〜４４によって半導体装置１０に歪みを加える。具体的には、ピラー４１、４２を半導体装置１０に向かって加圧する。これによって、半導体装置１０が反るように外力を加える。このように外力を加えることで、図１の矢印９０に示すように、半導体装置１０内の各層１２、１４、１６、２０に対して引張応力を加え、この方向に歪みを生じさせる。歪みゲージ５０は、この引張方向における半導体装置１０の歪み量を測定する。なお、矢印９０に示す方向は、ヘテロ接合界面１８の平行方向に相当する。

【0011】

半導体装置１０に歪みが生じると、エピタキシャル層１６、２０内で圧電効果（ピエゾ効果）により分極が生じる。これによって、図１に示すように、エピタキシャル層２０内に分極層２４、２５が生じ、エピタキシャル層１６内に分極層２６、２７が生じる。分極層２４は、エピタキシャル層２０の表面側界面２１近傍の領域に生じる分極電荷により構成される分極層であり、本実施例では電荷−ΔＮ_Ａ［ｃｍ^−２］により構成される。分極層２５は、エピタキシャル層２０のヘテロ接合界面１８近傍の領域に生じる分極電荷により構成される分極層であり、本実施例では電荷ΔＮ_Ａ［ｃｍ^−２］により構成される。分極層２４に生じる電荷−ΔＮ_Ａと分極層２５に生じる電荷ΔＮ_Ａの絶対値は等しく、常に電荷の状態は、どちらかがプラスであればもう一方はマイナスである。分極層２６は、エピタキシャル層１６のヘテロ接合界面１８近傍の領域に生じる分極電荷により構成される分極層であり、本実施例では電荷−ΔＮ_Ｂ［ｃｍ^−２］により構成される。分極層２７は、エピタキシャル層１６の基板側界面１５近傍の領域に生じる分極電荷により構成される分極層であり、本実施例では電荷ΔＮ_Ｂ［ｃｍ^−２］により構成される。分極層２６に生じる電荷−ΔＮ_Ｂと分極層２７に生じる電荷ΔＮ_Ｂの絶対値は等しく、常に電荷の状態は、どちらかがプラスであればもう一方はマイナスである。このようにエピタキシャル層１６、２０において分極が生じることで、エピタキシャル層１６、２０の厚み方向（結晶成長方向）における電界が変化するため、表面側界面２１の電位及び基板側界面１５の電位が変化する。以下では、このときの表面側界面２１の電位の変化をΔＶ_Ｃ［Ｖ］で表し、このときの基板側界面１５の電位の変化をΔＶ_Ｄ［Ｖ］で表す。その結果、表面側界面２１及び基板側界面１５において電荷の充放電が生じる。ここでは、表面側界面２１における電荷の変化量をΔＮ_Ｃ［ｃｍ^−２］で表し、基板側界面１５における電荷の変化量をΔＮ_Ｄ［ｃｍ^−２］で表す。これによって、半導体装置１０全体で電荷の均衡が崩れるため、これを補うために、最も電子の移動度が高い伝導チャネル層１７の電子の数が変化する。このため、伝導チャネルに電流を流した状態では、電極３０と電極３２の間の電圧が変化する。この電圧変化を電圧計４８で検出することで、伝導チャネル層１７における電子（電荷）の数の変化ΔＮ_Ｓ［ｃｍ^−２］を算出する。

【0012】

伝導チャネル層１７の電荷変化量ΔＮ_Ｓは、上下のエピタキシャル層内に伝導チャネル層内の電子以外の自由荷電粒子がいない場合は、以下の関係式を満たす。
（数式１）
ΔＮ_Ｓ＝ΔＮ_Ｃ＋（−ΔＮ_Ａ）＋ΔＮ_Ａ＋（−ΔＮ_Ｂ）＋ΔＮ_Ｂ＋ΔＮ_Ｄ＝ΔＮ_Ｃ＋ΔＮ_Ｄ

【0013】

また、上述した表面側界面２１の電位の変化ΔＶ_Ｃは、以下の数式により表すことができる。
（数式２）
ΔＶ_Ｃ＝｛−（−ΔＮ_Ａ＋ΔＮ_Ｃ）｝・ｄ_１・ｅ／ε_１

【0014】

なお、数式２において、記号ｄ_１［ｍ］は、エピタキシャル層２０の厚みであり、記号ε_１［Ｆ／ｍ］はエピタキシャル層２０の誘電率であり、記号ｅは電気素量である。また、表面側界面２１の界面準位密度ΔＤ_ＩＴ＿Ｃは、以下の数式により表すことができる。
（数式３）
ΔＤ_ＩＴ＿Ｃ＝ΔＮ_Ｃ／ΔＶ_Ｃ

