半導体層の検査方法
【課題】半導体層の表面状態を短時間で精度良く測定できる半導体層の検査方法を提供する。
【解決手段】単色プローブ光は試料Ｓに照射され（ステップｃ１）、励起光は強度変調されて試料Ｓに照射される（ステップｃ２）。ロックインアンプ１３７の位相調整を行った後（ステップｃ３）、光学フィルタ１３２を用いて散乱した励起光を遮蔽し、信号検出器１３３にはプローブ光のみが入るようにする（ステップｃ４）。分光器１１３を掃引し、試料Ｓから反射されたプローブ光を信号検出器１３３で電気信号に変換する（ステップｃ５）。得られた信号は、バンドパスフィルタ回路１３５を通して、反射率Ｒに相当する直流成分と変調反射率ΔＲに相当する交流成分に分け（ステップｃ６）、それぞれ直流電圧計１３６とロックインアンプ１３７で計測する（ステップｃ７）。コンピュータ１４０は、各計測値を用いてΔＲ／Ｒを計算し、ＰＲスペクトルを得る（ステップｃ８）。
【解決手段】単色プローブ光は試料Ｓに照射され（ステップｃ１）、励起光は強度変調されて試料Ｓに照射される（ステップｃ２）。ロックインアンプ１３７の位相調整を行った後（ステップｃ３）、光学フィルタ１３２を用いて散乱した励起光を遮蔽し、信号検出器１３３にはプローブ光のみが入るようにする（ステップｃ４）。分光器１１３を掃引し、試料Ｓから反射されたプローブ光を信号検出器１３３で電気信号に変換する（ステップｃ５）。得られた信号は、バンドパスフィルタ回路１３５を通して、反射率Ｒに相当する直流成分と変調反射率ΔＲに相当する交流成分に分け（ステップｃ６）、それぞれ直流電圧計１３６とロックインアンプ１３７で計測する（ステップｃ７）。コンピュータ１４０は、各計測値を用いてΔＲ／Ｒを計算し、ＰＲスペクトルを得る（ステップｃ８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された半導体層の検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムＧａＮ、窒化アルミニウムＡｌＮ、窒化インジウムＩｎＮなど、組成式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）で表現される混晶の総称である窒化物半導体は、一般に機械的に堅牢でかつ化学的にも安定であり、熱伝導率も高く放熱性に優れている。こうした窒化物半導体を用いた半導体素子、例えば、ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層を組み合わせた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：high electron mobility transistor）やＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層を組み合わせたレーザダイオード（ＬＤ：laser diode）は、高出力素子として期待されている。
【０００３】
一方、窒化物半導体の融点は非常に高い。例えば、ＡｌＮの融点は３２７３Ｋ（ケルビン）、ＧａＮの融点は２０００Ｋ以上、ＩｎＮの融点は１３７３Ｋである（文献：酒井士郎、ＩＩＩ族窒化物半導体、赤崎勇編、第１章、培風館、１９９９年）。そのため、高い結晶性を有する窒化物半導体層の成長は比較的困難である。事実、成長条件の微妙な違いによって、窒化物半導体層の表面にｎｍオーダーのクラックが発生することが知られている。こうしたクラックは、ＨＥＭＴ素子でのゲートリーク電流の増大やパルス応答特性の劣化をもたらす要因となる。従って、クラック密度の定量的評価は、窒化物半導体素子の製造において極めて重要である。
【０００４】
従来、クラック密度などの表面状態の定量的評価は、主に原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：atomic force microscope）を用いて行われてきた。ＡＦＭは、カンチレバーの先端に固定された探針と試料表面の原子との間の原子間力に応じてカンチレバーが変位する際、カンチレバーからの反射光を計測することによってカンチレバーの変位を測定する。そして、カンチレバーまたは試料を走査して、探針の変位が一定になるようにカンチレバーまたは試料を上下方向に移動させる。その際の制御信号を画像に変換することによって、試料の表面状態（凹凸の様子）を原子オーダーで測定することができる。
【０００５】
こうしたＡＦＭには表面状態を直接に評価できるという利点があるが、データ取得時のスループットが低く、ＡＦＭ装置自体も極めて高価であり、量産ラインへの導入には不向きである。
【０００６】
その他、表面状態を直接に評価できる手法として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：scanning tunneling microscope）、ケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ：Kelvin force microscope）が知られているが、いずれもＡＦＭと同じような問題点がある。
【０００７】
従って、比較的簡単な構成で、半導体層の表面状態を短時間で敏感に測定できる手法が要望されている。
【０００８】
半導体層で発生するクラックは、表面の結晶性に大きな影響を与える。それゆえ半導体層の物理的パラメータの中で、結晶性に対して比較的敏感なパラメータを測定することによって、半導体層の表面状態を間接的に評価することが可能である。
【０００９】
こうした結晶性に対して敏感なパラメータの中で一般に利用されているパラメータは、Ｘ線回折パターンの半値幅である。この半値幅は、半導体層の結晶性が低下するにつれて大きくなる性質があり、測定も比較的容易であることから、種々の半導体層を成膜させる前のバルク結晶の段階で結晶性評価によく利用されている。
【００１０】
しかしながら、Ｘ線回折パターンは結晶表面だけでなく結晶内部の状態も反映してしまうことから、その半値幅の変化は結晶内部の状態変化に大きく左右され、結晶表面の状態変化に対してそれほど敏感ではない。
【００１１】
【特許文献１】特開平２−３０７０４６号公報
【特許文献２】特開平７−９２２３６号公報
【特許文献３】特開２００３−２２４１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のようにＸ線回折パターンの半値幅は、結晶表面だけでなく結晶内部の状態変化を反映した物理量であることから、結晶表面の状態のみを評価するのには不向きである。また、異なる組成を有する複数の半導体層が基板上に積層されている場合、Ｘ線回折パターンは全ての半導体層の結晶状態および基板の結晶状態を反映してしまうことから、特定の半導体層に関する情報のみを峻別することが困難である。
【００１３】
本発明の目的は、半導体層の表面状態を短時間で精度良く測定できる半導体層の検査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る半導体層の検査方法は、基板上に形成された半導体層に光を照射するステップと、
該半導体層の物理的特性が変化するように、該半導体層に対して所定周波数の変調を印加するステップと、
該半導体層からの反射光を検出するステップと、
検出した反射光信号の中から変調周波数の成分を取り出すステップと、
照射光の波長を変化させて、半導体層で発生する励起子に特有な反射スペクトルを計測するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光照射によって半導体層で発生する励起子に特有な反射スペクトルを計測する。クラック等の結晶欠陥が少ないと、得られる励起子スペクトルが急峻になり、一方、結晶欠陥が多くなると、励起子スペクトルはブロードになる。従って、励起子スペクトルのブロードニングファクターを解析することによって、半導体層の表面状態を評価することができる。
【００１６】
従って、本発明は光学スペクトル解析手法を用いることから、従来のＡＦＭ観察法やＸ線回折パターン法と比べて、データ取得時のスループットが高く、検査装置自体も比較的簡単な構成で済み、量産ラインへの導入も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る表面検査方法の一例を示すフローチャートである。ここでは、典型的な検査試料として、図２に示すように、基板１の上に、順次、緩衝層２、アンドープＧａＮ層３、アンドープＡｌＧａＮ層４が形成されたＨＥＭＴエピタキシャル構造を有する窒化物半導体素子を用いた例について説明する。
【００１８】
まず、図１のステップａ１において、試料の最上層に位置するアンドープＡｌＧａＮ層４の表面に対してプローブ光を照射する。次に、ステップａ２において、光照射によってアンドープＡｌＧａＮ層４で発生する励起子に特有な光学反射スペクトルを計測する。
【００１９】
反射スペクトル計測方法は、ａ）プローブ光として単色光を使用し、プローブ光の波長を変化させながら、試料からの反射光の強度変化を計測する方法、ｂ）プローブ光として連続スペクトルの光を使用し、試料からの反射光を分光して反射スペクトルを計測する方法、などが採用できる。
【００２０】
反射率の較正は、以下の手順で行われる。まず、既知の反射率Ｒｒｅｆ（λ）を持つ参照試料、例えば、金属コートミラーを用いて、波長λに関する反射光強度Ｉｒｅｆ（λ）を測定する。次に、検査試料について、波長λに関する反射光強度Ｉｓａｍｐｌｅ（λ）を測定する。そして、反射率＝（試料表面で反射した光の強度）／（試料表面に入射した光の強度）の定義により、（試料表面に入射した光の強度）は、Ｉｒｅｆ（λ）／Ｒｒｅｆ（λ）で与えられる。従って、検査試料の反射率Ｒｓａｍｐｌｅ（λ）は、次式（１）で表される。
【００２１】
【数１】
【００２２】
ここで、Ｒｒｅｆ（λ）は既知であり、Ｉｒｅｆ（λ）およびＩｓａｍｐｌｅ（λ）は実測によって得られることから、コンピュータ等を用いた計算により、検査試料の反射率Ｒｓａｍｐｌｅ（λ）を得ることができる。
【００２３】
次に、図１のステップａ３において、検査試料の反射率スペクトルＲｓａｍｐｌｅ（λ）のブロードニングファクターを解析する。
【００２４】
ここで励起子とは、絶縁材料や半導体材料に発生する電子・正孔対の一種であり、特に、窒化物半導体では室温で安定であることが知られている。励起子は、固体内における一種の素励起であり、そのエネルギーに相当するフォトンエネルギー近傍での光学スペクトルにおいて特徴的な構造が見られる。もし試料表面に不均一性が存在すれば、励起子に特有なスペクトルは幅広になり、このスペクトル幅はブロードニングファクターを用いて定量化することができる。
【００２５】
試料の不均一性がガウス分布に従うと仮定すれば、アンドープＡｌＧａＮ層４の屈折率ｎＡｌＧａＮ（λ）は、現象論的に次式（２）で定義することが可能である。
【００２６】
【数２】
【００２７】
この式（２）は、任意の表面状態における屈折率関数を、材料固有の屈折率関数（ここでは、ｎＡｌＧａＮ（λ）に相当）と分布関数（ここでは、ガウス分布）との重畳による計算モデルで表現したものである。この計算モデルにおいて、ガウス分布の標準偏差σがブロードニングファクターに相当するパラメータである。
【００２８】
次に、試料の屈折率ｎ（λ）が与えられれば、例えば、伝達マトリックス法などの種々の反射スペクトル計算モデルを用いて、反射率スペクトルＲ（λ）は簡単に求めることができる。簡単な例として、アンドープＧａＮ層３が充分に厚く、アンドープＡｌＧａＮ層４内での干渉効果のみを考慮すれば足りる場合、アンドープＡｌＧａＮ層４での励起子エネルギー近傍における反射率スペクトルは、次式（３）で表される。
【００２９】
【数３】
【００３０】
ここで、ｎＡｉｒ（＝１）とｎＧａＮは、それぞれ空気とＧａＮの屈折率である。物理量δは、干渉を引き起こす２つの光、即ち、アンドープＡｌＧａＮ層４の最上面で反射した光とＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面で反射した光との間の位相差であり、次式（４）で表される。
【００３１】
【数４】
【００３２】
そこで、上記式（２）とこれまでに知られている式（３）（４）を用いて、反射スペクトルを解析することにより、ブロードニングファクターを抽出することができる。
【００３３】
次に、図１のステップａ４において、抽出したブロードニングファクターに基づいて、アンドープＡｌＧａＮ層４の表面状態を評価する。式（２）の計算モデルを用いた場合、励起子スペクトルが幅広になるほど、ブロードニングファクターとしての標準偏差σは大きくなり、アンドープＡｌＧａＮ層４の表面状態はより不均一であると判断できる。一方、励起子スペクトルが急峻になるほど、ブロードニングファクターとしての標準偏差σは小さくなり、アンドープＡｌＧａＮ層４の表面状態はより均一であると判断できる。
【００３４】
図３は、窒化物半導体の反射率スペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は反射率（％）で、横軸は波長（ｎｍ）である。実線は表面クラック無しの試料を示し、破線は表面クラック有りの試料を示す。
【００３５】
励起子スペクトル中心は約３２０ｎｍ付近であり、実線のスペクトルを基準として、破線のスペクトルはより幅広に現れている。各スペクトルのブロードニングファクターは、上述した式（２）〜（４）を用いてコンピュータ等で数値計算することが可能である。従って、得られたブロードニングファクターを用いて、試料の表面状態を定量的に評価することが可能である。
