(57)【要約】【課題】分子線源セル内の半導体材料の残量データを分子線源セルの温度制御量の計算に加味することで、半導体材料の減少による分子線強度の変化を抑えて、分子線強度を一定に保持し、所望の特性を持つ半導体結晶の薄膜形成を連続して行う。【解決手段】外部から入力されたるつぼ内への半導体材料の初期投入量などの分子線源セルのデータ、薄膜形成装置の運転データ、および形成した薄膜の品質データをメモリに記憶し、記憶したこれらのデータをメモリから読み出して、分子線源セルの温度制御量の計算を行い、計算した分子線源セルの温度制御量に基づいて分子線源セルの温度を制御する薄膜形成方法において、分子線源セルの温度制御量の計算に際し、分子線源セル内の半導体材料の残量に応じて分子線源セルの温度補正を行う。【選択図】  図１
2004207382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から入力されたるつぼ内への半導体材料の初期投入量などの分子線源セルのデータ、薄膜形成装置の運転データ、および形成した薄膜の品質データをメモリに記憶し、
記憶したこれらのデータをメモリから読み出して、分子線源セルの温度制御量の計算を行い、
計算した分子線源セルの温度制御量に基づいて分子線源セルの温度を制御することからなる薄膜形成方法であって、
分子線源セルの温度制御量の計算に際し、分子線源セル内の半導体材料の残量に応じて分子線源セルの温度補正を行うことを特徴とする半導体デバイスの薄膜形成方法。
【請求項２】
るつぼ内への半導体材料の初期投入量などの分子線源セルのデータ、薄膜形成装置の運転データ、および形成した薄膜の品質データを入力する入力部と、
入力部から入力されたデータを記憶するメモリと、
メモリに記憶されたデータを読み出して、分子線源セルの温度制御量の計算を行う計算処理部と、
計算処理部によって計算された分子線源セルの温度制御量に基づいて分子線源セルの温度を制御する制御部とを備え、
計算処理部が、分子線源セルの温度制御量の計算に際し、分子線源セル内の半導体材料の残量に応じて分子線源セルの温度補正を行うことを特徴とする半導体デバイスの薄膜形成装置。
【請求項３】
入力部が、半導体材料の残量と分子線強度との関係を入力可能であり、メモリが、その入力された半導体材料の残量と分子線強度との関係を記憶し、計算処理部が、メモリに記憶されたるつぼ内への半導体材料の初期投入量から分子線源セル内の半導体材料の残量を算出し、その半導体材料の残量と分子線強度との関係に基づいて、分子線強度が一定になるように温度制御量の計算を行う請求項２記載の半導体デバイスの薄膜形成装置。
【請求項４】
入力部が、分子線源セルが他の分子線源セルに交換された際に、新しい分子線源セルのデータを受け取り、
計算処理部は、入力部から新しい分子線源セルのデータが入力されると、分子線源セルのデータを新しいデータと入れ換えて、分子線源セルの温度制御量の計算を行う請求項３記載の半導体デバイスの薄膜形成装置。
【請求項５】
計算処理部が、薄膜形成装置の運転中に分子線源セルの温度制御量の計算を逐次行い、制御部が、薄膜形成装置の運転中に、計算処理部によって計算された分子線源セルの温度制御量に基づいて分子線源セルの温度の制御を逐次行う請求項３記載の半導体デバイスの薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの薄膜形成方法および装置に関し、さらに詳しくは、分子線源セルを用いた分子線エピタキシーによる半導体デバイスの薄膜形成方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述のような薄膜形成装置では、通常、るつぼと、電気ヒータと、温度等のセンサと、それらの支持部品とで分子線源セルを構成する。そして、半導体材料を入れたるつぼを電気ヒータで加熱し、半導体材料をるつぼ内で蒸発させ、その蒸発により分子線源セルから放射される分子線を基板に付着させることで半導体結晶薄膜を成長させるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一般に、分子線による薄膜の形成においては、所望の仕様を満たす薄膜を連続的に成長させるために、分子線の強度を一定に保つことが必要とされる。
【０００４】
しかし、上述のような薄膜形成装置では、るつぼの温度を一定に保ちながら半導体材料を蒸発させると、材料が減っていくにつれて分子線の強度が低下していくという特性を持っている。
【０００５】
