(57)【要約】【課題】化合物半導体成長中に格子整合を確認し、高スループットで格子整合した化合物半導体層を提供する。【解決手段】半導体基板または疑似基板上に３元、又は４元の化合物半導体（混晶半導体）を成長する際に、格子定数、熱膨張係数、成長速度を把握する事で、基板が単位時間当たりに反る量を見積もり、他方で成長時の基板曲率の現場測定し、これらの２つの反り量との合致を判断することで、成長層の材料の組成を決定して格子整合した半導体層を成長する。【選択図】図３
2015109389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
データベースに有機的に結合されたコンピュータ及び結晶成長装置を用いて、基板上に化合物半導体結晶を成長させる成長方法であって、前記データベースは化合物半導体結晶の物性である格子定数、熱膨張係数及び屈折率を格納し、前記方法は、
前記化合物半導体結晶の成長面に照射した光の反射光を観察して前記化合物半導体結晶の反射率の変動を観測し、前記観測された反射率の変動と前記化合物半導体結晶の屈折率とに基づいて前記化合物半導体結晶の成長速度を求め、前記成長速度に基づいて膜厚を求めることと、
前記化合物半導体結晶の格子定数及び熱膨張係数と前記膜厚とに基づいて、前記基板の曲率を算出することと、
前記化合物半導体結晶の成長面に照射した光の反射光の観察に基づいて前記基板の曲率を得ることと、
前記基板の前記算出した曲率と前記観察に基づいた曲率との対比に基づいて、前記化合物半導体結晶が格子整合しているか否かを判別することと、
前記化合物半導体結晶が格子整合していない場合に、前記化合物半導体の原料の供給量を調整するためにフィードバックをすることと
を含むことを特徴とする成長方法。
【請求項２】
前記化合物半導体結晶は、３元または４元の化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の成長方法。
【請求項３】
前記化合物半導体は、前記基板上に格子緩和又は選択領域成長で成膜された擬似的な基板層上に成長することを特徴とする請求項１又は２に記載の成長方法。
【請求項４】
前記基板は、半導体基板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体結晶の成長方法に関し、より具体的には成長中に得られる情報に基づいたフィードバックを伴う、格子整合した化合物半導体結晶の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、化合物半導体（混晶半導体）は、光デバイスや電子デバイスの材料として用いられている。デバイスとして利用される化合物半導体は、層構造を有するもので、母材となる化合物又は単元素の半導体基板上に、結晶成長装置を用いて成膜される。
【０００３】
結晶成長装置により成膜される半導体層のほとんどは、半導体基板又は格子緩和や選択領域成長等で成膜される擬似的な半導体基板層に格子整合するように成長される。
【０００４】
従来、成長層が基板又は擬似的な基板層に対して格子整合しているかは、成長後に結晶成長装置から取り出した後、Ｘ線回折装置などで評価を行うことで確認している。（例えば、非特許文献１参照）
【０００５】
Ｘ線回折による評価は、軸立て（基板ピークのゼロ点合わせ）、ω―２θスキャン、及びフィッティングソフトによる解析等の複数の工程が必要であり、評価・フィードバックまでに時間がかかり、生産のスループットが低下する問題がある。
【０００６】
また、成長後に格子整合を評価するＸ線回折などの手法では、格子整合を実現する成長条件を１回の結晶成長で見つけられる事は稀であり、複数回の結晶成長が必要となり、半導体基板を複数枚用意する必要があり、コストが嵩む。
【０００７】
さらに、Ｘ線回折装置は一般に大型で空間を占有し、運用するためにはエックス線作業主任者を配置し、維持管理を行わなければならない。
【０００８】
また、成長した化合物半導体層の成長速度は、格子整合の場合と同様にＸ線回折を用いるか、電子顕微鏡などの破壊検査を用いて評価を行う必要がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J. B. Forsyth 著、岩崎 博 訳、「個体物性シリーズ２  結晶構造」、丸善、昭和５０年
【非特許文献２】白木 靖寛、吉田 貞史 著，金原 粲 監修、「薄膜工学」、丸善、平成１５年
【非特許文献３】Shaojun Ma et al., “Strain-compensation measurement and simulation of InGaAs/GaAsP multiple quantum wells by metal organic vapor phase epitaxy using wafer-curvature”, Vol. 110, 113501, Journal of Applied Physics, (2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来利用されてきた格子整合を判断するＸ線回折評価では、成長後に基板毎に別個に評価を行う必要があり、時間やコストがかかる問題があった。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、室温で格子整合する化合物半導体層の組成を決定し、当該組成で膜を成長させることで格子整合のとれた化合物半導体を高スループットで作製することができる化合物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】