【００３６】
以上の説明では、検査試料として、窒化物半導体ＨＥＭＴ素子を例示したが、その他の絶縁材料や半導体材料、例えば、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ等を用いたトランジスタ素子、発光素子、受光素子などについても本発明は適用可能である。この場合、材料に固有の励起子スペクトルに応じて、照射する光の波長を適宜選択すればよい。
【００３７】
また本発明では、検査試料として、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなど、組成式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）で表現される混晶の総称である窒化物半導体を用いることが好ましい。その理由は、窒化物半導体はエネルギーバンドギャップが大きく、励起子は室温で安定に存在するため、励起子スペクトルが明瞭となり、表面状態を精度良く評価できるからである。
【００３８】
また本実施形態では、試料の励起子スペクトルを反射光学系で計測する方法を説明したが、試料がプローブ光の侵入長に比べ十分薄く、かつ基板がプローブ光に対して透明である場合には、透過光学系を用いて励起子スペクトルを計測することも可能である。
【００３９】
実施の形態２．
図４は、本発明に係る表面検査装置の一例を示すブロック図である。表面検査装置は、光源１１と、分光器１２と、試料台２１と、検出器３２と、コンピュータ５０などで構成される。
【００４０】
光源１１は、スペクトル計測に必要な波長を含む連続スペクトルの光を発生する。分光器１２は、光源１１からの連続スペクトルを分光して、単色光のプローブ光を出力する。プローブ光の波長は、コンピュータ５０からの制御信号に応じて連続的に変化させることができる。分光器１２からのプローブ光は、集光レンズ１３によって試料Ｓ上で所望のスポット径に集光され、試料Ｓの計測エリアが規定される。
【００４１】
試料台２１は、試料Ｓを保持するものであり、調整機構２２によって試料Ｓの３次元位置（ＸＹＺ方向）または３次元角度（ピッチ、ヨー、ロール）が調整可能である。調整機構２２は、手動で動作するタイプでもよく、コンピュータ５０からの制御信号に応じて動作するタイプでもよい。
【００４２】
試料Ｓからの反射光は、集光レンズ３１によって検出器３２に集められる。検出器３２は、光強度を電気信号に変換する機能を有し、後段の電流アンプ３３によって検出器３２からの電流信号が電圧信号に変換され、次段の電圧計３４によってデジタル化された検出信号に変換される。
【００４３】
コンピュータ５０は、電圧計３４からの検出信号を取り込んで、メモリ等に保存し、必要に応じて、ディスプレイ５１上にデータを表示する。
【００４４】
こうした表面検査装置は、図１に示したフローチャートに従って動作する。まず、試料Ｓ、例えば、図２に示す窒化物半導体素子を試料台２１に固定する。次に、コンピュータ５０は、分光器１２に向けて制御信号（例えば、スキャン開始波長、スキャン終了波長、スキャン速度など）を送信して、スペクトル計測を開始する。
【００４５】
試料Ｓでは、プローブ光の波長に応じて光の吸収や反射、干渉などの現象が発生する。本発明では、光照射によって発生する励起子に特有な光学反射スペクトルの変化に着目している。
【００４６】
コンピュータ５０は、スペクトル計測中に出力される検出信号を取り込んで、メモリ等に保存し、計測終了後、上述した式（３）（４）を用いて、検出信号を反射率スペクトルに変換し、必要に応じてディスプレイ５１上に表示する。さらに、式（２）を適用して、試料Ｓの反射率スペクトルを解析することによって、励起子スペクトルのブロードニングファクターを抽出する。
【００４７】
コンピュータ５０には、表面状態（例えば、クラック密度）と励起子スペクトルのブロードニングファクターとの関係が既知である標準試料に関するデータが予め保存されている。従って、標準試料のブロードニングファクターを基準として、今回計測した試料Ｓのブロードニングファクターを比較することによって、試料Ｓの表面状態を定量的に評価することができる。
【００４８】
続いて、試料Ｓの計測エリアを変更する場合、調整機構２２を動作させて試料Ｓを移動し、プローブ光の照射位置を変更する。そして、上述と同様な手順に従って、スペクトル計測、解析を実施する。こうした試料Ｓの面内走査とスペクトル計測を繰り返すことによって、試料Ｓの表面全体での欠陥分布を評価することが可能になる。
【００４９】
実施の形態３．
図５は、本発明に係る表面検査装置の他の例を示すブロック図である。表面検査装置は、光源１１と、試料台２１と、分光器３５と、マルチチャンネル検出器３６と、コンピュータ５０などで構成される。
【００５０】
光源１１は、スペクトル計測に必要な波長を含む連続スペクトルのプローブ光を発生する。プローブ光は、集光レンズ１３によって試料Ｓ上で所望のスポット径に集光され、試料Ｓの計測エリアが規定される。
【００５１】
試料台２１は、試料Ｓを保持するものであり、調整機構２２によって試料Ｓの３次元位置（ＸＹＺ方向）または３次元角度（ピッチ、ヨー、ロール）が調整可能である。調整機構２２は、手動で動作するタイプでもよく、コンピュータ５０からの制御信号に応じて動作するタイプでもよい。
【００５２】
試料Ｓからの反射光は、集光レンズ３１によって分光器３５に集められ、さらにマルチチャンネル検出器３６に入力される。分光器３５は、回折格子やプリズム等で構成され、連続スペクトル光を波長別に空間的に分解する機能を有する。マルチチャンネル検出器３６は、多数の受光面が直線上に配列されたリニアアレイ等で構成され、分光器３５によって空間分解された光の強度分布を検出する。従って、マルチチャンネル検出器３６を用いた場合、波長スキャンが不要になるため、スペクトル計測の高速化が図られる。
【００５３】
コントローラ３７は、マルチチャンネル検出器３６からの出力信号を処理して、コンピュータ５０へ検出信号として出力する。
【００５４】
コンピュータ５０は、コントローラ３７からの検出信号を取り込んで、メモリ等に保存し、必要に応じて、ディスプレイ５１上にデータを表示する。
【００５５】
こうした表面検査装置は、図１に示したフローチャートに従って動作する。まず、試料Ｓ、例えば、図２に示す窒化物半導体素子を試料台２１に固定する。次に、光源１１からのプローブ光を試料Ｓに向けて照射すると、マルチチャンネル検出器３６は、試料Ｓからの反射スペクトルを出力する。
【００５６】
コンピュータ５０は、マルチチャンネル検出器３６からの検出信号を取り込んで、メモリ等に保存し、計測終了後、上述した式（３）（４）を用いて、検出信号を反射率スペクトルに変換し、必要に応じてディスプレイ５１上に表示する。さらに、式（２）を適用して、試料Ｓの反射率スペクトルを解析することによって、励起子スペクトルのブロードニングファクターを抽出する。
【００５７】
コンピュータ５０には、表面状態（例えば、クラック密度）と励起子スペクトルのブロードニングファクターとの関係が既知である標準試料に関するデータが予め保存されている。従って、標準試料のブロードニングファクターを基準として、今回計測した試料Ｓのブロードニングファクターを比較することによって、試料Ｓの表面状態を定量的に評価することができる。
【００５８】
続いて、試料Ｓの計測エリアを変更する場合、調整機構２２を動作させて試料Ｓを移動し、プローブ光の照射位置を変更する。そして、上述と同様な手順に従って、スペクトル計測、解析を実施する。こうした試料Ｓの面内走査とスペクトル計測を繰り返すことによって、試料Ｓの表面全体での欠陥分布を評価することが可能になる。
【００５９】
実施の形態４．
図６は、反射光の光路補正機構の一例を示す構成図である。この光路補正機構は、図４および図５に示す表面検査装置に適用可能である。
【００６０】
光路検出装置は、分割光学素子３８と、光位置検出器３９と、差動アンプ４０などで構成される。
【００６１】
分割光学素子３８は、ビームスプリッタ等で構成され、試料Ｓからの反射光の一部を取り出す機能を有する。光位置検出器３９は、ＰＳＤ(position sensitive device)や分割型検出器で構成され、分割光学素子３８によって取り出された光の位置を検出する。ここでは、２つの受光面Ａ，Ｂが配列した２分割型検出器を用いた例を示しているが、４つの受光面がＸＹ方向に配列した４分割型検出器でも構わない。
【００６２】
差動アンプ４０は、演算増幅器等で構成され、光位置検出器３９から出力される２つの信号ＳＡ，ＳＢを差動増幅して、ＳＡ−ＳＢという差分信号を出力する。
【００６３】
こうした光路検出装置を用いることにより、試料Ｓからの反射光に対してほとんど影響を与えずに、反射光の光路ずれを高い精度で検出することができる。また、試料Ｓから分割光学素子３８を経由して光位置検出器３９に至るまでの光路長を極力長く設定することが好ましく、反射光の光路ずれに対する感度を高くすることができる。
【００６４】
光路補正機構は、上述した光路検出装置と、光路ずれに対応した差分信号に基づいて、試料台２１の３次元位置（ＸＹＺ方向）または３次元角度（ピッチ、ヨー、ロール）位置を調整するための調整機構２２などで構成される。
【００６５】
次に光路補正機構のフィードバック動作について説明する。検査試料Ｓとして、半導体層が形成されたウエハを用いた場合、ウエハの平坦性を考慮する必要がある。特に、ウエハに反りが生じている場合、面内分布データを測定している際に、反射光の光軸が変動することがある。例えば、図６の一点鎖線で示すように、反射光の本来の光路から、図６の実線で示す光路にずれてしまう。
【００６６】
特に、図５に示すマルチチャンネル測光の場合、反射光の光軸が変動すると、分光器３５への入射角度が変化して、マルチチャンネル検出器３６の受光アレイにおける光強度分布がシフトしてしまい、光学スペクトルの波長ずれが生ずる。
【００６７】
この対策として、試料Ｓの面内走査中に、上述した光路検出装置によって試料Ｓからの反射光の光路ずれを検出しつつ、調整機構２２によって光路ずれを解消するように試料台２１の位置または角度を調整することによって、ウエハの反りに起因した計測誤差を低減または解消することができる。
【００６８】
図７は、光路補正機構の動作を示すフローチャートである。まずステップｂ１において、分割光学素子３８によって試料Ｓからの反射光の一部を分割する。次にステップｂ２において、光位置検出器３９は、分割した光を受光して、光の位置を検出する。次にステップｂ３において、差動アンプ４０からの差分信号ＳＡ−ＳＢがゼロであるか否かを判定する。差分信号がゼロでない場合、ステップｂ４に移行して、差分信号がゼロになる方向に、調整機構２２が試料台２１の位置または角度を調整した後、ステップｂ２に戻って再び光位置検出と試料台の調整を繰り返す。こうしたフィードバック動作により、差分信号がゼロに収束すると、ステップｂ３からステップｂ５に移行して、試料Ｓのスペクトル計測を開始する。
【００６９】
続いて、試料Ｓの計測エリアを変更する場合、調整機構２２を動作させて試料Ｓを面内で移動し、プローブ光の照射位置を変更する。そして、図７に示す光路補正動作を行って反射光の光路ずれを解消した後、上述と同様な手順に従って、スペクトル計測、解析を実施する。こうした試料Ｓの面内走査、光路補正動作、スペクトル計測を順次繰り返すことによって、試料Ｓの表面全体での欠陥分布を評価することが可能になる。
【実施例】
【００７０】
図８（ａ）（ｂ）は、図２に示すＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴエピタキシャル構造をＡＦＭで観察した像をそれぞれ示す写真である。画像の濃淡を示すグレイスケールは、表面の凹凸の高さに対応している。なお、これらのＡＦＭ像を取得するのに要した時間は、それぞれ３０分であった。
【００７１】
図８（ａ）に示す試料Ａは、表面が平坦であり、クラックが存在しておらず、標準試料として使用できる。図８（ｂ）に示す試料Ｂは、表面に凹凸が現れており、多数のクラックが存在している。
【００７２】
図９は、試料Ａ，Ｂの光学反射スペクトルを示すグラフである。縦軸は反射率（％）で、横軸はフォトンエネルギー（ｅＶ）である。実線は表面クラック無しの試料Ａを示し、破線は表面クラック有りの試料Ｂを示す。これらのスペクトルは、図４に示した表面検査装置を用いて計測した。各スペクトルの計測に要した時間は、ＡＦＭ観察の１／１０に相当する３分であった。
【００７３】
励起子スペクトル中心は約３．８７ｅＶ（≒３２０ｎｍ）であり、クラックが存在している試料Ｂのスペクトル（実線）は、クラック無しの試料Ａのスペクトル（破線）と比べて、より強いブロードニングを示していることが判る。
【００７４】
図１０（ａ）（ｂ）は、図９に示す試料Ａ，Ｂの光学反射スペクトルをフィッティングした結果をそれぞれ示すグラフである。実線は、図９に示す反射スペクトルの実験値を示し、白丸は、上述した式（２）〜（４）を用いてコンピュータ等でフィッティングした計算値である。
【００７５】
図１０（ａ）に示す試料Ａのフィッティング曲線も、図１０（ｂ）に示す試料Ｂのフィッティング曲線も、励起子スペクトル中心付近において、実験値と非常に良く一致している。これらのフィッティング曲線についてブロードニングファクターを計算した結果、試料Ａは２５ｍｅＶ、試料Ｂは４５ｍｅＶとなった。従って、表面のクラック密度が増加するほど、ブロードニングファクターは増加することが判る。