したがって、現在の薄膜成長法では、分子線の強度を一定に保つために、以前に形成した薄膜の品質データ（結晶特性データ）と、薄膜形成装置の運転データに基づいて、薄膜形成を行うごとに分子線源セルの温度の補正値を決め、半導体材料の減少によって分子線の強度が低下しないように、るつぼの温度を上昇させる補正を行うようにしている。これは、分子線強度の測定装置の劣化が起こるため、装置の運転中に分子線強度を連続して測定することが困難であることによる。
【０００６】
一回の薄膜形成での消費量が少ない半導体材料や、分子線源セル内のるつぼの形状により、材料消費による分子線強度の変化量が小さい分子線源セルもあるが、材料交換間隔の長期化を目的とした分子線源セルの大型化、それによる長期間にわたる装置の連続運転では、ごく少ない材料の消費、もしくは分子線強度の変化量の低いるつぼ形状でも、材料消費による分子線強度の変化が発生する。
【０００７】
分子線源セルの中に入っている半導体材料の残量の管理は、上述のように分子線源セル内の材料を直接測定することが困難であるため、材料が残り少なくなり、温度補正を続けることでセル温度がその材料を使用開始した時点より大きく上昇した時点で、材料が少ないと判断することのみを行うことが考えられる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平４−６５３９２号公報。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来の薄膜形成装置では、分子線源セルの材料消費による分子線強度の変化を考慮しておらず、このため材料消費による分子線強度の変化の影響が発生し、所望の特性を有する半導体結晶が得られないという課題がある。
【００１０】
また、長期間にわたる装置の連続運転では、一回の薄膜形成ではごく少ない材料消費、もしくは分子線強度変化の少ないるつぼ形状でも、運転期間の長期化により材料消費が大きくなることで分子線強度の変化がおき、所望の特性を有する半導体結晶の連続生産ができないという課題がある。
【００１１】
さらに、分子線源セルの温度の補正値の計算に、成膜した半導体デバイスの検査結果を使用しているため、薄膜形成を一度行うごとにしか温度の補正値を計算することができず、薄膜形成中に材料が消費されて分子線強度が変化しても、その変化を抑えるための温度補正ができないという課題がある。
【００１２】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、分子線源セル内の半導体材料の残量データを分子線源セルの温度制御量の計算に加味することで、半導体材料の減少による分子線強度の変化を抑えて、分子線強度を一定に保持し、所望の特性を持つ半導体結晶の薄膜形成を連続して行うことを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、外部から入力されたるつぼ内への半導体材料の初期投入量などの分子線源セルのデータ、薄膜形成装置の運転データ、および形成した薄膜の品質データをメモリに記憶し、記憶したこれらのデータをメモリから読み出して、分子線源セルの温度制御量の計算を行い、計算した分子線源セルの温度制御量に基づいて分子線源セルの温度を制御することからなる薄膜形成方法であって、分子線源セルの温度制御量の計算に際し、分子線源セル内の半導体材料の残量に応じて分子線源セルの温度補正を行うことを特徴とする半導体デバイスの薄膜形成方法である。
【００１４】
本発明によれば、分子線源セルの温度制御量の計算に際し、分子線源セル内の半導体材料の残量に応じて分子線源セルの温度補正を行うので、半導体材料の残量の変化による分子線強度の変化が抑制される。
【００１５】
本発明は、また、るつぼ内への半導体材料の初期投入量などの分子線源セルのデータ、薄膜形成装置の運転データ、および形成した薄膜の品質データを入力する入力部と、入力部から入力されたデータを記憶するメモリと、メモリに記憶されたデータを読み出して、分子線源セルの温度制御量の計算を行う計算処理部と、計算処理部によって計算された分子線源セルの温度制御量に基づいて分子線源セルの温度を制御する制御部とを備え、計算処理部が、分子線源セルの温度制御量の計算に、分子線源セル内の半導体材料の残量を使用することを特徴とする半導体デバイスの薄膜形成装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明において、入力部は、キーボード、マウス、タブレット等の入力装置や、内部メモリや外部メモリからデータを受ける取るインターフェイス、あるいはネットワークのようなラインからデータを受け取るインターフェイス等を含むものである。
【００１７】