【００１２】
上記目的を達成するため、本願発明の一態様は、データベースに有機的に結合されたコンピュータ及び結晶成長装置を用いて、基板上に化合物半導体結晶を成長させる成長方法である。データベースは化合物半導体結晶の物性である格子定数、熱膨張係数及び屈折率を予め格納している。上記方法は、化合物半導体結晶の成長面に照射した光の反射光を観察して当該化合物半導体結晶の反射率の変動を観測し、観測された反射率の変動と化合物半導体結晶の屈折率とに基づいて化合物半導体結晶の成長速度を求めることを含む。また、求めた成長速度に基づいて膜厚を求めることを含む。また、上記方法は、化合物半導体結晶の格子定数及び熱膨張係数と求めた膜厚とに基づいて、基板の曲率を算出することを含む。上記方法は、化合物半導体結晶の成長面に照射した光の反射光の観察に基づいて基板の曲率を得ることと、上記の算出した曲率と当該観察に基づいた曲率との対比に基づいて、化合物半導体結晶が格子整合しているか否かを判別することとを含む。また、上記方法は、化合物半導体結晶が格子整合していない場合に、化合物半導体の原料の供給量を調整するためにフィードバックをすることを含む。
【００１３】
前記化合物半導体結晶は、３元または４元の化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の成長方法。
【００１４】
一実施形態では、化合物半導体は、基板上に格子緩和や選択領域成長等で成膜された擬似的な基板層上に成長してもよい。
【００１５】
一実施形態では、基板は、半導体基板である。半導体基板は、例えば、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｃ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＳｂ，ＩｎＳｂ，ＡｌＡｓ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮ，ＳｉＧｅである。化合物半導体結晶は、３元または４元の化合物半導体であり、例えば、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＰ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＳｂ，ＡｌＧａＳｂ，ＩｎＡｌＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＧａＮＡｓ，ＩｎＰＮである。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明に係る化合物半導体層によれば、成長時の測定のみで格子整合条件を決定でき、高スループットに半導体素子を実現する技術を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる成長方法を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる成長方法により成長する化合物半導体結晶を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる成長方法における組成の決定方法を説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる成長方法のフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態にかかる成長方法により成長する化合物半導体結晶を説明する図である。
【図６】基板の曲率の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。  
本発明の方法では結晶成長に先立ち、半導体基板及び化合物半導体層の物性をデータベース化する。データベース中には、化合物半導体層の物性である、室温又はある特定の温度における格子定数、熱膨張係数、及び屈折率を含める。
【００１９】
また、成長層の成長速度（膜厚）を把握するために、成長時に成長層に対してレーザ光を照射し、反射率を測定する。図１に示すように半導体基板又は擬似的な半導体基板層１０２上に化合物半導体層１０４を成膜した構造に対し、成長面の垂直上方よりレーザ光を入射し、反射率を測定する。空気の屈折率を１，化合物半導体層１０４の屈折率をｎｆ、半導体基板１０２の屈折率をｎｓとした場合、空気と化合物半導体層１０４との界面の振幅反射率および振幅透過率をｒ１およびｔ１、化合物半導体層１０４と半導体基板１０２との間の振幅反射率および振幅透過率をｒ２およびｔ２とし、これら界面間での光路差をδとすると、これらはそれぞれ
【００２０】
【数１】
2015109389.tif 000003
【００２１】
で表され、反射率Ｒは、
【００２２】
【数２】
2015109389.tif 000004