【００７６】
このように試料の表面状態を検査する場合、励起子スペクトルのブロードニングファクターを計算することによって、従来のＡＦＭ観察法と比べて、より短時間で精度良く定量的な評価を行うことができる。
【００７７】
実施の形態５．
以上では、反射分光法に基づいた半導体表面の定量的評価方法について述べた。これは、反射スペクトルのブロードニング・ファクターを基準として表面状態を定量化する方法である。言い換えれば、スペクトル形状の鋭さを指標として、表面状態を定量化する方法である。スペクトル形状の鋭さは、その微分信号の強度に対応する。従って、反射ペクトルの微分信号、すなわち変調反射スペクトルを測定すれば、得られたスペクトルの強度を指標として表面状態を定量化できると考えられる。一般に、微分信号は、変化に対して高感度である。従って、通常の反射スペクトルでは得ることの出来ない表面状態に関する情報を抽出することが可能である。以下では、変調反射分光法に基づくこと特徴とする半導体表面の定量的評価方法について述べる。
【００７８】
変調反射分光法には、様々な種類が存在する。その中でもＰＲ(Photo reflectance)分光法（光変調反射分光法）は、非破壊非接触でかつ最も簡便な手法である。ＰＲ分光法の特徴は、反射率を検出するためのプローブ光に加えて励起光を試料表面に照射するという点にある。励起光により生成されたキャリアは、その遮蔽効果により試料の内部電場を微小変化させる。一般に、内部電場変化に伴い、試料の光学定数も変化する。ＰＲ分光法は、光学定数における微小変化を変調反射率として計測する分光技術である。検出されるＰＲ信号には、バンド構造が変化しない程度の内部電場しか存在しないという条件の下では、ＦＫ(Franz-Keldysh)振動と三階微分形状信号の２種類に大別できる。
【００７９】
ここで、ｅを素電荷、ｈをプランク定数、Ｆを内部電場強度、μを電子正孔換算質量として、下記の式（５）で表される電気光学定数とライフタイムブロードニングファクターΓの二つの指標を用いると、ＦＫ振動と三階微分形状信号は、それぞれ式（７）および式（８）の場合に観測される信号である。
【００８０】
【数５】
【００８１】
上記ＰＲ信号を測定するための分光装置の模式図を、図１１および図１２に示す。ＰＲ分光システムは、図４に示した反射スペクトル測定装置に対して、励起光源、変調器および変調反射信号を計測するためのロックインアンプを追加した装置形態をとる。
【００８２】
プローブ光光学系は、白色光源１１１と、集光レンズ１１２と、分光器１１３と、集光レンズ１１４などで構成される。白色光源１１１は、例えばランプなどで構成され、スペクトル計測に必要な波長を含む連続スペクトルの光を発生する。分光器１１３は、白色光源１１１からの連続スペクトルを分光して、単色光のプローブ光を出力する。プローブ光の波長は、コンピュータ１４０からの制御信号に応じて連続的に変化させることができる。分光器１１２からのプローブ光は、集光レンズ１１４によって試料Ｓ上で所望のスポット径に集光され、試料Ｓの計測エリアが規定される。
【００８３】
励起光光学系は、励起光源１２１と、励起光安定器１２２と、励起光フィルタ１２３と、変調器１２４と、集光レンズ１２５などで構成される。励起光源１２１は、例えばレーザー光源などで構成され、試料Ｓでフリーキャリア吸収が発生するように、試料Ｓのバンドギャップ波長より短い波長の励起光を発生する。励起光安定器１２２は、励起光源１２１からの励起光パワーを安定化させる。励起光フィルタ１２３は、励起光波長のみを通過させ、ノイズ光をカットするバンドパスフィルタである。変調器１２４は、所定の参照周波数信号に基づいて励起光強度を変調する。変調器１２４を通過した光は、集光レンズ１２５によってプローブ光の照射エリアとほぼ一致するように、試料Ｓ上で所望のスポット径に集光される。
【００８４】
検出光学系は、集光レンズ１３１と、光学フィルタ１３２と、信号検出器１３３などで構成される。試料Ｓからの反射光は、集光レンズ１３１によって信号検出器１３３に集められる。途中の光学フィルタ１３２は、励起光を遮蔽し、プローブ光のみを通過させるロングパスフィルタであり、必要に応じて取り外し可能である。
【００８５】
信号処理系は、図１２に示すように、電流／電圧変換器１３４と、バンドパスフィルタ回路１３５と、直流電圧計１３６と、ロックインアンプ１３７と、コンピュータ１４０と、ディスプレイ１４１などで構成される。信号検出器１３３は、光強度を電気信号に変換する機能を有し、後段の電流／電圧変換器１３４によって検出器３２からの電流信号が電圧信号に変換される。バンドパスフィルタ回路１３５は、検出信号から、反射率Ｒに相当する直流成分と変調反射率ΔＲに相当する交流成分とを抽出する。直流電圧計１３６は、検出信号の直流成分の電圧を測定し、デジタル信号に変換してコンピュータ１４０へ出力する。ロックインアンプ１３７は、変調器１２４からの参照周波数を用いて、検出信号の交流成分の中から該参照周波数と一致する周波数成分を取り出して、デジタル信号に変換してコンピュータ１４０へ出力する。コンピュータ１４０は、直流電圧計１３６からの反射率信号Ｒおよびロックインアンプ１３７からの変調反射率信号ΔＲを取り込んで、メモリ等に保存し、必要に応じて、ディスプレイ１４１上にデータを表示する。
【００８６】
ＰＲスペクトルは、図１３に示されるフローチャートに従って測定される。以下、図１３に示されたフローチャートに従い、ＰＲ分光測定手順の詳細な説明を行う。
【００８７】
試料Ｓの反射率を検出するためのプローブ光は、白色光源１１１からの光を分光器１１３に導入し、単色化することによって得られる。単色化されたプローブ光は、集光レンズ１１４を通して、試料Ｓに照射される（ステップｃ１）。一方、励起光は、変調器１２４により強度が周期的に時間変化する励起光に変換された後、試料Ｓに照射される（ステップｃ２）。
【００８８】
ＰＲ信号を検出するロックインアンプ１３７については、位相調整が必要である。位相調整を行うため、検出器前の光学フィルタ１３２を光軸から外して、試料Ｓ上で散乱された励起光が信号検出器１３３に入る状態にする。この状態で検出された信号に対して、変調器１２４から送られてきた参照周波数信号と同期するように、ロックインアンプ１３７の位相調整を行う（ステップｃ３）。位相調整後は、光学フィルタ１３２を光軸に挿入することにより散乱した励起光を遮蔽し、信号検出器１３３にはプローブ光のみが入るようにする（ステップｃ４）。
【００８９】
上記セッティングの後、データの測定に移行する。まず分光器１１３を掃引し、試料Ｓから反射されたプローブ光を信号検出器１３３で電気信号に変換する（ステップｃ５）。得られた信号は、バンドパスフィルタ回路１３５を通して、反射率Ｒに相当する直流成分と変調反射率ΔＲに相当する交流成分に分け（ステップｃ６）、それぞれ直流電圧計１３６とロックインアンプ１３７で計測する（ステップｃ７）。コンピュータ１４０は、各計測値を用いてΔＲ／Ｒを計算し、フォトンエネルギーあるいは波長の関数としてプロットすることによりＰＲスペクトルを得る（ステップｃ８）。
【００９０】
このようにして得られたＰＲスペクトルから欠陥密度を求めるためのフローチャートを、図１４に示す。まず、上述のようにしてＰＲスペクトルを測定した後（ステップｄ１）、得られたスペクトルから着目している層に起因する三階微分形状信号あるいはＦＫ振動の振幅を読み取る（ステップｄ２）。ＦＫ振動は、一般に、複数の振動からなる形状を示す。解析の際には、最も信号対雑音比の良い振動、通常、最も大きい振幅を示す振動を選ぶことで、解析から得られた値の精度を確保することができる。振幅が最大となる振動は、着目層のバンドギャップエネルギー近傍の振動である。従って、この振動から振幅を読み取るのが最適である。このＦＫ振動および三階微分形状信号の振幅を、以下では特に断らない限り、単にＰＲ信号強度と呼ぶことにする。
【００９１】
最後に、得られたＰＲ信号強度から、欠陥密度を求める手順に移る（ステップｄ３）。前にも述べたように得られたスペクトルは、着目層の状態(結晶性、等)に依存して、着目層に起因するＦＫ振動の振幅が変化する。そこでまずあらかじめ欠陥密度の分かっている標準試料のＰＲ測定を行い、横軸を欠陥密度、縦軸をＰＲ信号強度とした換算曲線(図１５)を準備しておく。この換算曲線を基にして、評価の対象となっている試料のＰＲ信号強度と検量線とを比較することにより、欠陥密度を求めることができる。
【００９２】
実施の形態６．
上で述べたＰＲ分光法は、変調反射分光法の中でも最も広く利用されている。しかしながら、実際には、ＰＲ分光法を適用できない場合も存在する。例えば、試料を励起できる光源がないというケースである。加えて、励起光照射により試料が強い発光特性を示す場合、発光成分が外乱成分として働くため、本来のＰＲスペクトルを得られない。こうした場合に適用できる変調反射分光法として、ＣＥＲ(Contactless electroreflectance)分光法（非接触電場変調反射分光法）が存在する。ＣＥＲ分光測定装置の概略図を図１６に示す。なお、信号処理系は、図１２に示した構成がそのまま使用できるため、図示を省略している。
【００９３】
プローブ光光学系は、白色光源２１１と、集光レンズ２１２と、分光器２１３と、集光レンズ２１４などで構成される。白色光源２１１は、例えばランプなどで構成され、スペクトル計測に必要な波長を含む連続スペクトルの光を発生する。分光器２１３は、白色光源２１１からの連続スペクトルを分光して、単色光のプローブ光を出力する。プローブ光の波長は、図１２に示したコンピュータ１４０からの制御信号に応じて連続的に変化させることができる。分光器１１２からのプローブ光は、集光レンズ２１４によって試料Ｓ上で所望のスポット径に集光され、試料Ｓの計測エリアが規定される。
【００９４】
電場印加回路は、所定の参照周波数を持つ交流電圧を発生する交流電源２２１と、試料Ｓを挟むように配置された一対の電極２２２，２２３などで構成される。試料Ｓの光入射側に配置された電極２２２は、一般には透明電極と呼ばれ、プローブ光を透過可能な電極材料で形成されており、交流電源２２１の一方の端子に電気接続される。交流電源２２１の他方の端子は接地される。試料Ｓの裏面に配置された電極２２３も試料台を通じて接地される。
【００９５】
検出光学系は、集光レンズ２３１と、信号検出器２３２などで構成される。試料Ｓからの反射光は、集光レンズ２３１によって信号検出器２３２に集められる。信号検出器２３２から検出信号は、図１２に示した信号処理系に送られる。
【００９６】
ＣＥＲ分光測定の際、試料Ｓを挟む二つの電極２２２，２２３の間に交流電場を印加すると、試料Ｓの内部に電場変調が引き起こされる。この電場変調によって生じる光学反射率変調は、プローブ光を介して検出される。得られる変調反射率は、ＰＲ信号と等価なため、ＣＥＲスペクトルの解析・欠陥密度の算出フローは、図１４のフローチャートと同様であり、これを図１７に示す。
【００９７】
まずＣＥＲ分光測定の手順に関して、試料Ｓの反射率を検出するためのプローブ光は、白色光源２１１からの光を分光器２１３に導入し、単色化することによって得られる。単色化されたプローブ光は、集光レンズ２１４を通して、試料Ｓに照射される。一方、試料Ｓには、一対の電極２２２，２２３を介して交流電場が印加され、試料Ｓからの反射光が変調される。この状態で信号検出器２３２から検出信号に対して、交流電源２２１から送られてきた参照周波数信号と同期するように、ロックインアンプ１３７の位相調整を行う。
【００９８】
上記セッティングの後、データの測定に移行する。まず分光器２１３を掃引し、試料Ｓから反射されたプローブ光を信号検出器２３２で電気信号に変換する。得られた信号は、バンドパスフィルタ回路１３５を通して、反射率Ｒに相当する直流成分と変調反射率ΔＲに相当する交流成分に分け、それぞれ直流電圧計１３６とロックインアンプ１３７で計測する。コンピュータ１４０は、各計測値を用いてΔＲ／Ｒを計算し、フォトンエネルギーあるいは波長の関数としてプロットすることによりＣＥＲスペクトルを得る。
【００９９】
次に、上述のようにしてＣＥＲスペクトルを測定した後（ステップｅ１）、得られたスペクトルから着目している層に起因する三階微分形状信号あるいはＦＫ振動の振幅を読み取る（ステップｅ２）。ＦＫ振動は、一般に、複数の振動からなる形状を示す。解析の際には、最も信号対雑音比の良い振動、通常、最も大きい振幅を示す振動を選ぶことで、解析から得られた値の精度を確保することができる。振幅が最大となる振動は、着目層のバンドギャップエネルギー近傍の振動である。従って、この振動から振幅を読み取るのが最適である。このＦＫ振動および三階微分形状信号の振幅を、以下では特に断らない限り、単にＣＥＲ信号強度と呼ぶことにする。
【０１００】
最後に、得られたＣＥＲ信号強度から、欠陥密度を求める手順に移る（ステップｅ３）。前にも述べたように得られたスペクトルは、着目層の状態(結晶性、等)に依存して、着目層に起因するＦＫ振動の振幅が変化する。そこでまずあらかじめ欠陥密度の分かっている標準試料のＣＥＲ測定を行い、横軸を欠陥密度、縦軸をＣＥＲ信号強度とした換算曲線を準備しておく。この換算曲線を基にして、評価の対象となっている試料のＣＥＲ信号強度と検量線とを比較することにより、欠陥密度を求めることができる。
【０１０１】
実施の形態７．
