(57)【要約】【課題】ウェーハ面内全域にて凹凸加工された構造を埋め込み成長可能であり、かつ、凹凸形状によらない安定した埋め込み平坦化が可能なIII−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法を提供する。【解決手段】III−Ｖ族化合物半導体基板の表面に形成された規則的な凹凸を有する四元系III−Ｖ族化合物半導体層の上に、有機金属気相成長法を用いて、上記凹凸の熱変形を抑制する保護膜となるIII−Ｖ族化合物半導体層を、第一の成長温度で所定の膜厚となるまでエピタキシャル成長させた後、上記第一の成長温度よりも高い第二の成長温度で連続して同一組成の半導体層を、トータルの厚さが上記凹凸の高さよりも大きくなるまで成長させるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III−Ｖ族化合物半導体基板の表面に形成された規則的な凹凸を有する四元系III−Ｖ族化合物半導体層の上に、有機金属気相成長法を用いて、上記凹凸の熱変形を抑制する保護膜となるIII−Ｖ族化合物半導体層を、第一の成長温度で所定の膜厚となるまでエピタキシャル成長させた後、上記第一の成長温度よりも高い第二の成長温度で連続して同一組成の半導体層を、トータルの厚さが上記凹凸の高さよりも大きくなるまで成長させることを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法。
【請求項２】
上記III−Ｖ族化合物半導体層をＩｎＰ層とし、上記第一の成長温度を５２０℃以上６００℃以下に制御することを特徴とする請求項１に記載のIII−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法。
【請求項３】
上記第一の成長温度により成長される上記III−Ｖ族化合物半導体層の厚さを、上記凹凸の高さとほぼ同じとすることを特徴とする請求項１または２に記載のIII−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法。
【請求項４】
有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長される上記保護膜としてのIII−Ｖ族化合物半導体層の厚さを、上記凹凸の高さの１／３から３０倍とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のIII−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法。
【請求項５】
有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長される上記保護膜としてのIII−Ｖ族化合物半導体層をＩｎＰ層とし、上記第一の成長温度を５２０℃以上６００℃以下に設定するとともに上記第二の成長温度を６００℃以上６５０℃以下に設定することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のIII−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法に関し、特に、表面にコルゲーションを有するＩｎＰ系エピタキシャル基板上に、Ｐ系、Ａｌ系エピタキシャル成長膜を成長させる際に適用して好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ウェーハ上にIII−Ｖ族化合物半導体をエピタキシャル成長させる方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）が知られている。このＭＯＣＶＤ法では、気相成長装置の反応炉内に設置されているウェーハホルダ上にウェーハを載置し、成長温度にウェーハを加熱しながら原料ガスを導入することで、このウェーハ上にエピタキシャル成長膜を形成する。
【０００３】
従来の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザー素子の製造においては、コルゲーションと呼ばれる規則的な凹凸を有するＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ層に化合物半導体層（たとえばＩｎＰ層等）をエピタキシャル成長させることが多い。この場合、凹凸の熱変形を防止するために、通常のエピタキシャル成長させる場合の成長温度に比べて低い成長温度に設定される。これは、折角凹凸を形成したにも関わらず、基板を昇温してエピタキシャル成長に適する温度に上げるまでに、凹凸の表面で原子が移動し、凹凸のパターンが消失するからである。