メモリは、内部メモリや、外部メモリを含むものである。内部メモリとしては、ＲＡＭやＲＯＭなどを適用することができる。外部メモリとしては、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭなどの各種の外部記憶装置を適用することができる。
【００１８】
本発明においては、入力部を、半導体材料の残量と分子線強度との関係を入力可能に構成し、メモリを、その入力された半導体材料の残量と分子線強度との関係を記憶するように構成し、計算処理部を、メモリに記憶されたるつぼ内への半導体材料の初期投入量から分子線源セル内の半導体材料の残量を算出し、その半導体材料の残量と分子線強度との関係に基づいて、分子線強度が一定になるように温度制御量の計算を行うように構成することが望ましい。
【００１９】
上記構成においては、入力部を、分子線源セルが他の分子線源セルに交換された際に、新しい分子線源セルのデータを受け取るように構成し、計算処理部を、入力部から新しい分子線源セルのデータが入力されると、分子線源セルのデータを新しいデータと入れ換えて、分子線源セルの温度制御量の計算を行うように構成することが望ましい。
【００２０】
この構成であれば、分子線源セルが他の分子線源セルに交換された際には、計算処理部により、分子線源セルのデータが新しいデータと入れ換えられ、新しい分子線源セルについての半導体材料の残量と分子線強度との関係に基づいて、分子線源セルの温度制御量の計算が行われるので、半導体材料の残量を加味した温度補正値の計算を、分子線セルの交換前と同様に行うことができる。
【００２１】
上記構成では、また、計算処理部を、薄膜形成装置の運転中に分子線源セルの温度制御量の計算を逐次行い、制御部を、薄膜形成装置の運転中に、計算処理部によって計算された分子線源セルの温度制御量に基づいて分子線源セルの温度の制御を逐次行うように構成することが望ましい。
【００２２】
この構成であれば、薄膜形成装置の運転中に、分子線源セル内の半導体材料の残量データが収集され、半導体材料の消費による分子線強度の変化分を補正する温度修正値の計算が行われて、分子線源セルの温度制御量の計算が逐次行われるので、半導体材料の残量の変化による分子線強度の変化を抑えて、薄膜の特性を所望の値により近づけることが可能となる。
【００２３】
以下、図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳述する。なお、この発明はこれによって限定されるものではなく、各種の変形が可能である。
【００２４】
図１は本発明による薄膜形成装置の全体構成を示すブロック図である。
本薄膜形成装置は、大きく分けて、直接成膜に関与する反応チャンバ・制御部１０と、反応チャンバの制御量の演算を行う制御量演算部３との２つの部分から構成されている。
【００２５】
反応チャンバ・制御部１０は、分子線源セル１１、制御部１２、観測部１３、反応チャンバ１４、基板導入保持部１５、真空排気部１６から構成されている。基板導入保持部１５は薄膜を形成する基板を反応チャンバ１４内に導入して保持する。真空排気部１６は反応チャンバ１４を高真空状態に保持する。
【００２６】
分子線源セル１１は、るつぼと、電気ヒータと、温度等のセンサと、それらの支持部品とで構成されている。るつぼ内には、Ｇａ，Ａｓ，Ｐ，ＧａＡｓ，ＧａＰ等の半導体材料を１００ｇ〜１ｋｇ入れ、このるつぼを電気ヒータで７００〜１５００℃に加熱し、半導体材料をるつぼ内で蒸発させる。この蒸発により、分子線源セル１１から成膜用の分子線を反応チャンバ１４内に放射させ、この放射された分子線を基板に付着させることで、基板上に半導体結晶薄膜を成長させるようにしている。
【００２７】
観測部１３は、分子線源セル１１の温度、反応チャンバ１４内の温度、圧力（真空度）、基板温度、基板表面温度、薄膜成長にかかる時間等を定量的に観測する。制御部１２は分子線源セル１１の温度、反応チャンバ１４内の温度、圧力、基板温度等の制御を行う。
【００２８】
制御量演算部３は、成膜仕様入力部４、計算処理装置５、データベースアクセス部６、分子線源セルデータベース７、薄膜品質データベース８、装置運転データベース９から構成されている。制御量演算部３には、キーボード１とモニタディスプレイ２が取り付けられている。
【００２９】
キーボード１からは、使用者により、成膜仕様が入力される。成膜仕様とは、基板の種別や、目的堆積薄膜の機械物性、電気物性等であり、この機械物性、電気物性には、例えば、目的堆積薄膜の種別、成膜速度、薄膜電気物性等が含まれる。成膜仕様入力部は、この成膜仕様を計算処理装置５に入力する。
【００３０】
計算処理装置５は、この成膜仕様に基づいて分子線源セル温度の制御量の計算を行う。データベースアクセス部６は、計算処理装置５からの指示を受け、分子線源セルデータベース７、薄膜品質データベース８、および装置運転データベース９に対してアクセスを行う。