上記ＣＥＲ分光法では、測定に用いるプローブ光に対して透明な電極が必須となる。ところが紫外光領域では、透明電極を得られない場合が存在する。実用的な電子デバイス用透明導電膜として最も普及しているＩｎ２Ｏ３系透明導電膜の一種であるＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ）は、母体結晶のバンドギャップエネルギーが室温で３．７５ｅＶであり、可視光域でのみ透過性を有する。同様にＺｎＯ系およびＳｎＯ２系透明導電膜の場合、それぞれの母体結晶のバンドギャップエネルギーは３．４４ｅＶおよび３．７０ｅＶである。従って、上記透明電極より大きいバンドギャップエネルギーをもつ物質で構成される多層膜構造に対しては、ＣＥＲ分光法を適用できない。
【０１０２】
ＣＥＲ分光法およびＰＲ分光法が適用できない試料であっても、それらが圧電性物質で構成されている場合、ＰＺＲ(piezoreflectance)分光法（ピエゾ変調反射分光法）と呼ばれる応力／電場変調反射分光法の一種を適用することにより変調反射スペクトルを測定することができる。
【０１０３】
ＰＺＲ分光装置の概略図を図１８に示す。なお、信号処理系は、図１２に示した構成がそのまま使用できるため、図示を省略している。
【０１０４】
プローブ光光学系は、白色光源３１１と、集光レンズ３１２と、分光器３１３と、集光レンズ３１４などで構成される。白色光源３１１は、例えばランプなどで構成され、スペクトル計測に必要な波長を含む連続スペクトルの光を発生する。分光器３１３は、白色光源３１１からの連続スペクトルを分光して、単色光のプローブ光を出力する。プローブ光の波長は、図１２に示したコンピュータ１４０からの制御信号に応じて連続的に変化させることができる。分光器３１２からのプローブ光は、集光レンズ３１４によって試料Ｓ上で所望のスポット径に集光され、試料Ｓの計測エリアが規定される。
【０１０５】
応力印加回路は、所定の参照周波数を持つ交流電圧を発生する交流電源３２１と、この交流電圧によって駆動される圧電素子３２２などで構成される。
【０１０６】
検出光学系は、集光レンズ３３１と、信号検出器３３２などで構成される。試料Ｓからの反射光は、集光レンズ３３１によって信号検出器３３２に集められる。信号検出器３３２から検出信号は、図１２に示した信号処理系に送られる。
【０１０７】
ＰＺＲ分光法では、試料Ｓの裏面に取り付けられた圧電素子３２２によりストレスを発生させ、試料Ｓに周期的な内部歪を誘起する。圧電性試料の場合、この周期的なストレスに応じて、ピエゾ電場が発生し、内部電場変調が生じる。この電場変調によって生じる光学反射率変調は、上記変調反射分光法と同様に、プローブ光を介して検出される。ＣＥＲ分光法と同じく、得られる変調反射率は、ＰＲ信号と等価なため、ＰＺＲスペクトルの解析・欠陥密度の算出フローは、図１４のフローチャートと同様であり、これを図１９に示す。
【０１０８】
まずＰＺＲ分光測定の手順に関して、試料Ｓの反射率を検出するためのプローブ光は、白色光源３１１からの光を分光器３１３に導入し、単色化することによって得られる。単色化されたプローブ光は、集光レンズ３１４を通して、試料Ｓに照射される。一方、試料Ｓには、圧電素子３２２によって周期的な応力が印加され、試料Ｓからの反射光が変調される。この状態で信号検出器３３２から検出信号に対して、交流電源３２１から送られてきた参照周波数信号と同期するように、ロックインアンプ１３７の位相調整を行う。
【０１０９】
上記セッティングの後、データの測定に移行する。まず分光器３１３を掃引し、試料Ｓから反射されたプローブ光を信号検出器３３２で電気信号に変換する。得られた信号は、バンドパスフィルタ回路１３５を通して、反射率Ｒに相当する直流成分と変調反射率ΔＲに相当する交流成分に分け、それぞれ直流電圧計１３６とロックインアンプ１３７で計測する。コンピュータ１４０は、各計測値を用いてΔＲ／Ｒを計算し、フォトンエネルギーあるいは波長の関数としてプロットすることによりＰＺＲスペクトルを得る。
【０１１０】
次に、上述のようにしてＰＺＲスペクトルを測定した後（ステップｆ１）、得られたスペクトルから着目している層に起因する三階微分形状信号あるいはＦＫ振動の振幅を読み取る（ステップｆ２）。ＦＫ振動は、一般に、複数の振動からなる形状を示す。解析の際には、最も信号対雑音比の良い振動、通常、最も大きい振幅を示す振動を選ぶことで、解析から得られた値の精度を確保することができる。振幅が最大となる振動は、着目層のバンドギャップエネルギー近傍の振動である。従って、この振動から振幅を読み取るのが最適である。このＦＫ振動および三階微分形状信号の振幅を、以下では特に断らない限り、単にＰＺＲ信号強度と呼ぶことにする。
【０１１１】
最後に、得られたＰＺＲ信号強度から、欠陥密度を求める手順に移る（ステップｆ３）。前にも述べたように得られたスペクトルは、着目層の状態(結晶性、等)に依存して、着目層に起因するＦＫ振動の振幅が変化する。そこでまずあらかじめ欠陥密度の分かっている標準試料のＰＺＲ測定を行い、横軸を欠陥密度、縦軸をＰＺＲ信号強度とした換算曲線を準備しておく。この換算曲線を基にして、評価の対象となっている試料のＰＺＲ信号強度と検量線とを比較することにより、欠陥密度を求めることができる。
【０１１２】
次に、以上で述べた変調反射分光法の表面モフォロジー解析への適用可否を議論する。ここではＰＲ分光法を用いた欠陥密度推定の実施例を示す。図２０（ａ）〜図２０（ｃ）は、評価対象とした３種類のサファイア基板上にそれぞれ成長したＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ＧａＮヘテロ構造を持つ試料Ａ，Ｂ，Ｃを観察した表面ＡＦＭ像を示す。なお、ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層の各厚さは全ての試料で同じである。
【０１１３】
図２０（ａ）に示す試料ＡのＡＦＭ像は、ＡｌＧａＮ表面に多数のクラックが存在していることが判る。こうしたクラックは、図２０（ｂ）に示す試料Ｂおよび図２０（ｃ）に示すＣではほとんど観測されていない。ただし、試料ＢのＡＦＭ像では、多数のピットが検出されている。一般に、このピットは、貫通転位を伴っており、その形成の際には、貫通転位周辺に集まった不純物が引き金になっていると考えられている。
【０１１４】
図２１は、室温で測定した試料Ａ，Ｂ，ＣのＰＲスペクトルを示している。縦軸は変調反射率ΔＲを反射率Ｒで除算したΔＲ／Ｒであり、横軸はフォトンエネルギーである。フォトンエネルギー３．４ｅＶに現れている特徴的なスペクトル構造は、その位置がＧａＮのバンドギャップエネルギーとほぼ等しいので、ＧａＮ層に起因する信号に帰属される。従って、フォトンエネルギー３．８ｅＶから連なる振動構造は、ＡｌＧａＮ層のＦＫ振動に帰属される。
【０１１５】
ＡｌＧａＮ層に起因するＦＫ振動の振幅は、試料Ｃ，Ｂ，Ａの順に縮小するが、これは図２０に示した表面モフォロジーの劣化と対応している。従って、ＦＫ振動の振幅解析を、表面モフォロジー定量化の一手段として適用可能であると結論できる。
【０１１６】
なお、先に述べた反射分光測定による表面モフォロジー解析では、ＡｌＧａＮ層表面におけるピットの有無に対する有意な差は小さかったが、ＰＲ分光法を用いた表面モフォロジー解析は、通常の反射スペクトル測定より高感度な評価方法であることが判る。欠陥密度があらかじめ分かっている複数の標準試料に対してＰＲ分光測定を行い、ＰＲ信号強度を欠陥密度に対してプロットすることによって得られる換算曲線を準備すれば、評価対象としている試料のＰＲ信号強度から欠陥密度を推定することが可能となるのは明らかである。
【０１１７】
最後に、本明細書で述べた光学的反射およびＰＲスペクトル測定が、従来用いられてきた結晶評価技術と比較して、表面モフォロジーに対しより高感度であることを説明する。
【０１１８】
図２２は、ＧａＮ（０００４）反射のブラッグ角近傍における試料Ａ，Ｂ，Ｃのω−２θのＸ線回折スペクトルを示している。縦軸はＸ線回折強度（対数表示、任意単位）であり、横軸は回折角２θ（ａｒｃｓｅｃ）である。破線の位置は、計算によって求められたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（０００４）反射のブラッグ角に相当する。なお、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（０００４）反射のブラッグ角の計算では、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層がＧａＮ層に対して擬似格子整合(pseudomorphic)に成長していると仮定した。
【０１１９】
破線の位置とX線回折パターンとの比較から、３１００（ａｒｃｓｅｃ）近傍のピーク構造は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（０００４）反射に帰属される。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（０００４）反射のピーク位置は、試料によって若干異なる。これは各試料のＡｌＧａＮ層組成比がお互いわずかにずれていることを示している。このピーク位置の違いを除き、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（０００４）反射Ｘ線回折パターンは、反射およびＰＲスペクトルの場合と異なり、その形状がＡｌＧａＮ表面モフォロジーに対してほとんど依存しない。このことから反射スペクトル測定およびＰＲスペクトル測定の方が表面モフォロジーの評価に対してより適していると結論付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明に係る表面検査方法の一例を示すフローチャートである。
【図２】典型的な検査試料を示す断面図である。
【図３】窒化物半導体の反射率スペクトルの一例を示すグラフである。
【図４】本発明に係る表面検査装置の一例を示すブロック図である。
【図５】本発明に係る表面検査装置の他の例を示すブロック図である。
【図６】反射光の光路補正機構の一例を示す構成図である。
【図７】光路補正機構の動作を示すフローチャートである。
【図８】図８（ａ）（ｂ）は、図２に示すＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴエピタキシャル構造をＡＦＭで観察した像をそれぞれ示す写真である。
【図９】試料Ａ、Ｂの光学反射スペクトルを示すグラフである。
【図１０】図１０（ａ）（ｂ）は、図９に示す試料Ａ，Ｂの光学反射スペクトルをフィッティングした結果をそれぞれ示すグラフである。
【図１１】ＰＲ分光法装置の一例を示す構成図である。
【図１２】ＰＲ分光法装置の一例を示す構成図である。
【図１３】ＰＲ分光測定手順の一例を示すフローチャートである。
【図１４】ＰＲスペクトルから欠陥密度を求める手順の一例を示すフローチャートである。
【図１５】欠陥密度とＰＲ信号強度の関係を示す換算曲線である。
【図１６】ＣＥＲ分光測定装置の一例を示す構成図である。
【図１７】ＣＥＲスペクトルから欠陥密度を求める手順の一例を示すフローチャートである。
【図１８】ＰＺＲ分光装置の一例を示す構成図である。
【図１９】ＰＺＲスペクトルから欠陥密度を求める手順の一例を示すフローチャートである。
【図２０】３種類のサファイア基板上にそれぞれ成長したＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を持つ試料Ａ，Ｂ，Ｃを観察した表面ＡＦＭ像である。
【図２１】図２０（ａ）〜図２０（ｃ）に示す試料Ａ，Ｂ，ＣのＰＲスペクトルである。
【図２２】図２０（ａ）〜図２０（ｃ）に示す試料Ａ，Ｂ，Ｃのω−２θのＸ線回折スペクトルである。
【符号の説明】
【０１２１】
１１ 光源、 １２ 分光器、 １３ 集光レンズ、 ２１ 試料台、
２２ 調整機構、 ３１ 集光レンズ、 ３２ 検出器、 ３３ 電流アンプ、
３４ 電圧計、 ３５ 分光器、 ３６ マルチチャンネル検出器、
３７コントローラ、 ３８ 分割光学素子、 ３９ 光位置検出器、
４０ 差動アンプ、 ５０ コンピュータ、 ５１ ディスプレイ、
１１１，２１１，３１１ 白色光源、 １１２，１１４，１２５，１３１，２１２，２１４，２３１，３１２，３１４，３３１ 集光レンズ、
１１３，２１３，３１３ 分光器、 １２１ 励起光源、 １２２ 励起光安定器、
１２３ 励起光フィルタ、 １２４ 変調器、 １３２ 光学フィルタ、
１３３，２３２，３３２ 信号検出器、 １３４ 電流／電圧変換器、
１３５ バンドパスフィルタ回路、 １３６ 直流電圧計、
１３７ ロックインアンプ、 １４０ コンピュータ、 １４１ ディスプレイ、
２２１，３２１ 交流電源、 ２２２，２２３ 電極、 ３２２ 圧電素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された半導体層の検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムＧａＮ、窒化アルミニウムＡｌＮ、窒化インジウムＩｎＮなど、組成式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）で表現される混晶の総称である窒化物半導体は、一般に機械的に堅牢でかつ化学的にも安定であり、熱伝導率も高く放熱性に優れている。こうした窒化物半導体を用いた半導体素子、例えば、ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層を組み合わせた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：high electron mobility transistor）やＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層を組み合わせたレーザダイオード（ＬＤ：laser diode）は、高出力素子として期待されている。