【００２３】
と表される。ただし、ｒ＊は、ｒの複素共役、λは真空中でのレーザ光の波長、ｄは化合物半導体層１０４の膜厚である（例えば、非特許文献２参照）。上式に従い、成長中の化合物半導体層１０４からの反射光強度は時間と共に特有の振動が生じる。この反射率の振動と前記のデータベース中の屈折率より、成長層の膜厚及び成長速度を把握する。
【００２４】
前項までで把握された膜厚又は成長速度、並びに、データベース中の格子定数及び熱膨張係数を用いて、成長中の格子整合条件で成長した場合の基板反り（曲率）の時間変化を計算する。基板の曲率変化ΔＫは、図１のような構造において、半導体基板又は擬似的な半導体基板層１０２の室温又はある温度における格子定数、熱膨張係数、膜厚（基板厚）をａｓ０，αｓ，ｈｓとし、化合物半導体層１０４の室温又はある温度における格子定数、熱膨張係数、膜厚をａｆ０，αｆ，ｈｆとし、成長時の温度と室温又は上記のある温度との差をΔＴとして、
【００２５】
【数３】
2015109389.tif 000005
【００２６】
と計算できる。（非特許文献３）
【００２７】
さらに、反射率の測定と並行して化合物半導体層成長中に基板反り（曲率）をその場観察する。結晶成長時の基板の反り（曲率）は、基板に対し垂直に入射される２つのレーザ光の反射像をＣＣＤカメラで撮影し、２つの反射光の間隔により観測することにより得られる。基板の反りが凹状（concave）の場合には、ＣＣＤによって観測される２つの反射光の間隔が入射間隔よりも小さくなる。基板反りが凸状（convex）の場合には、ＣＣＤによって観測される２つの反射光の間隔が入射間隔よりも大きくなる。基板に反りが生じない場合には、ＣＣＤによって観測される２つの反射光の間隔が入射間隔と等しくなる。基板の反り（曲率）は、反射光がＣＣＤで観測される位置のずれの量（距離）とＣＣＤの距離とから計算により求めことができる。
【００２８】
この時測定された基板反り（曲率）が、前項で計算された基板反り（曲率）と同等程度であれば格子整合を達成していると判断する。
【００２９】
一方、計算された基板反り（曲率）と測定された基板反り（曲率）が異なる場合、格子整合を達成していないと判断し、格子定数を調整するように化合物半導体層の原料供給量を調整するようにフィードバックをかける。
【００３０】
（実施例１）
図２に示すような、ＩｎＰ基板２０２上へ、ＩｎＰに室温で格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層２０４を成長する例を説明する。図３の実線は、結晶成長装置内における成長温度を室温より７５０℃高い温度とし、ＩｎＰ層およびＩｎＧａＡｓ層の成長速度をともに１μｍ／ｈとし、ＩｎＰ基板およびＩｎＧａＡｓ層の熱膨張係数をそれぞれ４．６０×１０−６および５．６６×１０−６として、成長時の曲率変化を計算したものである。
【００３１】
結晶成長装置内においてＩｎＰ基板上へＩｎＧａＡｓ層を成長した際に現場観測される曲率が、図３の実線（計算された曲率）より下側の領域へプロットされた場合には、ＩｎＰに対してＩｎＧａＡｓ層の格子定数が大きすぎる。したがって、ＩｎＧａＡｓ層の格子定数を小さくするため、結晶成長装置に対して、Ｉｎの原料供給量を減少させるか、Ｇａの原料供給量を増加させるフィードバックをかける。
【００３２】
一方で、現場観測による曲率が、図３の実線より上側にプロットされた場合には、ＩｎＰに対してＩｎＧａＡｓ層の格子定数が小さいため、結晶成長装置に対して、Ｉｎの原料供給量を増加させるか、Ｇａの原料供給量を減少させるフィードバックをかける。
【００３３】
図４に、本実施形態にかかる成長方法のフローチャートを示す。本実施形態に係る成長方法は、結晶成長装置と、結晶成長装置及びデータベースに有機的に結合されたコンピュータとにより実行される。
【００３４】
ステップ４０２において、結晶成長装置において成長を開始する。データベースは、成長開始以前に、化合物半導体層の物性である室温又はある特定の温度における格子定数、熱膨張係数、及び屈折率を予め記憶している。
【００３５】
ステップ４０４において、成長層の反射率を測定し、成長層の成長速度を把握する。より具体的には、結晶成長装置において成長層に対してレーザ光を照射し、反射光の強度を観測することで、反射率を現場測定する。ここで測定される反射率（反射光の強度）は、時間の経過（成長層の膜厚の増加）とともに、振動する。他方、レーザ光の既知の波長と、データベースから取得した成長層の屈折率と、式１および２とから、成長層における反射率の変動（振動）の周期を計算により求めることができる。これにより、成長時間に応じた、成長層の成長速度及び膜厚を把握する（求める）ことができる。
【００３６】
ステップ４０６において、データベースから成長層の格子定数及び熱膨張係数を取得する。
【００３７】
ステップ４０８において、データベースから取得した格子定数及び熱膨張係数と、ステップ４０４で把握した成長層の膜厚と、式３とから、曲率を算出する。
【００３８】
ステップ４１０において、ステップ４０８で算出した曲率と、成長層に照射した２つのレーザ光の反射光を現場観測することにより得られた結晶成長時の基板の反り（曲率）とに基づいて、格子整合を達成しているか否かを判断する（図３参照）。
