(57)【要約】【課題】  光を用いた半導体薄膜の結晶成長にあたり、結晶品質の優れた半導体薄膜を成長させることができる半導体薄膜の成長方法および装置を提供する。【解決手段】  本発明は、成長させるべき結晶膜の種類に応じた原料を反応容器１１内に供給し、反応容器１１内の半導体基板１上に光を照射しながらその照射部分に半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の成長方法であり、半導体薄膜の成長過程において、半導体薄膜の表面温度を所定範囲内に保持するように光の出力を調整するものである。光の出力調整は、成長する半導体薄膜の膜厚に応じて行う。本発明の半導体薄膜の成長装置は、照射手段１４を備えており、照射手段１４は、光源からの光の出力を調整する光調整手段１６を有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長させるべき結晶膜の種類に応じた原料を反応容器内に供給し、反応容器内の半導体基板上に光を照射しながらその照射部分に半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の成長方法であって、
半導体薄膜の成長過程において、半導体薄膜の表面温度を所定範囲内に保持するように光の出力を調整する、
ことを特徴とする半導体薄膜の成長方法。
【請求項２】
前記光の出力の調整を、成長する半導体薄膜の膜厚に応じて行う、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の成長方法。
【請求項３】
前記光としてレーザ光を用い、前記半導体薄膜として窒化物半導体を成長させる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体薄膜の成長方法。
【請求項４】
半導体基板を収容する反応容器と、成長させるべき結晶膜の種類に応じた原料を前記反応容器内に供給する原料供給手段と、半導体基板上に光を照射する照射手段とを備え、半導体基板上に光を照射しながらその照射部分に半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の成長装置であって、
前記照射手段は、光を出射する光源と該光源からの光の出力を調整する光調整手段とを含み、該光調整手段は、半導体薄膜の成長過程において、半導体薄膜の表面温度を所定範囲内に保持するように光の出力を調整する、
ことを特徴とする半導体薄膜の成長装置。
【請求項５】
前記光調整手段は、半導体薄膜の膜厚に応じて光の出力を調整する、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体薄膜の成長装置。
【請求項６】
前記光源はレーザ光源であり、前記半導体薄膜は窒化物半導体である、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体薄膜の成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に半導体薄膜を成長させる方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
サファイア基板の表面にＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）の半導体被膜を成長させる手段として、例えば下記特許文献１には「半導体結晶膜の成長方法」が開示されている。この方法は、図７に模式的に示す装置を用い、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）でサファイア基板１の上面に半導体被膜を成長させるものである。すなわち、この方法は、サファイア基板１をサセプター４の上に載せ、反応容器６内をＨ２で置換し、基板１の温度を約６５０℃以上に保持し、副噴射管３から水素と窒素を、反応ガス噴射管２からアンモニアガスと水素とＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスとＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスを供給して、サファイア基板１の表面にＩｎＧａＮの半導体被膜を成長させるものである。なお、この図において、５はシャフト、７はヒータ、８は排気口、９は放射温度計である。また、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）の代わりに、ＭＯＭＢＥ法（有機金属分子ビームエピタキシ法）を適用することもできる。
【０００３】