【００３１】
分子線源セルデータベース７には、分子線源セル１１内のるつぼの形状、寸法、容量、るつぼ内への半導体材料の初期投入量（重量）、るつぼ内の半導体材料の残量、温度の変化量と分子線強度の変化量との関係、半導体材料の残量と分子線強度との関係等が記録されている。
【００３２】
薄膜品質データベース８には、本薄膜形成装置で薄膜を形成した半導体デバイスの電気特性、物理特性等の検査結果が記録されている。この特性検査データは、具体的には、例えば、薄膜の組成、成長速度、成長膜厚、成長膜表面状態等のデータである。
【００３３】
装置運転データベース９には、観測部１３で観測したデータが装置運転データとして記録されている。
【００３４】
モニタディスプレイ２は、計算処理装置５で計算された制御量の表示や、各データベースの内容の表示などを行う。
【００３５】
データの入力はキーボード１を用いて行うようにしているが、これに限らず、マウス、タブレットなど、他の入力手段を用いてもよい。
【００３６】
本薄膜形成装置の動作を説明する。
まず、使用者により、キーボード１から目的薄膜の機械物性、電気物性等の成膜仕様が入力されると、成膜仕様入力部４は、これらの成膜仕様を計算処理装置５に入力する。
【００３７】
計算処理装置５は、この成膜仕様を満たす分子線源セル１１の温度制御量を算出する。また、計算処理装置５は、成膜基板温度など分子線源セル温度以外の制御量についても算出する。これらの制御量はモニタディスプレイ２に表示されるともに、制御部１２へ送られる。制御部１２はこれらの制御量に基づいて本薄膜形成装置の運転を行う。
【００３８】
次に、計算処理装置５での温度制御量の計算動作について説明する。
計算処理装置５は、まず、入力された機械物性、電気物性を満たすような組成の薄膜を成膜するための分子線強度を計算する。次に、この強度の分子線を放出させるための分子線源セル温度の制御量の計算を行う。
【００３９】
この分子線源セル温度の制御量の計算は、分子線源セルデータベース７、薄膜品質データベース８、および装置運転データベース９のデータを利用して行う。すなわち、装置運転データベース９から得られた前回の薄膜形成時における分子線源セル温度に、薄膜品質データベース８から得られた前回製造した薄膜の特性値の所望の値からの誤差修正のための温度補正値、および半導体材料残量の変化による分子線強度の変化を抑える温度補正値を加えることにより行う。
【００４０】
半導体材料残量の変化による分子線強度の変化を抑える温度補正値の計算は、半導体材料残量の変化量と分子線強度の変化量との関係を分子線源セルデータベース７から読み出し、前回の薄膜形成時に半導体材料が減少したことによって生じた分子線強度の変化が起きないように実施する。
【００４１】
以上の方法で、温度補正を行って、本薄膜形成装置を運転し、薄膜を形成する。その後、装置の運転データを装置運転データベース９に記録し、形成した薄膜の電気特性、物理特性等の検査データを薄膜品質データベース８に記録し、半導体材料の残量データを分子線源セルデータベースに記録し、次回に本薄膜形成装置を運転する時の温度補正値の計算の基礎データとする。これを繰り返すことで、所望の特性を持つ薄膜の連続した形成が可能になる。
【００４２】
薄膜形成装置の運転が中断されて分子線源セル１１が交換されることがあるが、その場合でも、計算処理装置５に温度補正計算の方法が記録さているので、分子線源セルデータベース７のデータを、交換した分子線源セル１１に対応するデータに交換することで、交換したセルに対して同様に、前述の温度補正計算を行うことが可能である。
【００４３】
図２は半導体材料の残量による温度補正の情報伝達経路を示す説明図である。太線は、半導体材料残量のデータに基づいて分子線源セル１１の温度補正値の計算を行う場合の情報伝達経路を示したものである。この例では、薄膜形成装置の運転中に、半導体材料の減少による分子線源セルの温度補正値の計算を逐次行う。
【００４４】
この半導体材料の減少による温度補正値の計算動作を具体的に説明する。
図１で説明したように、キーボード１から成膜仕様が入力されると、計算処理装置５は、その成膜仕様に基づいて、分子線源セル１１の温度制御量やその他の制御量を算出して制御部１２に送る。制御部１２は、それらの制御量に従って薄膜形成装置の運転を開始する。
【００４５】