【００３９】
格子整合していない場合は、ステップ４１２において、フィードバックにより、原料供給量を調整する。より具体的には、成長層の現場観測された曲率が、ステップ４０８で算出した曲率より小さい場合には、成長層の格子定数を小さくするため、結晶成長装置に対してフィードバックする。（例えば、Ｉｎの原料供給量を減少させるか、Ｇａの原料供給量を増加させる）。成長層の現場観測された曲率が、ステップ４０８で算出した曲率より大きい場合には、成長層の格子定数を大きくするため、結晶成長装置に対してフィードバックする（例えば、Ｉｎの原料供給量を増加させるか、Ｇａの原料供給量を減少させる）。格子整合を達成するために、原料供給量の調整を行うが、これは自動・手動を問わない。
【００４０】
格子整合している場合は、ステップ４１４において、所望の厚さまで成長層を成長して終了する。
【００４１】
成長時の温度も把握する必要もあるが、これは輻射光による観察等があるが、方法はこれに限らない。
【００４２】
（実施例２）
図５は、上述した成長方法により、ＧａＡｓ基板上５０２に格子緩和を利用して成長した擬似的なＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ層の上に、Ｉｎ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓにほぼ格子整合するＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓ層を成長した構造の断面図である。このように、基板上に格子緩和を利用して成長した擬似的な基板の上に化合物半導体層を成長させることもできる。
【００４３】
図６は、図５に示した構造を例として、擬似的なＩｎＧａＡｓ層とこれにほぼ格子整合するＩｎＡｌＡｓ層をＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により成長した際の基板曲率のシミュレーションと測定値を示したものである。
【００４４】
図６の実線で示されるシミュレーションは式３を用い、擬似的な半導体基板層であるＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ層の熱膨張係数を５．７１×１０−６、ＩｎＡｌＡｓ層の熱膨張係数を５．１５×１０−６、成長速度を０．８ｎｍ／ｓとして行ったものである。
【００４５】
上述したシミュレーションと同様の条件でＭＯＶＰ法を用いて結晶成長を行った結果が図６の円で示されるものである。
【００４６】
成長した化合物半導体層が、擬似的な半導体基板層に対して格子整合しているため、シミュレーションの実線と良い合致をしていることがわかり、Ｘ線回折などの評価を行わなくとも、成長時に格子整合を満たしていることを確認可能となる。
【００４７】
以上説明したように、化合物半導体の成長方法は、予め半導体物性に関するデータベースを構築しておき、半導体層の成長中に得られる情報（例えば、成長中の半導体層にレーザ照射した場合の反射率）とデータベース内の情報を用いて半導体層の膜厚、成長速度、基板反り等がリアルタイムで得られ、所望の特性（格子整合）が得られるよう、半導体成長のための原料供給量を調整するフィードバックをかけ、これにより、従来のような成長後の特性評価を行わずに、格子整合のとれた半導体層が高スループットで作製できる。
【００４８】
なお、半導体基板は、例えば、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｃ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＳｂ，ＩｎＳｂ，ＡｌＡｓ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮ，ＳｉＧｅとすることができるが、本発明は、これに限定されない。
【００４９】
また、化合物半導体（混晶半導体）層は、例えば、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＰ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＳｂ，ＡｌＧａＳｂ，ＩｎＡｌＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＧａＮＡｓ，ＩｎＰＮなどの３元又は４元の化合物半導体（混晶半導体）とすることができるが、本願発明は、これに限定されない。
【００５０】
また、本願発明は、半導体基板に限定されず、サファイア基板上に製膜したＧａＮを擬似的な半導体基板層として、ＧａＮ薄膜に化合物半導体（混晶半導体）を成長させてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１０２，５０２  半導体基板、擬似的な半導体基板層
５０３  擬似的な半導体基板層
１０４，５０４  化合物半導体層
【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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