上述した方法では、Ｉｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの半導体薄膜を基板上に成長させている。しかし、成長させたＩｎＧａＮ中のＩｎのモル分率が０．０６と低いため、赤色を発光する赤色ＬＥＤを形成することができなかった。すなわち、赤色を発光させるためにはＩｎＧａＮ中のＩｎの組成を高くする必要があるが、ＩｎＮのモル分率が高くなると分解温度が約５００℃程度まで下がるため、基板温度を６５０℃以上にする上記手法では基板温度が高すぎてしまい、赤色発光のＩｎＧａＮを成長させることができなかった。
【０００４】
そこで、本出願人は、かかる事情に鑑み、下記特許文献２において開示された「半導体結晶膜の成長方法」を開発した。図８は、この方法を実施するための装置の構成を模式的に示すものである。この装置では、レーザーコントローラ５２により制御されたレーザにより、レーザ光６０を発生・放射する。レーザは、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等の高出力パルスレーザである。このレーザ光６０は、光学系５４ｂとビームホモジナイザー５４ｃを通り、ミラー５４ｄで下向きに反射され、反応容器４６に設けられた開口（図示せず）を通して、結晶成長用基板１の上面に照射される。レーザ光６０はミラー５４ｄの揺動又は光学系５４ｂの移動により基板上を走査する。また、ステージコントローラ５６により、基板１を二次元的に移動できるようになっている。更に、反応容器４６（チャンバー）内はポンプ系５５及びガス導入部５７により所定のガス雰囲気にコントロールされる。
【０００５】
この装置により、結晶成長用基板１を反応容器４６内で約４００℃以上、約６５０度未満の温度に保持し、反応容器４６内に、Ｉｎ，Ｇａ，Ｎの前駆体を順次又は同時に供給し、基板１表面に高出力パルスレーザを照射させてその照射部分にＩｎＧａＮを成長させ、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）またはＭＯＭＢＥ（有機金属分子ビームエピタキシ法）により、ＩｎＧａＮを成長させる。かかる手法によると、高出力パルスレーザにより前駆体を照射部分で励起してその分子結合（Ｎ−Ｈ結合、Ｃ−アミン結合等）を切断することができる。このため、６５０℃未満の温度でその部分にＩｎＧａＮを成長させることができる。つまり、緑色、青色のみならず、赤色を発光するＩｎＧａＮを成長させることができるのである。
【０００６】
また、下記特許文献３にも関連する先行技術が記載されている。
【０００７】
また、上述した従来技術の他に、光のエネルギーを利用して膜の堆積を行う化学気相成長の一種として光ＣＶＤが一般的に知られている。この光ＣＶＤは、気相中の分子振動を赤外線で、あるいは分子の電子状態を紫外線でエネルギー励起することにより、低温成長が可能である。また、光エネルギーをウエーハ加熱に兼用するケースもあり、ＩＣではパッシベーション用の膜成長などに利用される。
【０００８】
【特許文献１】特開平０４−１６４８９５号公報
【特許文献２】特開２００３−６０２３７号公報
【特許文献３】特開２００３−３７２８８号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図９は、上述した特許文献２の方法によりＩｎＧａＮを成長させた場合における成長膜厚とＩｎＧａＮの結晶品質との関係を示す図であり、横軸に成長膜厚、縦軸にＦＷＨＭ（スペクトル半値幅）をとったものである。この図から、膜厚の増大とともに（すなわち成長時間の経過とともに）ＦＷＨＭが増大していることが分かる。ＦＷＨＭの増大は結晶品質の劣化を意味するため、この結果から、膜厚の増大とともにＩｎＧａＮの結晶品質が劣化していることが分かる。このため、従来の手法では、発光ダイオードや半導体レーザに使用できるような結晶品質に優れたＩｎＧａＮを得ることができなかった。また、同様の理由により、一般的な光ＣＶＤによる半導体薄膜の形成においても優れた結晶品質を得ることができなかった。
【００１０】
本発明はかかる事情に鑑み、光を用いた半導体薄膜の結晶成長にあたり、結晶品質の優れた半導体薄膜を成長させることができる半導体薄膜の成長方法および装置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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の半導体薄膜の成長方法は、成長させるべき結晶膜の種類に応じた原料を反応容器内に供給し、反応容器内の半導体基板上に光を照射しながらその照射部分に半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の成長方法であって、半導体薄膜の成長過程において、半導体薄膜の表面温度を所定範囲内に保持するように光の出力を調整する、ことを特徴としている（請求項１）。