この種のエピタキシャル成長方法に関する発明としては、例えば特許文献１に開示されているものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１７９７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術は、まずＩｎＰ基板上にコルゲーションを形成し、この凹凸が熱により消失しないようにＧａＡｓを含む薄膜を４００℃といった低温で成長し、凹凸を保護するような方法である。この方法の特徴は、コルゲーション加工基板を昇温中に、ＩｎＰ基板表面からＩｎやＰが蒸発しやすいことや、表面近傍の原子で流動化しやすい現象に着目したもので、蒸発しにくいＧａＡｓで保護することが肝要である。しかしながら、成長温度がこのように低温になると、結晶成長自体が困難となり、エピタキシャル成長膜の表面が白濁したり、また、ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどの組成層で保護膜を形成しようとしても、本来の凹凸形状を忠実に保存したエピタキシャルウェーハを得るのが困難となっている。
【０００６】
また、コルゲーションの効果を増やすように凹凸寸法や形状を変えた場合には、原子レベルでの表面流動が殆どない低温での成長が必要となるため、凹凸を均一に被覆する薄膜を形成することができない場合もある。このような場合、その後のエピタキシャル成長に影響を与えるとともに、プロセスウインドーが狭いために、最適な被覆条件を見出すのに手間がかかり、また量産時における成膜も安定しないといった問題がある。
【０００７】
さらに、ＧａＡｓを含む保護膜を形成する場合、ＩｎＰ系材料の成長とは異なるＡｓＨ3ガスを用いるため、炉内に余分なＡｓ系材料が付着することにより、その後のエピタキシャル成長条件が影響を受ける。そのことにより、剥離状の欠陥の発生原因となったり、エピタキシャル成長層の組成が目標組成からずれたりすることも考えられる。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に着目してなされたもので、ウェーハ面内全域にて凹凸加工された構造を埋め込み成長可能であり、かつ、凹凸形状によらない安定した埋め込み平坦化が可能なIII−Ｖ族化合物半導体の気相成長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】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載のIII−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法は、
III−Ｖ族化合物半導体基板の表面に形成された規則的な凹凸を有する四元系III−Ｖ族化合物半導体層の上に、有機金属気相成長法を用いて、上記凹凸の熱変形を抑制する保護膜となるIII−Ｖ族化合物半導体層を第一の成長温度でエピタキシャル成長させた後、上記第一の成長温度よりも高い第二の成長温度で連続して同一組成の半導体層を、トータルの厚さが上記凹凸の高さよりも大きくなるまで成長させることを特徴とする。
【００１０】
上記方法により、III−Ｖ族化合物半導体基板（例えばＩｎＰ基板）の表面に形成された規則的な凹凸（コルゲーション）の形状を保存したまま四元系III−Ｖ族化合物半導体層（例えばＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓ）の上にIII−Ｖ族化合物半導体層（例えばＩｎＰ層）を成長させることができる。また、第一の成長温度よりも高い第二の成長温度で連続して同一組成の半導体層を、トータルの厚さが上記凹凸の高さよりも大きくなるまで成長させることにより、安定した埋め込み平坦化が可能となる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の気相成長方法において、
上記III−Ｖ族化合物半導体層をＩｎＰ層とし、上記第一の成長温度を５００℃以上６００℃以下に制御することを特徴とする。
ＩｎＰの通常の成長温度である６２０℃よりも低い５２０℃以上６００℃以下に制御してＩｎＰ保護層を成長させることにより、凹凸が消失することなく原型に近い形状で保存したままＩｎＰ保護層を成長させることができる。
【００１２】