【０００３】
一方、窒化物半導体の融点は非常に高い。例えば、ＡｌＮの融点は３２７３Ｋ（ケルビン）、ＧａＮの融点は２０００Ｋ以上、ＩｎＮの融点は１３７３Ｋである（文献：酒井士郎、ＩＩＩ族窒化物半導体、赤崎勇編、第１章、培風館、１９９９年）。そのため、高い結晶性を有する窒化物半導体層の成長は比較的困難である。事実、成長条件の微妙な違いによって、窒化物半導体層の表面にｎｍオーダーのクラックが発生することが知られている。こうしたクラックは、ＨＥＭＴ素子でのゲートリーク電流の増大やパルス応答特性の劣化をもたらす要因となる。従って、クラック密度の定量的評価は、窒化物半導体素子の製造において極めて重要である。
【０００４】
従来、クラック密度などの表面状態の定量的評価は、主に原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：atomic force microscope）を用いて行われてきた。ＡＦＭは、カンチレバーの先端に固定された探針と試料表面の原子との間の原子間力に応じてカンチレバーが変位する際、カンチレバーからの反射光を計測することによってカンチレバーの変位を測定する。そして、カンチレバーまたは試料を走査して、探針の変位が一定になるようにカンチレバーまたは試料を上下方向に移動させる。その際の制御信号を画像に変換することによって、試料の表面状態（凹凸の様子）を原子オーダーで測定することができる。
【０００５】
こうしたＡＦＭには表面状態を直接に評価できるという利点があるが、データ取得時のスループットが低く、ＡＦＭ装置自体も極めて高価であり、量産ラインへの導入には不向きである。
【０００６】
その他、表面状態を直接に評価できる手法として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：scanning tunneling microscope）、ケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ：Kelvin force microscope）が知られているが、いずれもＡＦＭと同じような問題点がある。
【０００７】
従って、比較的簡単な構成で、半導体層の表面状態を短時間で敏感に測定できる手法が要望されている。
【０００８】
半導体層で発生するクラックは、表面の結晶性に大きな影響を与える。それゆえ半導体層の物理的パラメータの中で、結晶性に対して比較的敏感なパラメータを測定することによって、半導体層の表面状態を間接的に評価することが可能である。
【０００９】
こうした結晶性に対して敏感なパラメータの中で一般に利用されているパラメータは、Ｘ線回折パターンの半値幅である。この半値幅は、半導体層の結晶性が低下するにつれて大きくなる性質があり、測定も比較的容易であることから、種々の半導体層を成膜させる前のバルク結晶の段階で結晶性評価によく利用されている。
【００１０】
しかしながら、Ｘ線回折パターンは結晶表面だけでなく結晶内部の状態も反映してしまうことから、その半値幅の変化は結晶内部の状態変化に大きく左右され、結晶表面の状態変化に対してそれほど敏感ではない。
【００１１】
【特許文献１】特開平２−３０７０４６号公報
【特許文献２】特開平７−９２２３６号公報
【特許文献３】特開２００３−２２４１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のようにＸ線回折パターンの半値幅は、結晶表面だけでなく結晶内部の状態変化を反映した物理量であることから、結晶表面の状態のみを評価するのには不向きである。また、異なる組成を有する複数の半導体層が基板上に積層されている場合、Ｘ線回折パターンは全ての半導体層の結晶状態および基板の結晶状態を反映してしまうことから、特定の半導体層に関する情報のみを峻別することが困難である。
【００１３】
本発明の目的は、半導体層の表面状態を短時間で精度良く測定できる半導体層の検査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る半導体層の検査方法は、基板上に形成された半導体層に光を照射するステップと、
該半導体層の物理的特性が変化するように、該半導体層に対して所定周波数の変調を印加するステップと、
該半導体層からの反射光を検出するステップと、
検出した反射光信号の中から変調周波数の成分を取り出すステップと、
照射光の波長を変化させて、半導体層で発生する励起子に特有な反射スペクトルを計測するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光照射によって半導体層で発生する励起子に特有な反射スペクトルを計測する。クラック等の結晶欠陥が少ないと、得られる励起子スペクトルが急峻になり、一方、結晶欠陥が多くなると、励起子スペクトルはブロードになる。従って、励起子スペクトルのブロードニングファクターを解析することによって、半導体層の表面状態を評価することができる。
【００１６】
従って、本発明は光学スペクトル解析手法を用いることから、従来のＡＦＭ観察法やＸ線回折パターン法と比べて、データ取得時のスループットが高く、検査装置自体も比較的簡単な構成で済み、量産ラインへの導入も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る表面検査方法の一例を示すフローチャートである。ここでは、典型的な検査試料として、図２に示すように、基板１の上に、順次、緩衝層２、アンドープＧａＮ層３、アンドープＡｌＧａＮ層４が形成されたＨＥＭＴエピタキシャル構造を有する窒化物半導体素子を用いた例について説明する。
【００１８】
まず、図１のステップａ１において、試料の最上層に位置するアンドープＡｌＧａＮ層４の表面に対してプローブ光を照射する。次に、ステップａ２において、光照射によってアンドープＡｌＧａＮ層４で発生する励起子に特有な光学反射スペクトルを計測する。
【００１９】
反射スペクトル計測方法は、ａ）プローブ光として単色光を使用し、プローブ光の波長を変化させながら、試料からの反射光の強度変化を計測する方法、ｂ）プローブ光として連続スペクトルの光を使用し、試料からの反射光を分光して反射スペクトルを計測する方法、などが採用できる。
【００２０】
反射率の較正は、以下の手順で行われる。まず、既知の反射率Ｒｒｅｆ（λ）を持つ参照試料、例えば、金属コートミラーを用いて、波長λに関する反射光強度Ｉｒｅｆ（λ）を測定する。次に、検査試料について、波長λに関する反射光強度Ｉｓａｍｐｌｅ（λ）を測定する。そして、反射率＝（試料表面で反射した光の強度）／（試料表面に入射した光の強度）の定義により、（試料表面に入射した光の強度）は、Ｉｒｅｆ（λ）／Ｒｒｅｆ（λ）で与えられる。従って、検査試料の反射率Ｒｓａｍｐｌｅ（λ）は、次式（１）で表される。
【００２１】
【数１】
【００２２】
ここで、Ｒｒｅｆ（λ）は既知であり、Ｉｒｅｆ（λ）およびＩｓａｍｐｌｅ（λ）は実測によって得られることから、コンピュータ等を用いた計算により、検査試料の反射率Ｒｓａｍｐｌｅ（λ）を得ることができる。
【００２３】
次に、図１のステップａ３において、検査試料の反射率スペクトルＲｓａｍｐｌｅ（λ）のブロードニングファクターを解析する。
【００２４】
ここで励起子とは、絶縁材料や半導体材料に発生する電子・正孔対の一種であり、特に、窒化物半導体では室温で安定であることが知られている。励起子は、固体内における一種の素励起であり、そのエネルギーに相当するフォトンエネルギー近傍での光学スペクトルにおいて特徴的な構造が見られる。もし試料表面に不均一性が存在すれば、励起子に特有なスペクトルは幅広になり、このスペクトル幅はブロードニングファクターを用いて定量化することができる。
【００２５】
試料の不均一性がガウス分布に従うと仮定すれば、アンドープＡｌＧａＮ層４の屈折率ｎＡｌＧａＮ（λ）は、現象論的に次式（２）で定義することが可能である。
【００２６】
【数２】
【００２７】
この式（２）は、任意の表面状態における屈折率関数を、材料固有の屈折率関数（ここでは、ｎＡｌＧａＮ（λ）に相当）と分布関数（ここでは、ガウス分布）との重畳による計算モデルで表現したものである。この計算モデルにおいて、ガウス分布の標準偏差σがブロードニングファクターに相当するパラメータである。
【００２８】
次に、試料の屈折率ｎ（λ）が与えられれば、例えば、伝達マトリックス法などの種々の反射スペクトル計算モデルを用いて、反射率スペクトルＲ（λ）は簡単に求めることができる。簡単な例として、アンドープＧａＮ層３が充分に厚く、アンドープＡｌＧａＮ層４内での干渉効果のみを考慮すれば足りる場合、アンドープＡｌＧａＮ層４での励起子エネルギー近傍における反射率スペクトルは、次式（３）で表される。
【００２９】
【数３】
【００３０】
ここで、ｎＡｉｒ（＝１）とｎＧａＮは、それぞれ空気とＧａＮの屈折率である。物理量δは、干渉を引き起こす２つの光、即ち、アンドープＡｌＧａＮ層４の最上面で反射した光とＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面で反射した光との間の位相差であり、次式（４）で表される。
【００３１】
【数４】
【００３２】
そこで、上記式（２）とこれまでに知られている式（３）（４）を用いて、反射スペクトルを解析することにより、ブロードニングファクターを抽出することができる。
【００３３】
次に、図１のステップａ４において、抽出したブロードニングファクターに基づいて、アンドープＡｌＧａＮ層４の表面状態を評価する。式（２）の計算モデルを用いた場合、励起子スペクトルが幅広になるほど、ブロードニングファクターとしての標準偏差σは大きくなり、アンドープＡｌＧａＮ層４の表面状態はより不均一であると判断できる。一方、励起子スペクトルが急峻になるほど、ブロードニングファクターとしての標準偏差σは小さくなり、アンドープＡｌＧａＮ層４の表面状態はより均一であると判断できる。
【００３４】
図３は、窒化物半導体の反射率スペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は反射率（％）で、横軸は波長（ｎｍ）である。実線は表面クラック無しの試料を示し、破線は表面クラック有りの試料を示す。
【００３５】
励起子スペクトル中心は約３２０ｎｍ付近であり、実線のスペクトルを基準として、破線のスペクトルはより幅広に現れている。各スペクトルのブロードニングファクターは、上述した式（２）〜（４）を用いてコンピュータ等で数値計算することが可能である。従って、得られたブロードニングファクターを用いて、試料の表面状態を定量的に評価することが可能である。
【００３６】
以上の説明では、検査試料として、窒化物半導体ＨＥＭＴ素子を例示したが、その他の絶縁材料や半導体材料、例えば、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ等を用いたトランジスタ素子、発光素子、受光素子などについても本発明は適用可能である。この場合、材料に固有の励起子スペクトルに応じて、照射する光の波長を適宜選択すればよい。
【００３７】
また本発明では、検査試料として、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなど、組成式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）で表現される混晶の総称である窒化物半導体を用いることが好ましい。その理由は、窒化物半導体はエネルギーバンドギャップが大きく、励起子は室温で安定に存在するため、励起子スペクトルが明瞭となり、表面状態を精度良く評価できるからである。
【００３８】
また本実施形態では、試料の励起子スペクトルを反射光学系で計測する方法を説明したが、試料がプローブ光の侵入長に比べ十分薄く、かつ基板がプローブ光に対して透明である場合には、透過光学系を用いて励起子スペクトルを計測することも可能である。
【００３９】
実施の形態２．
図４は、本発明に係る表面検査装置の一例を示すブロック図である。表面検査装置は、光源１１と、分光器１２と、試料台２１と、検出器３２と、コンピュータ５０などで構成される。
【００４０】
光源１１は、スペクトル計測に必要な波長を含む連続スペクトルの光を発生する。分光器１２は、光源１１からの連続スペクトルを分光して、単色光のプローブ光を出力する。プローブ光の波長は、コンピュータ５０からの制御信号に応じて連続的に変化させることができる。分光器１２からのプローブ光は、集光レンズ１３によって試料Ｓ上で所望のスポット径に集光され、試料Ｓの計測エリアが規定される。
【００４１】
試料台２１は、試料Ｓを保持するものであり、調整機構２２によって試料Ｓの３次元位置（ＸＹＺ方向）または３次元角度（ピッチ、ヨー、ロール）が調整可能である。調整機構２２は、手動で動作するタイプでもよく、コンピュータ５０からの制御信号に応じて動作するタイプでもよい。