【００１２】
また、上記本発明の方法において、好ましくは、前記光の出力の調整を、成長する半導体薄膜の膜厚に応じて行う（請求項２）。
【００１３】
また、上記本発明の方法において、前記光としてレーザ光を用い、前記半導体薄膜として窒化物半導体を成長させる（請求項３）。
【００１４】
本発明の半導体薄膜の成長装置は、半導体基板を収容する反応容器と、成長させるべき結晶膜の種類に応じた原料を前記反応容器内に供給する原料供給手段と、半導体基板上に光を照射する照射手段とを備え、半導体基板上に光を照射しながらその照射部分に半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の成長装置であって、前記照射手段は、光を出射する光源と該光源からの光の出力を調整する光調整手段とを含み、該光調整手段は、半導体薄膜の成長過程において、半導体薄膜の表面温度を所定範囲内に保持するように光の出力を調整する、ことを特徴としている（請求項４）。
【００１５】
また、本発明の装置において、好ましくは、前記光調整手段は、半導体薄膜の膜厚に応じて光の出力を調整する、（請求項５）。
【００１６】
また、本発明の装置において、前記光源はレーザ光源であり、前記半導体薄膜は窒化物半導体である（請求項６）。
【発明の効果】
【００１７】
従来のレーザ光によるＩｎＧａＮの膜成長や光ＣＶＤによる半導体薄膜の結晶成長では、照射する光の出力は、その成長過程において変化させることなく一定に設定していた。一方、レーザ光を照射したときに半導体薄膜の表面の温度変化を熱解析により解析した結果、半導体薄膜の膜厚が増大するに従い、半導体薄膜の表面温度が降下していくことが判明した。これは、図９に示したように成長膜厚の増大とともに結晶膜の結晶品質が劣化する傾向と一致している。そして、これらの事実から、半導体薄膜の表面の温度降下と膜の結晶品質との間には因果関係があると推定することができる。
【００１８】
そこで、本発明では、膜の成長過程における半導体薄膜の表面温度の降下を防止するため、半導体薄膜の成長過程において、半導体薄膜の表面温度を所定範囲内に保持するように光の出力を調整するようにしたのである。このため、半導体薄膜の表面温度をほぼ一定にすることで、膜の結晶品質を成長初期と同等の品質に維持することができる。つまり、薄膜の成長過程において結晶品質の劣化を防止することができるため、結晶品質に優れた半導体薄膜を成長させることができるのである。
【００１９】
また、レーザ光を用いて基板上に窒化物半導体の薄膜を成長させる場合において、特に窒化物半導体がＩｎＧａＮであるときは、Ｉｎの量を減少させずに高品質の半導体薄膜を成長させることができる。このため、発光ダイオードや半導体レーザに使用できるような結晶品質に優れたＩｎＧａＮを得ることができる。
【００２０】
つまり、本発明によれば、光を用いた半導体薄膜の結晶成長にあたり、結晶品質の優れた半導体薄膜を成長させることができるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２２】
図１は、本発明の半導体薄膜の成長装置の一例を概略的に示す図である。この装置によって本発明の半導体薄膜の成長方法を実施することができる。本実施形態では、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）又はＭＯＭＢＥ（有機金属分子ビームエピタキシ法）にレーザ光を適用し、窒化物半導体のうちＩｎＧａＮの結晶膜を成長させる場合について説明するが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。
【００２３】
図１に示すように、この成長装置は、少なくとも、結晶成長用の半導体基板１を収容する反応容器１１と、成長させるべき結晶膜の種類に応じた原料を反応容器１１内に供給する原料供給手段２０と、半導体基板１上に光を照射する照射手段１４とを備えて構成されている。
【００２４】
反応容器１１の内部には、半導体基板１を載置するステージ２１が設けられている。このステージ２１は反応容器内の外部に設けられたステージコントローラ２２によって二次元的に移動できるようになっている。半導体基板１は、反応容器１１内で図示しない温度調節手段（例えばヒータ）により所定温度（例えば６００℃）に保持される。半導体基板１は、シリコン、ＳｉＣ又はサファイアであるのが良い。
【００２５】