【0015】

数式２及び数式３から、値ΔＮ_Ｃと、値ΔＮ_Ａが分かれば、界面準位ΔＤ_ＩＴ＿Ｃを求めることが可能となることが分かる。

【0016】

また、上述した基板側界面１５の電位の変化ΔＶ_Ｄは、以下の数式により表すことができる。
（数式４）
ΔＶ_Ｄ＝｛−（ΔＮ_Ｂ＋ΔＮ_Ｄ）｝・ｄ_２・ｅ／ε_２

【0017】

なお、数式４において、記号ｄ_２［ｍ］は、エピタキシャル層１６の厚みであり、記号ε_２［Ｆ／ｍ］はエピタキシャル層１６の誘電率であり、記号ｅは電気素量である。また、基板側界面１５の界面準位密度ΔＤ_ＩＴ＿Ｄは、以下の数式により表すことができる。
（数式５）
ΔＤ_ＩＴ＿Ｄ＝ΔＮ_Ｄ／ΔＶ_Ｄ

【0018】

数式４及び数式５から、値ΔＮ_Ｄと値ΔＮ_Ｂが分かれば、界面準位ΔＤ_ＩＴ＿Ｄを求めることが可能なことが分かる。

【0019】

上述した数式１から、値ΔＮ_Ｃと値ΔＮ_Ｄの何れか一方が既知であれば、図２の評価装置によって求めた値ΔＮｓを用いて、値ΔＮ_Ｃと値ΔＮ_Ｄの残りの一方を求めることが可能となることが分かる。

【0020】

例えば、バッファ層１４が十分にドーピングされた低抵抗のシリコンにより構成されている場合には、ΔＮ_Ｄ＝ΔＮ_Ｂが成立する。また、バッファ層１４に代えて絶縁層が形成されている場合（すなわち、エピタキシャル層１６と絶縁層によって基板側界面１５が形成されるなど、界面準位の充放電の生じない場合）には、ΔＮ_Ｄ＝０が成立する。これらの場合には、上述した数式１、２、３において未知の値が値ΔＮ_Ａのみとなるので、値ΔＮ_Ａを求めることで表面側界面２１の界面準位密度ΔＤ_ＩＴ＿Ｃを算出することができる。

【0021】

表面側界面２１上に金属膜が形成されている場合（すなわち、表面側界面２１が露出した面ではなく、金属膜とエピタキシャル層２０の界面である場合）には、ΔＮ_Ｃ＝ΔＮ_Ａが成立する。また、表面側界面２１上に理想的な絶縁膜が形成されている場合（すなわち、表面側界面２１が露出した面ではなく、絶縁膜とエピタキシャル層２０の界面である場合）には、ΔＮ_Ｃ＝０が成立する。これらの場合には、上述した数式１、４、５において未知の値が値ΔＮ_Ｂのみとなるので、値ΔＮ_Ｂを求めることで基板側界面１５の界面準位密度ΔＤ_ＩＴ＿Ｄを算出することができる。

【0022】

次に、ピエゾ分極により生じる電荷ΔＮ_Ａ、ΔＮ_Ｂの算出方法について説明する。電荷ΔＮ_Ａ、ΔＮ_Ｂは、歪みゲージ５０により計測した歪み（すなわち、図１の矢印９０に示す方向の歪み）と、材料の物性に基づいて、以下のように算出する。

【0023】

エピタキシャル層２０がＡｌＧａＮであり、エピタキシャル層１６がＧａＮである場合は、これらはいずれも六方晶である。六方晶における応力σ［Ｎ］は、歪みεと弾性定数Ｃ［Ｎ／ｍ^２］により以下のように表される。

【数1】

【0024】

ここで、数１中の各記号σ、Ｃ、εに付されている添字は、一般化フックの法則で表される線形応力−歪み関係式σ_ｉｊ＝Ｃ_ｉｊｋｌε_ｋｌに基づいている。σとεに付されている添字は、線形応力−歪み関係式をそのまま当てはめたテンソル表記である。六方晶では、テンソル表記１１はｘ軸方向（図１の矢印９０の方向）、テンソル表記２２はｙ軸方向（図１の奥行方向）、テンソル表記３３はｚ軸方向（各層の厚み方向）の垂直応力またはその応力に対応する歪みを表している。また、六方晶では、テンソル表記１２はｘｙ平面内、テンソル表記３１はｘｚ平面内、テンソル表記２３はｙｚ平面内のせん断応力またはその応力に対応する歪みを表している。また、Ｃに付されている添字は、テンソル表記を行列表記に置き換えて示している。行列表記１はテンソル表記１１を表し、行列表記２はテンソル表記２２を表し、行列表記３はテンソル表記３３を表し、行列表記４はテンソル表記２３を表し、行列表記５はテンソル表記３１を表し、行列表記６はテンソル表記１２を表す。六方晶では、行列表記１１及び３３は垂直応力、行列表記１３は垂直応力とせん断応力、行列表記４４はせん断応力に対応した弾性定数を表す。図２に示す評価装置により加えられる応力（図１の矢印９０の方向に加えられる応力）はｘ軸方向の一軸性の応力であるので、σ２２＝σ３３＝σ２３＝σ３１＝σ１２＝０である。したがって、数１から、ε２３＝ε３１＝ε１２＝０，Ｃ_４４＝０が成立する（但し、Ｃ１１≠Ｃ１２とする）。したがって、以下の数式が成立する。

