JPH02170008A - ヘテロ薄膜多層構造の半導体多層薄膜の膜厚測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）技術分野 この発明は、半導体のヘテロ接合部の膜厚測定法に関す
る。

発光ダイオード、半導体レーザなどの半導体素子に於て
は、ヘテロ接合がしばしば用いられる。

これはＧａＡｓ層とＡ、ｄＧａＡｓ層とを組合わせたも
のである事がある。或は、ＩｎＰ層と、Ｉ　ｎＧａＰＡ
ｓ層とを接合したものである事もある。

さらに、ＧａＡｓ層をＳｉ基板、或はＳｉ薄膜の上に成
長させた場合がある。

結晶を構成する元素が異なるのでヘテロ接合という。

ｐｎ接合の場合は、ホスト元素が同一であるから、化学
的、光学的な物性は、接合の両側で殆ど変わらない。

しかし、ヘテロ接合の場合は、ホスト元素の構成が異な
るから、化学的、光学的な物性が変化する。

ヘテロ接合は、液相エピタキシー、気相エピタキシー、
分子線エピタキシー、有機金属熱分解法など、エピタキ
シー技術によって作られる。膜の厚さは、主に成長時間
の長さによってコントロールでれる。

ヘテロ接合で区切られた薄膜の厚さを、成長後に測定す
る方法として、既にいくつかのものがある。

（イ）従来技術 従来技術として、例えば次のようなものがある。

例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ半導体ヘテロ薄膜エピ
タキシャルウェハのＧａＡｓ層の膜厚を測定する場合、
ウェハの表面にレジストパターンを形成し、ＧａＡｓと
Ａ、ｄＧａＡｓに対してエツチング速度が極端に違うＣ
Ｃｌ２Ｆ２のような反応性ガスを用いてドライエツチン
グする（ＲＩＥ）。レジストによって覆われていない部
分がエツチングされるが、二つの層に対し、エツチング
速度が異なるから、階段状にエツチングされる。階段の
高さを測定すれば、ＧａＡｓ層の厚さが分る。

これを、ここでは選択エツチング法と仮に呼ぶことにす
る。

あるいは、ウェハの一部を襞間し、薄膜層の断面を出し
、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって断面を観察する
、という方法もある。これは観察するのであるから、厚
みだけでなく薄膜の凹凸や分布などもよく分る。

さらに、ウェハの一部を、一定の斜め角で削り、薄膜の
境界を露出させ、顕微鏡で境界間の水平方向の長さを求
める。これに斜角θの正接ｔａｎθを乗算すると厚みが
求められる。

（つ）発明が解決しようとする問題点 これらの方法で、ヘテロ接合しているエピタキシャル薄
膜の膜厚を測定できるが、いずれも破壊検査である、と
いう欠点がある。ウエノ・の全体が破壊される事もあり
、一部のみが破壊される事もある。少なくとも膜厚測定
する部分は破壊きれてしまう。これでは、製品となるべ
きものを直接測定する事ができない。

選択エツチング法は、表面の薄膜の厚みしか測定するこ
とができない。２層目、３層目の薄膜の厚みはこれでは
分らない。さらにヘテロ接合の両側の物質に対して、エ
ツチング速さの著しく違う反応性ガスが常に存在するわ
けではない。特殊なヘテロ接合にしか使用できない。

でらに、これらの方法は簡便に行なう事ができない。試
料のエツチング、襞間なと前処理が必要であり、しかも
顕微鏡観察しなければならないからである。

短い時間で、多くのウェハを、多くの測定点について厚
み測定する、というような事ができない。

ｅつ　　目　　　　　　　的 試料を破壊する事なく、どのような材料の組合わせのヘ
テロ接合であっても適用でき、簡便であるヘテロ薄膜の
膜厚測定方法を提供する事が本発明の目的である。

け）構　成 本発明は、エピタキシャル薄膜にレーザ光を斜め方向か
ら当て、各接合面からの反射光を検出し、反射光の間隔
から、薄膜の膜厚を求めるものである。

反射光によって、膜厚を求めるのであるから、試料を破
壊しない。非破壊検査である。また、反射は各接合面で
起るので、複数の薄膜の厚さを一挙に求める事ができる
。さらに、測定に要する時間が短くて済み、極めて経済
性が高い方法である。