ここで、有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長される上記保護膜としてのIII−Ｖ族化合物半導体層は、アンドープＩｎＰ層もしくはドーピングしたＩｎＰ層とすることができる。また、上記第一の成長温度により成長される上記III−Ｖ族化合物半導体層の厚さは、上記凹凸の高さとほぼ同じとするのが望ましい。これにより、より確実な埋め込み平坦化が可能となる。
表面の凹凸部を微細に眺めると、その側面部では、被覆される層厚が薄くなるため、昇温時に側面部からの欠陥が生じやすくなる。そこでＩｎＰの揮発速度を推定する。ＩｎＧａＡｓといった三元系の混晶を成長させる際には、原料のトリメチルインジウムとトリメチルガリウムのガス流量比率により混晶組成を定める事ができる。一般には、成長温度が高くなるにつれ混晶に取り込まれるＩｎの比率が低下することが知られており、これは、Ｉｎの再蒸発に基づくものと考えられている。実際に、流量比を詳細に検討すると、Ｉｎの５〜２０%程度が蒸発していると仮定すると、ＩｎＧａＡｓ混晶の気相-固相関係を説明することができる。厳密には気相から固相への取り込みの比率と再蒸発の比率等が含まれていることになるが、再蒸発の速度を見積もると、６００℃付近では１（ｎｍ／ｍｉｎ）程度になると推定される。この成長温度が高くなると再蒸発も早くなる。従って、凹凸の埋め込み部を安定的に被覆するためには、被覆した後に昇温する時間の間に再蒸発しても問題ない初期的な厚さが必要になる。通常１０分程度で昇温が完了することを考えると、少なくとも１０ｎｍ程度の保護層の厚さが必要になると考えられる。これは、通常用いられるコルゲーションの高さの約１／３に相当する。従って、有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長される上記保護膜としてのIII−Ｖ族化合物半導体層の厚さは、上記凹凸の高さの１／３から３０倍とするのがよい。
【００１３】
一方、低温成長においては、エピタキシャル成長における成長ステップが平坦になりにくいため、厚くなるにつれて表面荒れが増加する傾向にある。厚さが１００ｎｍを超えると白濁が目視でも顕著になり、表面粗さを示すＨａｚｅが５０ｐｐｍ以上となるため、適当とは考えられない。従って、第一の保護層の厚さは１００ｎｍ以下であることが望ましく、これは、凹凸の精々５倍程度と考えられる。最良な条件は、凹凸の被覆が充分であり、かつ、できるだけ薄い厚さとなるため、凹凸と同程度の厚さと考えられる。従って、有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長される上記保護膜としてのIII−Ｖ族化合物半導体層のさらに望ましい厚さは、上記凹凸の高さの１／３から５倍である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、例えばＤＦＢレーザー素子に用いられるＩｎＰ基板表面に形成された周期的な凹凸（コルゲーション）を有するＩｎＧａＡｓＰ層上に化合物半導体層（たとえばＩｎＰ層など）をエピタキシャル成長させる場合、凹凸の熱変形を防止することができる。しかも、ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどの組成層ではなく、ＩｎＰ組成での保護膜を形成することによってデバイスとして要求される特性などにも与える影響を少なくすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の本実施形態に係る気相成長装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施例を適用することで得られた気相成長ウェーハのＳＥＭ（走査電子顕微鏡）による結晶断面の評価結果を示す説明図である。
【図３】比較例で得られた気相成長ウェーハのＳＥＭによる結晶断面の評価結果を示す説明図である。
【図４】反応管の内壁をＳｉＯ2層により被覆した場合とＩｎＰ層により被覆した場合のＰＨ3ガスの熱分解比率と温度との関係をそれぞれ示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る気相成長方法に使用する気相成長装置の概略構成を示す説明図である。図１には、一例として縦型高速回転方式の気相成長装置を示している。
図１に示すように、気相成長装置１００は、反応炉１、冷却機構２、ウェーハホルダ３、サセプタ４、加熱ヒータ５、回転機構６、ガス導入管７ａ，７ｂ、ガス排気管８、排気ポンプ９を備えて構成されている。
【００１７】
反応炉１は、例えば、ステンレス製の中空円筒体からなり、密閉可能に構成されている。