【００４２】
試料Ｓからの反射光は、集光レンズ３１によって検出器３２に集められる。検出器３２は、光強度を電気信号に変換する機能を有し、後段の電流アンプ３３によって検出器３２からの電流信号が電圧信号に変換され、次段の電圧計３４によってデジタル化された検出信号に変換される。
【００４３】
コンピュータ５０は、電圧計３４からの検出信号を取り込んで、メモリ等に保存し、必要に応じて、ディスプレイ５１上にデータを表示する。
【００４４】
こうした表面検査装置は、図１に示したフローチャートに従って動作する。まず、試料Ｓ、例えば、図２に示す窒化物半導体素子を試料台２１に固定する。次に、コンピュータ５０は、分光器１２に向けて制御信号（例えば、スキャン開始波長、スキャン終了波長、スキャン速度など）を送信して、スペクトル計測を開始する。
【００４５】
試料Ｓでは、プローブ光の波長に応じて光の吸収や反射、干渉などの現象が発生する。本発明では、光照射によって発生する励起子に特有な光学反射スペクトルの変化に着目している。
【００４６】
コンピュータ５０は、スペクトル計測中に出力される検出信号を取り込んで、メモリ等に保存し、計測終了後、上述した式（３）（４）を用いて、検出信号を反射率スペクトルに変換し、必要に応じてディスプレイ５１上に表示する。さらに、式（２）を適用して、試料Ｓの反射率スペクトルを解析することによって、励起子スペクトルのブロードニングファクターを抽出する。
【００４７】
コンピュータ５０には、表面状態（例えば、クラック密度）と励起子スペクトルのブロードニングファクターとの関係が既知である標準試料に関するデータが予め保存されている。従って、標準試料のブロードニングファクターを基準として、今回計測した試料Ｓのブロードニングファクターを比較することによって、試料Ｓの表面状態を定量的に評価することができる。
【００４８】
続いて、試料Ｓの計測エリアを変更する場合、調整機構２２を動作させて試料Ｓを移動し、プローブ光の照射位置を変更する。そして、上述と同様な手順に従って、スペクトル計測、解析を実施する。こうした試料Ｓの面内走査とスペクトル計測を繰り返すことによって、試料Ｓの表面全体での欠陥分布を評価することが可能になる。
【００４９】
実施の形態３．
図５は、本発明に係る表面検査装置の他の例を示すブロック図である。表面検査装置は、光源１１と、試料台２１と、分光器３５と、マルチチャンネル検出器３６と、コンピュータ５０などで構成される。
【００５０】
光源１１は、スペクトル計測に必要な波長を含む連続スペクトルのプローブ光を発生する。プローブ光は、集光レンズ１３によって試料Ｓ上で所望のスポット径に集光され、試料Ｓの計測エリアが規定される。
【００５１】
試料台２１は、試料Ｓを保持するものであり、調整機構２２によって試料Ｓの３次元位置（ＸＹＺ方向）または３次元角度（ピッチ、ヨー、ロール）が調整可能である。調整機構２２は、手動で動作するタイプでもよく、コンピュータ５０からの制御信号に応じて動作するタイプでもよい。
【００５２】
試料Ｓからの反射光は、集光レンズ３１によって分光器３５に集められ、さらにマルチチャンネル検出器３６に入力される。分光器３５は、回折格子やプリズム等で構成され、連続スペクトル光を波長別に空間的に分解する機能を有する。マルチチャンネル検出器３６は、多数の受光面が直線上に配列されたリニアアレイ等で構成され、分光器３５によって空間分解された光の強度分布を検出する。従って、マルチチャンネル検出器３６を用いた場合、波長スキャンが不要になるため、スペクトル計測の高速化が図られる。
【００５３】
コントローラ３７は、マルチチャンネル検出器３６からの出力信号を処理して、コンピュータ５０へ検出信号として出力する。
【００５４】
コンピュータ５０は、コントローラ３７からの検出信号を取り込んで、メモリ等に保存し、必要に応じて、ディスプレイ５１上にデータを表示する。
【００５５】
こうした表面検査装置は、図１に示したフローチャートに従って動作する。まず、試料Ｓ、例えば、図２に示す窒化物半導体素子を試料台２１に固定する。次に、光源１１からのプローブ光を試料Ｓに向けて照射すると、マルチチャンネル検出器３６は、試料Ｓからの反射スペクトルを出力する。
【００５６】
コンピュータ５０は、マルチチャンネル検出器３６からの検出信号を取り込んで、メモリ等に保存し、計測終了後、上述した式（３）（４）を用いて、検出信号を反射率スペクトルに変換し、必要に応じてディスプレイ５１上に表示する。さらに、式（２）を適用して、試料Ｓの反射率スペクトルを解析することによって、励起子スペクトルのブロードニングファクターを抽出する。
【００５７】
コンピュータ５０には、表面状態（例えば、クラック密度）と励起子スペクトルのブロードニングファクターとの関係が既知である標準試料に関するデータが予め保存されている。従って、標準試料のブロードニングファクターを基準として、今回計測した試料Ｓのブロードニングファクターを比較することによって、試料Ｓの表面状態を定量的に評価することができる。
【００５８】
続いて、試料Ｓの計測エリアを変更する場合、調整機構２２を動作させて試料Ｓを移動し、プローブ光の照射位置を変更する。そして、上述と同様な手順に従って、スペクトル計測、解析を実施する。こうした試料Ｓの面内走査とスペクトル計測を繰り返すことによって、試料Ｓの表面全体での欠陥分布を評価することが可能になる。
【００５９】
実施の形態４．
図６は、反射光の光路補正機構の一例を示す構成図である。この光路補正機構は、図４および図５に示す表面検査装置に適用可能である。
【００６０】
光路検出装置は、分割光学素子３８と、光位置検出器３９と、差動アンプ４０などで構成される。
【００６１】
分割光学素子３８は、ビームスプリッタ等で構成され、試料Ｓからの反射光の一部を取り出す機能を有する。光位置検出器３９は、ＰＳＤ(position sensitive device)や分割型検出器で構成され、分割光学素子３８によって取り出された光の位置を検出する。ここでは、２つの受光面Ａ，Ｂが配列した２分割型検出器を用いた例を示しているが、４つの受光面がＸＹ方向に配列した４分割型検出器でも構わない。
【００６２】
差動アンプ４０は、演算増幅器等で構成され、光位置検出器３９から出力される２つの信号ＳＡ，ＳＢを差動増幅して、ＳＡ−ＳＢという差分信号を出力する。
【００６３】
こうした光路検出装置を用いることにより、試料Ｓからの反射光に対してほとんど影響を与えずに、反射光の光路ずれを高い精度で検出することができる。また、試料Ｓから分割光学素子３８を経由して光位置検出器３９に至るまでの光路長を極力長く設定することが好ましく、反射光の光路ずれに対する感度を高くすることができる。
【００６４】
光路補正機構は、上述した光路検出装置と、光路ずれに対応した差分信号に基づいて、試料台２１の３次元位置（ＸＹＺ方向）または３次元角度（ピッチ、ヨー、ロール）位置を調整するための調整機構２２などで構成される。
【００６５】
次に光路補正機構のフィードバック動作について説明する。検査試料Ｓとして、半導体層が形成されたウエハを用いた場合、ウエハの平坦性を考慮する必要がある。特に、ウエハに反りが生じている場合、面内分布データを測定している際に、反射光の光軸が変動することがある。例えば、図６の一点鎖線で示すように、反射光の本来の光路から、図６の実線で示す光路にずれてしまう。
【００６６】
特に、図５に示すマルチチャンネル測光の場合、反射光の光軸が変動すると、分光器３５への入射角度が変化して、マルチチャンネル検出器３６の受光アレイにおける光強度分布がシフトしてしまい、光学スペクトルの波長ずれが生ずる。
【００６７】
この対策として、試料Ｓの面内走査中に、上述した光路検出装置によって試料Ｓからの反射光の光路ずれを検出しつつ、調整機構２２によって光路ずれを解消するように試料台２１の位置または角度を調整することによって、ウエハの反りに起因した計測誤差を低減または解消することができる。
【００６８】
図７は、光路補正機構の動作を示すフローチャートである。まずステップｂ１において、分割光学素子３８によって試料Ｓからの反射光の一部を分割する。次にステップｂ２において、光位置検出器３９は、分割した光を受光して、光の位置を検出する。次にステップｂ３において、差動アンプ４０からの差分信号ＳＡ−ＳＢがゼロであるか否かを判定する。差分信号がゼロでない場合、ステップｂ４に移行して、差分信号がゼロになる方向に、調整機構２２が試料台２１の位置または角度を調整した後、ステップｂ２に戻って再び光位置検出と試料台の調整を繰り返す。こうしたフィードバック動作により、差分信号がゼロに収束すると、ステップｂ３からステップｂ５に移行して、試料Ｓのスペクトル計測を開始する。
【００６９】
続いて、試料Ｓの計測エリアを変更する場合、調整機構２２を動作させて試料Ｓを面内で移動し、プローブ光の照射位置を変更する。そして、図７に示す光路補正動作を行って反射光の光路ずれを解消した後、上述と同様な手順に従って、スペクトル計測、解析を実施する。こうした試料Ｓの面内走査、光路補正動作、スペクトル計測を順次繰り返すことによって、試料Ｓの表面全体での欠陥分布を評価することが可能になる。
【実施例】
【００７０】
図８（ａ）（ｂ）は、図２に示すＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴエピタキシャル構造をＡＦＭで観察した像をそれぞれ示す写真である。画像の濃淡を示すグレイスケールは、表面の凹凸の高さに対応している。なお、これらのＡＦＭ像を取得するのに要した時間は、それぞれ３０分であった。
【００７１】
図８（ａ）に示す試料Ａは、表面が平坦であり、クラックが存在しておらず、標準試料として使用できる。図８（ｂ）に示す試料Ｂは、表面に凹凸が現れており、多数のクラックが存在している。
【００７２】
図９は、試料Ａ，Ｂの光学反射スペクトルを示すグラフである。縦軸は反射率（％）で、横軸はフォトンエネルギー（ｅＶ）である。実線は表面クラック無しの試料Ａを示し、破線は表面クラック有りの試料Ｂを示す。これらのスペクトルは、図４に示した表面検査装置を用いて計測した。各スペクトルの計測に要した時間は、ＡＦＭ観察の１／１０に相当する３分であった。
【００７３】
励起子スペクトル中心は約３．８７ｅＶ（≒３２０ｎｍ）であり、クラックが存在している試料Ｂのスペクトル（実線）は、クラック無しの試料Ａのスペクトル（破線）と比べて、より強いブロードニングを示していることが判る。
【００７４】
図１０（ａ）（ｂ）は、図９に示す試料Ａ，Ｂの光学反射スペクトルをフィッティングした結果をそれぞれ示すグラフである。実線は、図９に示す反射スペクトルの実験値を示し、白丸は、上述した式（２）〜（４）を用いてコンピュータ等でフィッティングした計算値である。
【００７５】
図１０（ａ）に示す試料Ａのフィッティング曲線も、図１０（ｂ）に示す試料Ｂのフィッティング曲線も、励起子スペクトル中心付近において、実験値と非常に良く一致している。これらのフィッティング曲線についてブロードニングファクターを計算した結果、試料Ａは２５ｍｅＶ、試料Ｂは４５ｍｅＶとなった。従って、表面のクラック密度が増加するほど、ブロードニングファクターは増加することが判る。
【００７６】
このように試料の表面状態を検査する場合、励起子スペクトルのブロードニングファクターを計算することによって、従来のＡＦＭ観察法と比べて、より短時間で精度良く定量的な評価を行うことができる。
【００７７】
実施の形態５．
以上では、反射分光法に基づいた半導体表面の定量的評価方法について述べた。これは、反射スペクトルのブロードニング・ファクターを基準として表面状態を定量化する方法である。言い換えれば、スペクトル形状の鋭さを指標として、表面状態を定量化する方法である。スペクトル形状の鋭さは、その微分信号の強度に対応する。従って、反射ペクトルの微分信号、すなわち変調反射スペクトルを測定すれば、得られたスペクトルの強度を指標として表面状態を定量化できると考えられる。一般に、微分信号は、変化に対して高感度である。従って、通常の反射スペクトルでは得ることの出来ない表面状態に関する情報を抽出することが可能である。以下では、変調反射分光法に基づくこと特徴とする半導体表面の定量的評価方法について述べる。
【００７８】
変調反射分光法には、様々な種類が存在する。その中でもＰＲ(Photo reflectance)分光法（光変調反射分光法）は、非破壊非接触でかつ最も簡便な手法である。ＰＲ分光法の特徴は、反射率を検出するためのプローブ光に加えて励起光を試料表面に照射するという点にある。励起光により生成されたキャリアは、その遮蔽効果により試料の内部電場を微小変化させる。一般に、内部電場変化に伴い、試料の光学定数も変化する。ＰＲ分光法は、光学定数における微小変化を変調反射率として計測する分光技術である。検出されるＰＲ信号には、バンド構造が変化しない程度の内部電場しか存在しないという条件の下では、ＦＫ(Franz-Keldysh)振動と三階微分形状信号の２種類に大別できる。
【００７９】
ここで、ｅを素電荷、ｈをプランク定数、Ｆを内部電場強度、μを電子正孔換算質量として、下記の式（５）で表される電気光学定数とライフタイムブロードニングファクターΓの二つの指標を用いると、ＦＫ振動と三階微分形状信号は、それぞれ式（７）および式（８）の場合に観測される信号である。
【００８０】
【数５】
【００８１】