第１図は本発明の測定装置の概略構成図である。

ＸＹＺステージ５の上に、エピタキシャル成長簿膜を有
する試料ウェハ２を戴置する。

試料ウェハ２の表面に対して、斜めに、極めて細い光線
を入射させるようにレーザ発振器６を設ける。

入射光１が、試料ウェハ２によって斜めに反射される。

これを受光するために光検知器４を設ける。

コンピュータ７は、光検知器４の出力を受け、これをデ
ジタル値に変換してから解析し、薄膜の厚さを求める。

その結果は、デイスプレィ８に表示され、プリンタ９に
出力される。

コンピュータ７は、ｘｙｚステージ５をｘｙｚ方向に移
動させて、ウエノ・の異なる点の膜厚を測定できるよう
になっている。

レーザ発振器６の位置は、固定であってもよいが、コン
ピュータ７の指令によって変動させる事ができるように
してもよい。

（２）作　用 第２図によって測定原理を説明する。

入射光１０が、試料ウェハの表面に当たる。エピクキシ
ャル薄膜が、上からＬＩＩ、ＩＩＩとあり、それぞれの
厚みがｄｌ、ｄ２、ｄ３、屈折率がｎｌ、ｎ２、ｎ３テ
あるとする。

入射光ＡＯは、まず■層の表面ｐの点Ｐｏで反射され反
射光１１となる。

１層と入射光１０のなす角を０とする。反射光１１と１
層のなす角もＯである。

１層の中に入った光は屈折して、■、■層の境界面ｑの
９１点に至る。９１点で一部の光が反射されこれが１層
の表面の２１点で出てゆく。これを反射光１２　という
。

９１点でさらに■層に入った光は、■、■層の境界面ｒ
のＲ１点に至る。ここで、一部の光が反射される。これ
は境界面ｑで屈折しくＱ２点）、表面ｒの２２点から出
てゆく。これを反射光１３という。

Ｒ１点で屈折した光は、■層とそれより下の層又は基板
との境界面Ｓの８点で反射でれる。反射光は、Ｒ２点、
９３点、Ｒ３点を経て外部に出る。これを反射光１４と
いう。

反射光１１．４２．１３．１４は平行光である。その間
隔は極めて狭いものである。しかし、入射光１０が十分
に細ければ、これらの反射光は弁別する事ができる。

光検知器４が一次元に並んだ多数の独立な受光素子であ
るとすれば、これら反射光の間隔Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を求
める事ができる。このままでは、細分割した受光素子の
一単位は、薄膜の厚さより小さくなければならない。

これは実際には難しい事であるから、凹（実は凸）レン
ズ系で平行光の間隔を拡大してから、−次元受光素子に
入射させればよい。

平行反射光の間隔は、その光が反射された膜の膜厚や屈
折率、それと入射角θによって決まる。

屈折率が分っているから、膜厚が、反射光の間隔から分
る。

たとえば、１１と１２の間隔Ｗ１は次のように求められ
る。

１層での屈折角をΦ１とする。

ｃｏｓｅ　　＝　　ｎＩ　ＣＯ３Φ１ ＯＰＩ ２　ｄ　ｃｏｔΦ□ Ｐ（ＩＰ１ｓ１ｎθ という式が成立つ。ここで入射角、屈折角は通常の定義
とは異なっており、光線と面のなす角としている。これ
らの式から、 となる。ｎｌ、θ、Ｗｌが分るのでｄｌが求められる、
という事になる。同様に１２と１３の間隔Ｗ２はとなる
。Ｗ３は、 である。ｉ番目の層と、（ｉ−１）の層の境界、及び（
ｉ＋１　）番目の層とｉ番目の層の境界で反射される光
の間隔Ｗｉは、一般に、 によって与えられる。