原料供給手段２０は、反応容器１１内に原料を供給する。原料は成長させるべき結晶膜の種類に応じて選択される。本実施形態では、ＩｎＧａＮを成長させるため、供給する原料ガスは、Ｉｎ（インジウム），Ｇａ（ガリウム），Ｎ（窒素）の前駆体である。この場合、Ｉｎの前駆体としてはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｇａの前駆体としてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｎの前駆体としてはアンモニア、Ｎ２Ｈ２（ヒドラジン）又はＴＭＮＨ２（トリメチルアミン）を使用することができる。
【００２６】
照射手段１４は、光を出射する光源１５と、この光源１５からの光の出力を調整する光調整手段１６とを有している。本実施形態では、光源１５はレーザである。レーザは、エキシマレーザやＹＡＧレーザ等の高出力パルスレーザが好適であるが、前駆体を励起・分解して結晶膜を成長させることができるエネルギーに相当する波長のレーザ光を出射できるものであればこれに限定されない。
【００２７】
光調整手段１６は、半導体薄膜の成長過程において、半導体薄膜の表面温度を所定範囲内に保持するように光の出力を調整する。具体的には、光調整手段１６は、成長する半導体薄膜の膜厚に応じて光の出力を調整する。
【００２８】
光調整手段１６は例えば図２に模式的に示すようなアッテネータとして構成することができる。この例による光調整手段１６は、回転可能に設置された１／２波長板３１と、ＴＦＰ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｐｌａｔｅ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ）３２と、反射光を吸収するビームダンパ３３ａ、３３ｂと、入射する光のうち９９％を反射し残りの１％を透過させる９９％反射ミラー３４と、入射する光を全反射する反射ミラー３５と、９９％反射ミラー３４を透過した１％出力光を検出するディテクター３６と、出力光を遮るシャッター部３７とを備えて構成されている。１／２波長板３１は図示しないモータ等の駆動手段により回転させられるようになっている。また、シャッター部３７は、揺動可能に設けられた反射ミラー３８と、反射ミラーで反射した出力光を吸収するビームダンパ３９とを有している。なお、θはブルースター角であり、ＹＡＧレーザ第２高調波（５３２ｎｍ）の場合はθ＝５６．５６°である。このような構成の光調整手段１６では、入射光を１／２反射板３１、ＴＦＰ３２を通過させ、９９％反射ミラー３４を透過した１％出力光をディテクター３６で検出し、図示しないエネルギーモニターにより出力光の出力を監視しつつ、出力光の出力が所定値となるように１／２波長板３１を回転させる。なお、光調整手段１６は、図２のような構成に限られるものではなく、光の出力を調整できるものであれば他の構成であってもよい。
【００２９】
また、図１に示すように、照射手段１４は、さらに光学系１７と、ビームホモジナイザー１８と、ミラー１９とを備えており、光源１５から出射されたレーザ光１０は光学系及びビームホモジナイザー１８を通り、ミラー１９で下向きに反射され、反応容器１１に設けられた図示しないレーザ光透過窓を通して、半導体基板１の上面に照射される。レーザ光１０はミラー１９の揺動又は光学系の移動により半導体基板１上を走査する。なお、符号２４はポンプ系である。
【００３０】
この装置では、高出力パルスレーザにより前駆体を照射部分で励起してその分子結合（Ｎ−Ｈ結合、Ｃ−アミン結合等）を切断することができる。このため、６５０℃未満の温度でもその部分にＩｎＧａＮを成長させることができる。
【００３１】
上述したように、従来のレーザ光によるＩｎＧａＮの膜成長や光ＣＶＤによる半導体薄膜の結晶成長では、照射する光の出力は、その成長過程において変化させることなく一定に設定していた。そこで、レーザ光を照射したときに半導体薄膜の表面の温度変化を熱解析により解析してみると図３に示すような結果が得られた。解析条件は次の通りである。
【００３２】
［解析条件］
１．レーザ
（１）波長：５３２ｎｍ
（２）パルス幅：７ｎｓ
２．ＩｎＧａＮ層
（１）吸収係数：７．０×１０７ｍ−１
（２）初期温度：６００℃
【００３３】
図３は、横軸に膜厚をとり、縦軸にＩｎＧａＮの表面温度をとったものであり、●、▲、■は、それぞれ、レーザ出力が１ｍＷ／Ｐｕｌｓｅ、３ｍＷ／Ｐｕｌｓｅ、５ｍＷ／Ｐｕｌｓｅの場合の値を示している。図３から、半導体薄膜の膜厚が５０ｎｍをピークに膜厚が増大するに従い、半導体薄膜の表面温度が降下していくことが判明した。これは、図９に示したように成長膜厚の増大とともに結晶膜の結晶品質が劣化する傾向と一致している。そして、これらの事実から、半導体薄膜の表面の温度降下と膜の結晶品質との間には因果関係があると推定することができる。