上記ＰＲ信号を測定するための分光装置の模式図を、図１１および図１２に示す。ＰＲ分光システムは、図４に示した反射スペクトル測定装置に対して、励起光源、変調器および変調反射信号を計測するためのロックインアンプを追加した装置形態をとる。
【００８２】
プローブ光光学系は、白色光源１１１と、集光レンズ１１２と、分光器１１３と、集光レンズ１１４などで構成される。白色光源１１１は、例えばランプなどで構成され、スペクトル計測に必要な波長を含む連続スペクトルの光を発生する。分光器１１３は、白色光源１１１からの連続スペクトルを分光して、単色光のプローブ光を出力する。プローブ光の波長は、コンピュータ１４０からの制御信号に応じて連続的に変化させることができる。分光器１１２からのプローブ光は、集光レンズ１１４によって試料Ｓ上で所望のスポット径に集光され、試料Ｓの計測エリアが規定される。
【００８３】
励起光光学系は、励起光源１２１と、励起光安定器１２２と、励起光フィルタ１２３と、変調器１２４と、集光レンズ１２５などで構成される。励起光源１２１は、例えばレーザー光源などで構成され、試料Ｓでフリーキャリア吸収が発生するように、試料Ｓのバンドギャップ波長より短い波長の励起光を発生する。励起光安定器１２２は、励起光源１２１からの励起光パワーを安定化させる。励起光フィルタ１２３は、励起光波長のみを通過させ、ノイズ光をカットするバンドパスフィルタである。変調器１２４は、所定の参照周波数信号に基づいて励起光強度を変調する。変調器１２４を通過した光は、集光レンズ１２５によってプローブ光の照射エリアとほぼ一致するように、試料Ｓ上で所望のスポット径に集光される。
【００８４】
検出光学系は、集光レンズ１３１と、光学フィルタ１３２と、信号検出器１３３などで構成される。試料Ｓからの反射光は、集光レンズ１３１によって信号検出器１３３に集められる。途中の光学フィルタ１３２は、励起光を遮蔽し、プローブ光のみを通過させるロングパスフィルタであり、必要に応じて取り外し可能である。
【００８５】
信号処理系は、図１２に示すように、電流／電圧変換器１３４と、バンドパスフィルタ回路１３５と、直流電圧計１３６と、ロックインアンプ１３７と、コンピュータ１４０と、ディスプレイ１４１などで構成される。信号検出器１３３は、光強度を電気信号に変換する機能を有し、後段の電流／電圧変換器１３４によって検出器３２からの電流信号が電圧信号に変換される。バンドパスフィルタ回路１３５は、検出信号から、反射率Ｒに相当する直流成分と変調反射率ΔＲに相当する交流成分とを抽出する。直流電圧計１３６は、検出信号の直流成分の電圧を測定し、デジタル信号に変換してコンピュータ１４０へ出力する。ロックインアンプ１３７は、変調器１２４からの参照周波数を用いて、検出信号の交流成分の中から該参照周波数と一致する周波数成分を取り出して、デジタル信号に変換してコンピュータ１４０へ出力する。コンピュータ１４０は、直流電圧計１３６からの反射率信号Ｒおよびロックインアンプ１３７からの変調反射率信号ΔＲを取り込んで、メモリ等に保存し、必要に応じて、ディスプレイ１４１上にデータを表示する。
【００８６】
ＰＲスペクトルは、図１３に示されるフローチャートに従って測定される。以下、図１３に示されたフローチャートに従い、ＰＲ分光測定手順の詳細な説明を行う。
【００８７】
試料Ｓの反射率を検出するためのプローブ光は、白色光源１１１からの光を分光器１１３に導入し、単色化することによって得られる。単色化されたプローブ光は、集光レンズ１１４を通して、試料Ｓに照射される（ステップｃ１）。一方、励起光は、変調器１２４により強度が周期的に時間変化する励起光に変換された後、試料Ｓに照射される（ステップｃ２）。
【００８８】
ＰＲ信号を検出するロックインアンプ１３７については、位相調整が必要である。位相調整を行うため、検出器前の光学フィルタ１３２を光軸から外して、試料Ｓ上で散乱された励起光が信号検出器１３３に入る状態にする。この状態で検出された信号に対して、変調器１２４から送られてきた参照周波数信号と同期するように、ロックインアンプ１３７の位相調整を行う（ステップｃ３）。位相調整後は、光学フィルタ１３２を光軸に挿入することにより散乱した励起光を遮蔽し、信号検出器１３３にはプローブ光のみが入るようにする（ステップｃ４）。
【００８９】
上記セッティングの後、データの測定に移行する。まず分光器１１３を掃引し、試料Ｓから反射されたプローブ光を信号検出器１３３で電気信号に変換する（ステップｃ５）。得られた信号は、バンドパスフィルタ回路１３５を通して、反射率Ｒに相当する直流成分と変調反射率ΔＲに相当する交流成分に分け（ステップｃ６）、それぞれ直流電圧計１３６とロックインアンプ１３７で計測する（ステップｃ７）。コンピュータ１４０は、各計測値を用いてΔＲ／Ｒを計算し、フォトンエネルギーあるいは波長の関数としてプロットすることによりＰＲスペクトルを得る（ステップｃ８）。
【００９０】
このようにして得られたＰＲスペクトルから欠陥密度を求めるためのフローチャートを、図１４に示す。まず、上述のようにしてＰＲスペクトルを測定した後（ステップｄ１）、得られたスペクトルから着目している層に起因する三階微分形状信号あるいはＦＫ振動の振幅を読み取る（ステップｄ２）。ＦＫ振動は、一般に、複数の振動からなる形状を示す。解析の際には、最も信号対雑音比の良い振動、通常、最も大きい振幅を示す振動を選ぶことで、解析から得られた値の精度を確保することができる。振幅が最大となる振動は、着目層のバンドギャップエネルギー近傍の振動である。従って、この振動から振幅を読み取るのが最適である。このＦＫ振動および三階微分形状信号の振幅を、以下では特に断らない限り、単にＰＲ信号強度と呼ぶことにする。
【００９１】
最後に、得られたＰＲ信号強度から、欠陥密度を求める手順に移る（ステップｄ３）。前にも述べたように得られたスペクトルは、着目層の状態(結晶性、等)に依存して、着目層に起因するＦＫ振動の振幅が変化する。そこでまずあらかじめ欠陥密度の分かっている標準試料のＰＲ測定を行い、横軸を欠陥密度、縦軸をＰＲ信号強度とした換算曲線(図１５)を準備しておく。この換算曲線を基にして、評価の対象となっている試料のＰＲ信号強度と検量線とを比較することにより、欠陥密度を求めることができる。
【００９２】
実施の形態６．
上で述べたＰＲ分光法は、変調反射分光法の中でも最も広く利用されている。しかしながら、実際には、ＰＲ分光法を適用できない場合も存在する。例えば、試料を励起できる光源がないというケースである。加えて、励起光照射により試料が強い発光特性を示す場合、発光成分が外乱成分として働くため、本来のＰＲスペクトルを得られない。こうした場合に適用できる変調反射分光法として、ＣＥＲ(Contactless electroreflectance)分光法（非接触電場変調反射分光法）が存在する。ＣＥＲ分光測定装置の概略図を図１６に示す。なお、信号処理系は、図１２に示した構成がそのまま使用できるため、図示を省略している。
【００９３】
プローブ光光学系は、白色光源２１１と、集光レンズ２１２と、分光器２１３と、集光レンズ２１４などで構成される。白色光源２１１は、例えばランプなどで構成され、スペクトル計測に必要な波長を含む連続スペクトルの光を発生する。分光器２１３は、白色光源２１１からの連続スペクトルを分光して、単色光のプローブ光を出力する。プローブ光の波長は、図１２に示したコンピュータ１４０からの制御信号に応じて連続的に変化させることができる。分光器１１２からのプローブ光は、集光レンズ２１４によって試料Ｓ上で所望のスポット径に集光され、試料Ｓの計測エリアが規定される。
【００９４】
電場印加回路は、所定の参照周波数を持つ交流電圧を発生する交流電源２２１と、試料Ｓを挟むように配置された一対の電極２２２，２２３などで構成される。試料Ｓの光入射側に配置された電極２２２は、一般には透明電極と呼ばれ、プローブ光を透過可能な電極材料で形成されており、交流電源２２１の一方の端子に電気接続される。交流電源２２１の他方の端子は接地される。試料Ｓの裏面に配置された電極２２３も試料台を通じて接地される。
【００９５】
検出光学系は、集光レンズ２３１と、信号検出器２３２などで構成される。試料Ｓからの反射光は、集光レンズ２３１によって信号検出器２３２に集められる。信号検出器２３２から検出信号は、図１２に示した信号処理系に送られる。
【００９６】
ＣＥＲ分光測定の際、試料Ｓを挟む二つの電極２２２，２２３の間に交流電場を印加すると、試料Ｓの内部に電場変調が引き起こされる。この電場変調によって生じる光学反射率変調は、プローブ光を介して検出される。得られる変調反射率は、ＰＲ信号と等価なため、ＣＥＲスペクトルの解析・欠陥密度の算出フローは、図１４のフローチャートと同様であり、これを図１７に示す。
【００９７】
まずＣＥＲ分光測定の手順に関して、試料Ｓの反射率を検出するためのプローブ光は、白色光源２１１からの光を分光器２１３に導入し、単色化することによって得られる。単色化されたプローブ光は、集光レンズ２１４を通して、試料Ｓに照射される。一方、試料Ｓには、一対の電極２２２，２２３を介して交流電場が印加され、試料Ｓからの反射光が変調される。この状態で信号検出器２３２から検出信号に対して、交流電源２２１から送られてきた参照周波数信号と同期するように、ロックインアンプ１３７の位相調整を行う。
【００９８】
上記セッティングの後、データの測定に移行する。まず分光器２１３を掃引し、試料Ｓから反射されたプローブ光を信号検出器２３２で電気信号に変換する。得られた信号は、バンドパスフィルタ回路１３５を通して、反射率Ｒに相当する直流成分と変調反射率ΔＲに相当する交流成分に分け、それぞれ直流電圧計１３６とロックインアンプ１３７で計測する。コンピュータ１４０は、各計測値を用いてΔＲ／Ｒを計算し、フォトンエネルギーあるいは波長の関数としてプロットすることによりＣＥＲスペクトルを得る。
【００９９】
次に、上述のようにしてＣＥＲスペクトルを測定した後（ステップｅ１）、得られたスペクトルから着目している層に起因する三階微分形状信号あるいはＦＫ振動の振幅を読み取る（ステップｅ２）。ＦＫ振動は、一般に、複数の振動からなる形状を示す。解析の際には、最も信号対雑音比の良い振動、通常、最も大きい振幅を示す振動を選ぶことで、解析から得られた値の精度を確保することができる。振幅が最大となる振動は、着目層のバンドギャップエネルギー近傍の振動である。従って、この振動から振幅を読み取るのが最適である。このＦＫ振動および三階微分形状信号の振幅を、以下では特に断らない限り、単にＣＥＲ信号強度と呼ぶことにする。
【０１００】
最後に、得られたＣＥＲ信号強度から、欠陥密度を求める手順に移る（ステップｅ３）。前にも述べたように得られたスペクトルは、着目層の状態(結晶性、等)に依存して、着目層に起因するＦＫ振動の振幅が変化する。そこでまずあらかじめ欠陥密度の分かっている標準試料のＣＥＲ測定を行い、横軸を欠陥密度、縦軸をＣＥＲ信号強度とした換算曲線を準備しておく。この換算曲線を基にして、評価の対象となっている試料のＣＥＲ信号強度と検量線とを比較することにより、欠陥密度を求めることができる。
【０１０１】
実施の形態７．
上記ＣＥＲ分光法では、測定に用いるプローブ光に対して透明な電極が必須となる。ところが紫外光領域では、透明電極を得られない場合が存在する。実用的な電子デバイス用透明導電膜として最も普及しているＩｎ２Ｏ３系透明導電膜の一種であるＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ）は、母体結晶のバンドギャップエネルギーが室温で３．７５ｅＶであり、可視光域でのみ透過性を有する。同様にＺｎＯ系およびＳｎＯ２系透明導電膜の場合、それぞれの母体結晶のバンドギャップエネルギーは３．４４ｅＶおよび３．７０ｅＶである。従って、上記透明電極より大きいバンドギャップエネルギーをもつ物質で構成される多層膜構造に対しては、ＣＥＲ分光法を適用できない。
【０１０２】
ＣＥＲ分光法およびＰＲ分光法が適用できない試料であっても、それらが圧電性物質で構成されている場合、ＰＺＲ(piezoreflectance)分光法（ピエゾ変調反射分光法）と呼ばれる応力／電場変調反射分光法の一種を適用することにより変調反射スペクトルを測定することができる。
【０１０３】
ＰＺＲ分光装置の概略図を図１８に示す。なお、信号処理系は、図１２に示した構成がそのまま使用できるため、図示を省略している。
【０１０４】
プローブ光光学系は、白色光源３１１と、集光レンズ３１２と、分光器３１３と、集光レンズ３１４などで構成される。白色光源３１１は、例えばランプなどで構成され、スペクトル計測に必要な波長を含む連続スペクトルの光を発生する。分光器３１３は、白色光源３１１からの連続スペクトルを分光して、単色光のプローブ光を出力する。プローブ光の波長は、図１２に示したコンピュータ１４０からの制御信号に応じて連続的に変化させることができる。分光器３１２からのプローブ光は、集光レンズ３１４によって試料Ｓ上で所望のスポット径に集光され、試料Ｓの計測エリアが規定される。
【０１０５】
応力印加回路は、所定の参照周波数を持つ交流電圧を発生する交流電源３２１と、この交流電圧によって駆動される圧電素子３２２などで構成される。
【０１０６】
検出光学系は、集光レンズ３３１と、信号検出器３３２などで構成される。試料Ｓからの反射光は、集光レンズ３３１によって信号検出器３３２に集められる。信号検出器３３２から検出信号は、図１２に示した信号処理系に送られる。
【０１０７】