反射光の間隔Ｗ１、Ｗ２、・・・が、光検知器４によっ
て得られる。各層の屈折率ｎｌ、ｎ２、・・・は予め分
がっている。ペテロ接合であるから、油接率が違い、そ
れぞれの層の屈折率が分かっているわけである。

Ｏは予め設定した入射角であり、既知である。これらの
関係から、膜厚ｄ１、ｄ２、・・・が−挙に求められる
。

この方法は、境界で１回反射する光のみを、多重反射し
た光から区別しなければならない。これが可能であるた
め、反射光を屈折光に比べて小さくした方がよい。

反射光の比率を減するには、θを９０°に近付けて、垂
直入射に近くした方がよい。しかし、そうすると、光線
の間隔が減少してくるので、測定しにくくなる。

間隔Ｗを拡げるには、θを００に近付ける方が良い。し
かし、こうすると、反射光が強くなる。特に表面での反
射が大きくなる。また、多重反射光の強度が、深層から
の１回反射光と同じ程度の大きさになる可能性がある。

こういう事を考慮して、入射角θを適当に決定する。

（→実施例 分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）によって、Ｇ
ａＡｓ基板の上に、０．３ｔｔｍ厚さ＋７）　Ａ７Ｇａ
Ａｓ膜と、１．０μｍ厚さのＧａＡｓ膜とを成長させた
。１０μｍ　というのは設計厚さである。

そして、ＧａＡｓ膜の膜厚を、本発明の方法と、ＣＣ１
１２Ｆ２ヲ用いた反応性イオンエツチング・顕微鏡法と
によって測定した。測定点はウェハの直径上に５龍ずつ
取った。その結果を第３図に示す。

黒丸が本発明による測定結果であり、山角がエツチング
・顕微鏡法によるものである。

同じウェハについて、本発明で測定した後、エツチング
・顕微鏡法で、同じ直径について測定した。

膜厚は約１μｍであるが、中央部分では、１．１μｍに
近く、周辺では１．０５μｍ程度になっている。いずれ
の方法によっても、膜厚測定の結果は、はぼ同一である
。両方法の結果が一致するので、本発明の方法が有効で
あることが分る。

（り）効　果 エピタキシャル成長法によって作られた、ペテロ接合を
有する半導体薄膜結晶の膜厚測定法として、本発明は次
のような長所がある。

（１）非破壊検査である。半導体ウェハをエツチングし
たり襞間したりする必要がない。製品となるべきウェハ
の検査に使う事ができる。

（２）表面層だけでなく、２層目、３層目、・・・など
の厚みを測定する事ができる。

（３）選択エツチングなどと違い、結晶薄膜で光を通す
ものでありさえすればよい。対象となる結晶について制
限が少ない。

（４）簡便に測定できる。光学的手段により測定し、可
動部を操作するという事がないので簡便である。

（５）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）　用ウェ
ハナト、薄膜多層エピタキシャルウェハの構造の評価な
どに応用すると効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のヘテロ薄膜多層構造の膜厚測定方法の
概略構成図。 第２図は薄膜の境界面に於て光が反射される様子を示す
光線図。 第３図はＧａＡｓ基板の上ニＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ　
（７）薄膜全成長させたものについて、本発明の方法と
従来のエツチング顕微鏡法でＧａＡｓ薄膜の膜厚測定し
た結果を示すグラフ。 １・・・・・・入射光 ２・・・・・・試料ウェハ ３・・・・・・反射光 ４・・・・・・光検知器 ５・・・・・・ｘｙｚステージ ６・・・・・・レーザ発振器 ７・・・・・・コンピュータ ８・・・・・・デイスプレィ ９・・・・・・プリンタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板の上にひとつ以上の単結晶薄膜をエピタキシ
   ャル成長させひとつ以上のヘテロ接合を有する試料ウェ
   ハ２に、斜め方向に細い光線を当て、試料の最上層と各
   薄膜のヘテロ接合面から反射されてくる複数の反射光を
   光検知器４で検出して反射光の間隔を求め、薄膜の屈折
   率と間隔の値とから各薄膜の膜厚を求める事を特徴とす
   るヘテロ薄膜多層構造の半導体多層薄膜の膜厚測定法。