ウェーハホルダ３は、例えばα−カーボン（アモルファスカーボン）で構成された円盤状のウェーハ収容体であり、サセプタ４上に載置されている。ウェーハホルダ３は、その片面にウェーハＷを収容する円形ポケットが同一円周上に複数個（例えば、６個）形成されている。
サセプタ４は、加熱ヒータ５からの熱をウェーハＷに均等に伝達するために、熱伝導率の高い材質（例えば、モリブデン等）で構成されている。ウェーハホルダ３及びサセプタ４は、例えば回転軸とモータとからなる回転機構６により回転可能に支持されている。
サセプタ４の下側には、ウェーハホルダ３上のウェーハを加熱するための加熱ヒータ５が、回転軸に対して同心円状に配設されている。
【００１８】
冷却機構２は、例えば、水冷式の金属製配管ジャケットで構成され、反応炉１の外壁に接触するように配設されている。金属製配管ジャケット２は、管内で冷水を循環させることにより、加熱ヒータ５から反応炉１の壁体に伝達された熱を吸熱し、反応炉１の内壁面を冷却する。そのため、熱伝導率の高い材質（例えば、銅やステンレス等）とするのが望ましい。
反応炉１の上部にはガス導入口が設けられ、このガス導入口にガス導入管７ａ，７ｂが連接されている。反応炉１の底部にはガス排気口が設けられ、このガス排気口にガス排気管８が連接されている。
【００１９】
ガス導入管７ａを介して例えばトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）等の第１３（３Ｂ）族原料ガスが、またガス導入管７ｂを介してアルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）等の第１５（５Ｂ）族原料ガスと、キャリアガスとしての水素（Ｈ2）等のガスが反応炉１内に導入される。
反応炉１に導入された原料ガスは、反応炉１の上流側で熱分解され、下流側に流れてウェーハＷ上にＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等のエピタキシャル成長膜を形成する。一方、未反応の原料ガスはキャリアガスとともに排気口を介してガス排気管８から外部へ排出される。
【００２０】
［実施例］
実施例では、上述した気相成長装置１００を用いて、ＩｎＰ基板上に形成された厚さが約４７３ｎｍで表面に凹凸を有するＩｎＧａＡｓＰ層上に、III−Ｖ族化合物半導体層（たとえばＩｎＰ層など）を、有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる場合について説明する。
【００２１】
本実施例では、エピタキシャル成長温度を通常の成長温度である６２０℃よりも６５℃低い５５５℃に設定してＩｎＰ保護層を、基板上のＩｎＧａＡｓＰ層表面の凹凸の高さと同程度である約３０ｎｍ成長させ、その後、成長を中断し、通常の成長温度６２０℃に設定してさらにＩｎＰ層を８００ｎｍ成長させた。
【００２２】
図２には、実施例で得られた気相成長ウェーハのＳＥＭ（走査電子顕微鏡）による結晶断面の評価結果を示す。なお、図２（Ａ）はＩｎＰ基板と表面に凹凸を有するＩｎＧａＡｓＰ層とＩｎＰ保護層の全体を示す断面図で、図２（Ｂ）は図２（Ａ）を約１０倍に拡大したもの、図２（Ｃ）は図２（Ａ）を約５倍に拡大したものである。
図２より、上記実施例によるＩｎＰ保護層形成後におけるＩｎＰ基板上の化合物半導体層（ＩｎＧａＡｓＰ層）表面の凹凸の高さは３２．３ｎｍ、コルゲーションピッチは２４４ｎｍであり、凹凸が消失することなく原型に近い形状で保存されていることが分かった。
【００２３】
ところで、凹凸を保護するＩｎＰ層の成長条件に関しては、Ｖ族の原料ガスであるＰＨ3は、５００℃以下の温度にすると熱分解しないことが知られている。図４に、ＰＨ3ガスの熱分解に関する調査結果を示す。図４において、特性ａ，ｂは反応管の内壁をＳｉＯ2層により被覆した場合の熱分解比率、特性ｃは反応管の内壁をＩｎＰ層により被覆した場合の熱分解比率をそれぞれ示す。
【００２４】
図４より、反応管の内壁をＩｎＰ層により被覆した場合の方がより低い温度まで熱分解比率が維持されるが、反応管の内壁をＩｎＰ層により被覆した場合（反応管内壁にＩｎＰ生成物が付着した状態と同等）においては、５００℃では熱分解比率が３０％程度まで低下することが分かる。本発明者らは、実際に反応管の内壁にＩｎＰが付着した状態でこのような温度にて成長実験を行ったところと、エピタキシャル成長膜の結晶性が極めて悪くなり、表面が白濁することを確認した。
【００２５】
表面の白濁を防止するには、熱分解比率が５０％は必要であると考えられる。従って、ＩｎＰ基板表面に凹凸部（コルゲーション）を保存しつつ表面白濁のないＩｎＰ保護膜を成長させることができる成長温度の範囲としては、５２０℃以上６００℃以下とするのが良いとの結論に達した。ここで、ＩｎＰ保護膜は、アンドープＩｎＰ、もしくは、ドーピングしたＩｎＰのいずれであってもよい。