【数2】

【0025】

図２に示す評価装置により半導体装置１０に加える応力は、応力σ_１１に相当する。また、評価装置の歪みゲージ５０により検出される歪みは、歪みε_１１に相当する。また、半導体装置１０の材料の物性から、弾性定数Ｃ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_１３及びＣ_３３は既知である。したがって、数２から、ｙ軸方向の歪みε_２２と、ｚ軸方向の歪みε_３３を求めることができる。

【0026】

また、六方晶の歪みとピエゾ分極の関係は、以下の数式により表される。

【数3】

数３において、ｐはピエゾ分極［Ｃ／ｍ^２］を表しており、添字は行列表記によるものである。また、eはピエゾ分極定数を表しており、添字は行列表記によるものである。ピエゾ分極ｐ_３はｚ軸方向の分極を表しており、上述した電荷ΔＮ_Ａ、ΔＮ_Ｂに対応する。したがって、エピタキシャル層２０のピエゾ分極定数ｅに基づいて数３を解くことでピエゾ分極ｐ_３を算出し、算出したピエゾ分極ｐ_３に基づいて電荷ΔＮ_Ａを算出することができる。また、エピタキシャル層１６のピエゾ分極定数ｅに基づいて数３を解くことでピエゾ分極ｐ_３を算出し、算出したピエゾ分極ｐ_３に基づいて電荷ΔＮ_Ｂを算出することができる。

【0027】

したがって、以上のように算出した電荷ΔＮ_ＡまたはΔＮ_Ｂと、上述した数式１〜５に基づいて、界面準位密度ΔＤ_ＩＴ＿ＣまたはΔＤ_ＩＴ＿Ｄを得ることができる。

【0028】

以上に説明したように、実施例の方法によれば、表面側界面２１が絶縁膜との界面ではない場合であっても、表面側界面２１の界面準位密度を求めることができる。また、実施例の方法によれば、表面側界面２１の界面準位密度と基板側界面１５の界面準位密度を求めることができるため、これらの界面準位密度を定量的に比較することができる。

【0029】

また、値ΔＮ_Ｃと値ΔＮ_Ｄの両方が既知でない場合であっても、上記の方法は有用である。この場合、表面側界面２１と基板側界面１５の何れか一方の界面条件が同一であり、他方の界面条件が異なる複数の試料を用いることで、界面準位を評価することができる。例えば、図３と図４は、基板１２がシリコンであり、バッファ層１４がＧａＮであり、エピタキシャル層１６がＧａＮであり、エピタキシャル層２０がＡｌＧａＮであり、エピタキシャル層２０の表面側界面２１が絶縁膜ＳｉＯｘにより覆われている試料１（ＳｉＯｘ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）と、同様の構成であって表面側界面２１が露出している試料２（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）を評価した結果を示している。図３の測定では、半導体装置１０に加える歪みの量εを変化させながら、伝導チャネル層１７の電荷変化量ΔＮ_Ｓを測定した。また、図４は、図３の結果から見積もった表面側界面２１の界面準位密度ΔＤ_ＩＴ＿Ｃと基板側界面１５の界面準位密度ΔＤ_ＩＴ＿Ｄを示している。試料１、２の基板側界面１５の界面条件は同一であるため、試料１、２で界面準位密度ΔＤ_ＩＴ＿Ｄは同一となる。したがって、試料１、２で界面準位密度ΔＤ_ＩＴ＿Ｄが同一となるように見積もることで、試料１、２の表面側界面２１の界面準位密度ΔＤ_ＩＴ＿Ｃを算出することができる。このように算出される界面準位密度は、見積値ではあるものの、界面準位密度の桁数を評価するのに非常に有効である。

【0030】

また、単一の試料を評価する場合であって、値ΔＮ_Ｃと値ΔＮ_Ｄの両方が既知でない場合でも、表面側界面２１と基板側界面１５とで界面準位密度の桁数を比較することは可能である。

【0031】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0032】

１０：半導体装置
１２：基板
１４：バッファ層
１５：基板側界面
１６：エピタキシャル層
１７：伝導チャネル層
１８：ヘテロ接合界面
２０：エピタキシャル層
２１：表面側界面
２４〜２７：分極層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】