計算処理装置５は、薄膜形成装置の運転が開始されると、情報伝達経路１７にそって、使用者の設定した任意の時間間隔で、分子線源セル１１内の半導体材料残量のデータを取得し、残量変化による分子線強度の変化分を打ち消して分子線強度が初期の設定値に維持されるような温度補正値を計算し、その温度補正値を加味した分子線源セル温度の制御量を制御部１２に送る。制御部１２は、その温度補正値を加味した分子線源セル温度の制御量に応じて装置の運転を行う。
【００４６】
薄膜を形成した後は、上述したように、装置の運転データを装置運転データベース９に記録し、形成した薄膜の電気特性、物理特性等の検査データを薄膜品質データベース８に記録し、半導体材料の残量データを分子線源セルデータベースに記録し、次回に本薄膜形成装置を運転する時の温度補正値の計算の基礎データとする。
【００４７】
以上により、装置運転中に半導体材料の残量に大きな変化が生じた場合でも、分子線強度を一定に維持することができ、所望の特性を持つ薄膜の形成が可能となる。
【００４８】
図３は分子線強度と半導体材料の残量との関係を示すグラフである。
上述したように、分子線源セルデータベース７には、分子線源セル１１内のるつぼの形状、寸法、容量、るつぼ内への半導体材料の初期投入量（重量）、るつぼ内の半導体材料の残量、温度の変化量と分子線強度の変化量との関係、半導体材料の残量と分子線強度との関係等が記録されている。
【００４９】
分子線セル１１のるつぼ内に収容された半導体材料の残量と、分子線セル１１から放射される分子線の強度とは、このグラフに示すような関係を持っている。このグラフのデータは分子線源セルデータベース７に記録されている。
【００５０】
このように、半導体材料の残量が減少すると、半導体材料の表面積が小さくなり、分子線セルから放出される分子線の強度が低下する。
【００５１】
このため、半導体材料の残量の減少につれて、分子線強度を大きくする。分子線強度を大きくするには、分子線源セルのるつぼの温度を上昇させるような温度補正を行い、半導体材料の温度を上昇させてやる。
【００５２】
るつぼ内の半導体材料の残量は直接検出してもよいが、るつぼの温度が７００〜１５００℃と高温であり、検出が困難である場合には、装置の運転データに基づいて予測してもよい。この半導体材料の残量の予測は、半導体材料の初期投入量、分子線源セル１１の温度、装置の運転継続時間に基づいて行う。
【００５３】
このようにして、分子線源セル内の半導体材料の残量データを分子線源セルの温度制御量の計算に加味し、これにより半導体材料の減少による分子線強度の変化を抑え、分子線強度を一定に保って、所望の特性を持つ半導体結晶の薄膜を連続して形成する。
【００５４】
以上説明したように、成膜した半導体デバイスの品質をフィードバックする分子線源セルの温度制御に加えて、半導体材料の残量の変化による分子線強度の変化を抑えるように分子線源セルの温度制御を行うことで、分子線強度を一定に保持することができ、これにより所望の特性を持つ半導体結晶の薄膜を連続的に成膜させることが可能となる。
【００５５】
また、分子線源セルの半導体材料の残量変化データを薄膜形成装置の運転中に取得するので、分子線源セルの温度制御を装置の運転中に行うことができ、装置運転中の半導体材料の減少に伴う分子線強度の変化を抑えて、分子線強度をより安定化させ、所望の特性を持つ半導体結晶の薄膜をより容易に成膜させることができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、分子線源セルの温度制御量の計算に際し、分子線源セル内の半導体材料の残量に応じて分子線源セルの温度補正を行うので、半導体材料の残量の変化による分子線強度の変化を抑えて、薄膜の特性を所望の値に近づけることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による薄膜形成装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】半導体材料の残量による温度補正の情報伝達経路を示す説明図である。
【図３】分子線強度と半導体材料の残量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  キーボード
２  モニタディスプレイ
３  制御量演算部
４  成膜仕様入力部
５  計算処理装置
６  データベースアクセス部
７  分子線源セルデータベース
８  薄膜品質データベース
９  装置運転データベース
１０  反応チャンバ・制御部
１１  分子線源セル
１２  制御部
１３  観測部
１４  反応チャンバ
１５  基板導入保持部
１６  真空排気部
１７  情報伝達経路
【図１】
2004207382.tif 000003
【図２】
2004207382.tif 000004
【図３】
2004207382.tif 000005