【００２６】
なお、ドープＩｎＰ層とする場合には、ｐ型不純物またはｎ型不純物をドーピングしたキャリア濃度が1.0E＋１５〜5.0E＋１8の範囲内のＩｎＰ層とするのが望ましい。
また、上記通常の成長温度よりも低い成長温度により成長させる保護膜としてのＩｎＰ層の厚さの好ましい範囲は、基板上のＩｎＧａＡｓＰ層表面の凹凸の高さの１／３から３０倍である。
【００２７】
［比較例］
上記実施例との比較のため、上記実施例で用いた基板と同じ基板、すなわちＩｎＰ基板上に形成された表面に凹凸を有するＩｎＧａＡｓＰ層上に、エピタキシャル成長温度を最初から最後まで通常の成長温度である６２０℃に設定して約８００ｎｍのＩｎＰ層を成長させる実験を行った。温度以外の成長条件は上記実施例と同じにした。
【００２８】
図３には、この比較例で得られた気相成長ウェーハのＳＥＭによる断面の評価結果を示す。なお、図３（Ａ）はＩｎＰ基板と表面に凹凸を有するＩｎＧａＡｓＰ層とＩｎＰ保護層の全体を示す断面図で、図３（Ｂ）は図３（Ａ）を約１０倍に拡大したもの、図３（Ｃ）は図３（Ａ）を約５倍に拡大したものである。図３より、比較例によって得られた気相成長ウェーハでは、化合物半導体層（ＩｎＧａＡｓＰ層）表面の凹凸は高さ１３．６ｎｍ、コルゲーションピッチ２４０ｎｍであり、凹凸がかなり消失していることが分かる。
【００２９】
ＩｎＰは６００℃以上の比較的高い温度では、表面流動性が良くなるが、Ｉｎの蒸発なども温度が上がるにつれて徐々に顕著になるので、高すぎるのは望ましくない。一方で、ＩｎＰの表面流動性は埋め込み効果を改善し、凹凸を隙間なく埋め込むことに寄与できるため、成長後の平坦性が改善される。さらに、屈折率の高いコルゲーションに対し、通常はＩｎＰがもっとも大きな屈折率差を有するため、コルゲーションとしての光の干渉効果も最適化される。従って、第二段階のＩｎＰ層成長の望ましい温度の範囲は、６００℃以上６５０℃以下であると考えられる。
６５０℃以上では、装置によりＩｎＰ系成長において白濁する場合もあり、これは、Ｉｎの再蒸発により、表面の成長ステップの乱れやＩｎ原子の過剰な空孔が生じたり、また、ＰＨ3の実効分圧が不足することから表面状態に乱れが生じ、低温とは別の原因により表面平坦性が悪化するものと推定される。
【００３０】
上述した実施形態の気相成長方法は、ＩｎＰ層による凹凸の保護層の厚さを、基板表面の凹凸の高さと同程度とすることで、段差の被覆を改善し、凹凸部の形状の違いやばらつきによらない安定したＩｎＰ埋め込み条件を与えるものである。また、その後の成長において過剰に表面流動が生じたり、ＩｎやＰの蒸発が起こったとしても、保護層の厚さが凹凸の高さと同程度であることにより、初期の加工寸法が大きく変化しないように条件を選ぶことができる。
【００３１】
また、初期形状の保存具合は、保護層の成長温度によって制御することができ、従来技術に比べ、圧倒的に安定な成長条件を提供できる。
さらに、ＩｎＰ層の保護層を形成した後、ＰＨ3ガスを流したまま、引き続きＩｎＰ層を成長させることができるので、成長装置の炉内の雰囲気を一定に保持し易くなり、その後の成長が安定するといった利点もある。
【００３２】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。例えば前記実施例では、凹凸を有するＩｎＰ基板表面の四元系III−Ｖ族化合物半導体層はＩｎＧａＡｓＰ層と説明したが、ＩｎＧａＡｓＰ層の代わりにＩｎＧａＡｌＡｓ層としてもよい。
【００３３】
さらに、以上の説明では主として本発明者によってなされた発明を、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザー素子用のIII−Ｖ族化合物半導体基板（例えばＩｎＰ基板）に適用した場合を説明したが、本発明は表面に凹凸を有する基板を用いる他の化合物半導体素子用の基板にも利用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  反応炉
２  冷却機構（水冷方式）
３  ウェーハホルダ
４  サセプタ
５  加熱ヒータ
６  回転機構
７  ガス導入管
８  ガス排気管
１００  気相成長装置
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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