【００３４】
そこで、本発明では、膜の成長過程における半導体薄膜の表面温度の降下を防止するため、半導体薄膜の成長過程において、半導体薄膜の表面温度を所定範囲内に保持するように光の出力を調整するようにしたのである。
【００３５】
図４は、半導体薄膜の表面温度を一定に保持するために必要な出力制御履歴の一例を示すものであり、横軸に膜厚をとり、縦軸に出力をとっている。この出力制御履歴は、予め解析により求めることができる。このように、半導体基板の表面温度を一定に保持するためには、膜厚の増大に伴って光の出力を増大させることが必要である。
【００３６】
なお、実際上は成長する半導体薄膜の膜厚をリアルタイムで測定することは困難である。しかし、膜の成長速度は原料ガスの種類とレーザの条件によって決まるため、原料ガスの種類に応じて成長時間と膜厚との関係を予め求めておくことで、膜の成長時間から膜厚を推定することができる。したがって、上述した光調整手段では、膜の成長時間から推定した膜厚に基づき、光の出力を調整することができる。また、将来的に、成長する半導体薄膜の膜厚をリアルタイムで測定することが可能となった場合には、測定した膜厚に基づいて、上述した出力制御履歴に従って光の出力を調整するようにしてもよい。
【００３７】
図５は、本発明のように光の出力制御を行った場合と、行わなかった場合のそれぞれにおける半導体薄膜の表面温度の変化の様子を示す図である。この図から、光の出力制御を行わなかった場合は成長膜厚の増大とともに表面温度が降下しているのに対し、光の出力制御を行った場合は成長膜厚が増大しても表面温度はほぼ一定値を保持していることが分かる。
【００３８】
このように、本発明では、半導体薄膜の表面温度をほぼ一定にすることで、膜の結晶品質を成長初期と同等の品質に維持することができる。つまり、薄膜の成長過程において結晶品質の劣化を防止することができるため、結晶品質に優れた半導体薄膜を成長させることができるのである。
【００３９】
図６は、従来技術による場合、つまり通常の基板加熱のみでの半導体薄膜の結晶成長の場合における膜の成長温度と固相中のＩｎ組成との関係を示すものである。この図から、固相中のＩｎ組成は成長温度の低い方から０．４９、０．５１、０．４８、０．４１、０．２６となり、成長温度の増大に伴い固相中のＩｎ組成が減少することが分かる。しかし、本実施形態のようなレーザによる短時間加熱によると、インジウムの量を減少させずに高品質の半導体薄膜を成長させることができる。従来の熱力学解析では困難とされていた混晶半導体薄膜には本発明を適用することで、高品質のものを得ることが可能となる。このため、発光ダイオードや半導体レーザに使用できるような結晶品質に優れたＩｎＧａＮを得ることができる。
【００４０】
なお、本発明は、窒化物半導体のみならず、光ＣＶＤを含め全ての半導体薄膜の光による成長に適用することができる。また、膜厚が５０ｎｍを超える膜厚の半導体薄膜には特に有効である。
【００４１】
また、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の半導体薄膜の成長装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】光調整手段としてのアッテネータの概略構成図である。
【図３】成長膜厚とＩｎＧａＮ表面温度との関係を示す図である。
【図４】半導体薄膜の表面温度を一定に保持するために必要な出力制御履歴の一例を示す図である。
【図５】光の出力制御を行った場合と行わなかった場合の半導体薄膜の表面温度を示す図である。
【図６】膜の成長温度と固相中のＩｎ組成との関係を示す図である。
【図７】特許文献１に記載された従来技術を説明する図である。
【図８】特許文献２に記載された従来技術を説明する図である。
【図９】成長膜厚と結晶性との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  半導体基板
１０  レーザ光
１１  反応容器
１４  照射手段
１５  光源
１６  光調整手段
１７  光学系
１８  ビームホモジナイザー
１９  ミラー
２０  原料供給手段
２１  ステージ
２２  ステージコントローラ
２４  ポンプ系
３１  １／２波長板
３２  ＴＦＰ
３３ａ，３３ｂ  ビームダンパ
３４  ９９％反射ミラー
３５  反射ミラー
３６  ディテクター
３７  シャッター部
３８  反射ミラー
３９  ビームダンパ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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