ＰＺＲ分光法では、試料Ｓの裏面に取り付けられた圧電素子３２２によりストレスを発生させ、試料Ｓに周期的な内部歪を誘起する。圧電性試料の場合、この周期的なストレスに応じて、ピエゾ電場が発生し、内部電場変調が生じる。この電場変調によって生じる光学反射率変調は、上記変調反射分光法と同様に、プローブ光を介して検出される。ＣＥＲ分光法と同じく、得られる変調反射率は、ＰＲ信号と等価なため、ＰＺＲスペクトルの解析・欠陥密度の算出フローは、図１４のフローチャートと同様であり、これを図１９に示す。
【０１０８】
まずＰＺＲ分光測定の手順に関して、試料Ｓの反射率を検出するためのプローブ光は、白色光源３１１からの光を分光器３１３に導入し、単色化することによって得られる。単色化されたプローブ光は、集光レンズ３１４を通して、試料Ｓに照射される。一方、試料Ｓには、圧電素子３２２によって周期的な応力が印加され、試料Ｓからの反射光が変調される。この状態で信号検出器３３２から検出信号に対して、交流電源３２１から送られてきた参照周波数信号と同期するように、ロックインアンプ１３７の位相調整を行う。
【０１０９】
上記セッティングの後、データの測定に移行する。まず分光器３１３を掃引し、試料Ｓから反射されたプローブ光を信号検出器３３２で電気信号に変換する。得られた信号は、バンドパスフィルタ回路１３５を通して、反射率Ｒに相当する直流成分と変調反射率ΔＲに相当する交流成分に分け、それぞれ直流電圧計１３６とロックインアンプ１３７で計測する。コンピュータ１４０は、各計測値を用いてΔＲ／Ｒを計算し、フォトンエネルギーあるいは波長の関数としてプロットすることによりＰＺＲスペクトルを得る。
【０１１０】
次に、上述のようにしてＰＺＲスペクトルを測定した後（ステップｆ１）、得られたスペクトルから着目している層に起因する三階微分形状信号あるいはＦＫ振動の振幅を読み取る（ステップｆ２）。ＦＫ振動は、一般に、複数の振動からなる形状を示す。解析の際には、最も信号対雑音比の良い振動、通常、最も大きい振幅を示す振動を選ぶことで、解析から得られた値の精度を確保することができる。振幅が最大となる振動は、着目層のバンドギャップエネルギー近傍の振動である。従って、この振動から振幅を読み取るのが最適である。このＦＫ振動および三階微分形状信号の振幅を、以下では特に断らない限り、単にＰＺＲ信号強度と呼ぶことにする。
【０１１１】
最後に、得られたＰＺＲ信号強度から、欠陥密度を求める手順に移る（ステップｆ３）。前にも述べたように得られたスペクトルは、着目層の状態(結晶性、等)に依存して、着目層に起因するＦＫ振動の振幅が変化する。そこでまずあらかじめ欠陥密度の分かっている標準試料のＰＺＲ測定を行い、横軸を欠陥密度、縦軸をＰＺＲ信号強度とした換算曲線を準備しておく。この換算曲線を基にして、評価の対象となっている試料のＰＺＲ信号強度と検量線とを比較することにより、欠陥密度を求めることができる。
【０１１２】
次に、以上で述べた変調反射分光法の表面モフォロジー解析への適用可否を議論する。ここではＰＲ分光法を用いた欠陥密度推定の実施例を示す。図２０（ａ）〜図２０（ｃ）は、評価対象とした３種類のサファイア基板上にそれぞれ成長したＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／ＧａＮヘテロ構造を持つ試料Ａ，Ｂ，Ｃを観察した表面ＡＦＭ像を示す。なお、ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層の各厚さは全ての試料で同じである。
【０１１３】
図２０（ａ）に示す試料ＡのＡＦＭ像は、ＡｌＧａＮ表面に多数のクラックが存在していることが判る。こうしたクラックは、図２０（ｂ）に示す試料Ｂおよび図２０（ｃ）に示すＣではほとんど観測されていない。ただし、試料ＢのＡＦＭ像では、多数のピットが検出されている。一般に、このピットは、貫通転位を伴っており、その形成の際には、貫通転位周辺に集まった不純物が引き金になっていると考えられている。
【０１１４】
図２１は、室温で測定した試料Ａ，Ｂ，ＣのＰＲスペクトルを示している。縦軸は変調反射率ΔＲを反射率Ｒで除算したΔＲ／Ｒであり、横軸はフォトンエネルギーである。フォトンエネルギー３．４ｅＶに現れている特徴的なスペクトル構造は、その位置がＧａＮのバンドギャップエネルギーとほぼ等しいので、ＧａＮ層に起因する信号に帰属される。従って、フォトンエネルギー３．８ｅＶから連なる振動構造は、ＡｌＧａＮ層のＦＫ振動に帰属される。
【０１１５】
ＡｌＧａＮ層に起因するＦＫ振動の振幅は、試料Ｃ，Ｂ，Ａの順に縮小するが、これは図２０に示した表面モフォロジーの劣化と対応している。従って、ＦＫ振動の振幅解析を、表面モフォロジー定量化の一手段として適用可能であると結論できる。
【０１１６】
なお、先に述べた反射分光測定による表面モフォロジー解析では、ＡｌＧａＮ層表面におけるピットの有無に対する有意な差は小さかったが、ＰＲ分光法を用いた表面モフォロジー解析は、通常の反射スペクトル測定より高感度な評価方法であることが判る。欠陥密度があらかじめ分かっている複数の標準試料に対してＰＲ分光測定を行い、ＰＲ信号強度を欠陥密度に対してプロットすることによって得られる換算曲線を準備すれば、評価対象としている試料のＰＲ信号強度から欠陥密度を推定することが可能となるのは明らかである。
【０１１７】
最後に、本明細書で述べた光学的反射およびＰＲスペクトル測定が、従来用いられてきた結晶評価技術と比較して、表面モフォロジーに対しより高感度であることを説明する。
【０１１８】
図２２は、ＧａＮ（０００４）反射のブラッグ角近傍における試料Ａ，Ｂ，Ｃのω−２θのＸ線回折スペクトルを示している。縦軸はＸ線回折強度（対数表示、任意単位）であり、横軸は回折角２θ（ａｒｃｓｅｃ）である。破線の位置は、計算によって求められたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（０００４）反射のブラッグ角に相当する。なお、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（０００４）反射のブラッグ角の計算では、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層がＧａＮ層に対して擬似格子整合(pseudomorphic)に成長していると仮定した。
【０１１９】
破線の位置とX線回折パターンとの比較から、３１００（ａｒｃｓｅｃ）近傍のピーク構造は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（０００４）反射に帰属される。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（０００４）反射のピーク位置は、試料によって若干異なる。これは各試料のＡｌＧａＮ層組成比がお互いわずかにずれていることを示している。このピーク位置の違いを除き、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（０００４）反射Ｘ線回折パターンは、反射およびＰＲスペクトルの場合と異なり、その形状がＡｌＧａＮ表面モフォロジーに対してほとんど依存しない。このことから反射スペクトル測定およびＰＲスペクトル測定の方が表面モフォロジーの評価に対してより適していると結論付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明に係る表面検査方法の一例を示すフローチャートである。
【図２】典型的な検査試料を示す断面図である。
【図３】窒化物半導体の反射率スペクトルの一例を示すグラフである。
【図４】本発明に係る表面検査装置の一例を示すブロック図である。
【図５】本発明に係る表面検査装置の他の例を示すブロック図である。
【図６】反射光の光路補正機構の一例を示す構成図である。
【図７】光路補正機構の動作を示すフローチャートである。
【図８】図８（ａ）（ｂ）は、図２に示すＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴエピタキシャル構造をＡＦＭで観察した像をそれぞれ示す写真である。
【図９】試料Ａ、Ｂの光学反射スペクトルを示すグラフである。
【図１０】図１０（ａ）（ｂ）は、図９に示す試料Ａ，Ｂの光学反射スペクトルをフィッティングした結果をそれぞれ示すグラフである。
【図１１】ＰＲ分光法装置の一例を示す構成図である。
【図１２】ＰＲ分光法装置の一例を示す構成図である。
【図１３】ＰＲ分光測定手順の一例を示すフローチャートである。
【図１４】ＰＲスペクトルから欠陥密度を求める手順の一例を示すフローチャートである。
【図１５】欠陥密度とＰＲ信号強度の関係を示す換算曲線である。
【図１６】ＣＥＲ分光測定装置の一例を示す構成図である。
【図１７】ＣＥＲスペクトルから欠陥密度を求める手順の一例を示すフローチャートである。
【図１８】ＰＺＲ分光装置の一例を示す構成図である。
【図１９】ＰＺＲスペクトルから欠陥密度を求める手順の一例を示すフローチャートである。
【図２０】３種類のサファイア基板上にそれぞれ成長したＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を持つ試料Ａ，Ｂ，Ｃを観察した表面ＡＦＭ像である。
【図２１】図２０（ａ）〜図２０（ｃ）に示す試料Ａ，Ｂ，ＣのＰＲスペクトルである。
【図２２】図２０（ａ）〜図２０（ｃ）に示す試料Ａ，Ｂ，Ｃのω−２θのＸ線回折スペクトルである。
【符号の説明】
【０１２１】
１１ 光源、 １２ 分光器、 １３ 集光レンズ、 ２１ 試料台、
２２ 調整機構、 ３１ 集光レンズ、 ３２ 検出器、 ３３ 電流アンプ、
３４ 電圧計、 ３５ 分光器、 ３６ マルチチャンネル検出器、
３７コントローラ、 ３８ 分割光学素子、 ３９ 光位置検出器、
４０ 差動アンプ、 ５０ コンピュータ、 ５１ ディスプレイ、
１１１，２１１，３１１ 白色光源、 １１２，１１４，１２５，１３１，２１２，２１４，２３１，３１２，３１４，３３１ 集光レンズ、
１１３，２１３，３１３ 分光器、 １２１ 励起光源、 １２２ 励起光安定器、
１２３ 励起光フィルタ、 １２４ 変調器、 １３２ 光学フィルタ、
１３３，２３２，３３２ 信号検出器、 １３４ 電流／電圧変換器、
１３５ バンドパスフィルタ回路、 １３６ 直流電圧計、
１３７ ロックインアンプ、 １４０ コンピュータ、 １４１ ディスプレイ、
２２１，３２１ 交流電源、 ２２２，２２３ 電極、 ３２２ 圧電素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された半導体層に光を照射するステップと、
該半導体層の物理的特性が変化するように、該半導体層に対して所定周波数の変調を印加するステップと、
該半導体層からの反射光を検出するステップと、
検出した反射光信号の中から変調周波数の成分を取り出すステップと、
照射光の波長を変化させて、半導体層で発生する励起子に特有な反射スペクトルを計測するステップとを含むことを特徴とする半導体層の検査方法。
【請求項２】
変調印加ステップでは、半導体層に対して所定周波数で変調された励起光を照射することを特徴とする請求項１記載の半導体層の検査方法。
【請求項３】
変調印加ステップでは、半導体層に対して所定周波数で変調された電場を印加することを特徴とする請求項１記載の半導体層の検査方法。
【請求項４】
変調印加ステップでは、半導体層に対して所定周波数で変調された応力を印加することを特徴とする請求項１記載の半導体層の検査方法。
【請求項１】
基板上に形成された半導体層に光を照射するステップと、
該半導体層の物理的特性が変化するように、該半導体層に対して所定周波数の変調を印加するステップと、
該半導体層からの反射光を検出するステップと、
検出した反射光信号の中から変調周波数の成分を取り出すステップと、
照射光の波長を変化させて、半導体層で発生する励起子に特有な反射スペクトルを計測するステップとを含むことを特徴とする半導体層の検査方法。
【請求項２】
変調印加ステップでは、半導体層に対して所定周波数で変調された励起光を照射することを特徴とする請求項１記載の半導体層の検査方法。
【請求項３】
変調印加ステップでは、半導体層に対して所定周波数で変調された電場を印加することを特徴とする請求項１記載の半導体層の検査方法。
【請求項４】
変調印加ステップでは、半導体層に対して所定周波数で変調された応力を印加することを特徴とする請求項１記載の半導体層の検査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１１−１０１０４９（Ｐ２０１１−１０１０４９Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３４４７（Ｐ２０１１−２３４４７）
【出願日】平成２３年２月７日（２０１１．２．７）
【分割の表示】特願２００５−２１８３２９（Ｐ２００５−２１８３２９）の分割
【原出願日】平成１７年７月２８日（２００５．７．２８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月７日（２０１１．２．７）
【分割の表示】特願２００５−２１８３２９（Ｐ２００５−２１８３２９）の分割
【原出願日】平成１７年７月２８日（２００５．７．２８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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