(57)【要約】【課題】  化合物半導体薄膜の組成を均一化し、キャリアー濃度を均一にドーピングする。【解決手段】  成長チャンバー１内で基板２を保持するサセプタ３と、原料ガスを導入する原料導入部１０と、複数ゾーンに分割構成されたヒーター４と、原料ガスが加熱されるの防止する遮熱板２９とを備えた有機金属気相成長装置を用い、化合物半導体基板上に化合物半導体薄膜を成長させｐ型ドーピングを行う化合物半導体の気相成長方法において、予め、ヒーター４の複数ゾーンの加熱条件を仮設定して化合物半導体薄膜の成長とｐ型ドーピングを試行し、得られた化合物半導体薄膜のｐ型キャリアー濃度分布を測定し、この測定値から成長時の温度分布を推定して温度分布を均一化するためのヒーター４のゾーン毎の所要加熱条件を求め、この所要加熱条件に従ってヒーター４の出力をゾーン毎に制御することにより、化合物半導体薄膜を成長させｐ型ドーピングを行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長チャンバー内で基板を保持するサセプタと、サセプタに向けて原料ガスを導入する原料導入部と、サセプタを加熱するための複数ゾーンに分割構成されたヒーターと、原料ガスがヒーターによる輻射熱で加熱されることを防止するための遮熱板とを備えた有機金属気相成長装置を用いて、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜をエピタキシャル成長させｐ型ドーピングを行う化合物半導体の気相成長方法であって、
予め、ヒーターの複数ゾーンの加熱条件を仮設定して化合物半導体薄膜の成長とｐ型ドーピングを試行し、得られた化合物半導体薄膜の複数位置のｐ型キャリアー濃度を測定し、キャリアー濃度測定値から成長時の温度分布を推定して温度分布を均一化するためのヒーターのゾーン毎の所要加熱条件を求めた後、
この所要加熱条件に従ってヒーターの出力をゾーン毎に制御して、化合物半導体薄膜をエピタキシャル成長させｐ型ドーピングを行うことを特徴とする化合物半導体の気相成長方法。
【請求項２】
ＩＩＩ族のＧａ原料としてＴＭＧ、Ａｌ原料としてＴＭＡ、Ｖ族のＡｓ原料としてＡｓＨ3 、ｐ型ドーパントとしてＤＥＺｎを用い、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ薄膜を成長させ、Ｚｎをドーピングすることを特徴とする請求項１記載の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、有機金属気相成長装置を用いて、ＬＤ、ＬＥＤ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ等の化合物半導体薄膜を成長させる化合物半導体の気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる場合には、有機金属気相成長装置が用いられる。
有機金属気相成長装置は、図１に示すように、円筒形の成長チャンバー１内に、基板２を取付けるサセプタ３と、サセプタ３を加熱するためのヒーター４とを備えている。サセプタ３は、回転軸５により水平回転自在に支持されている。
【０００３】
成長チャンバー１の下部にはフランジ６、上部にはフランジ７が溶接されており、下部のフランジ６には排気系に接続される排ガスポート８を設けたフランジ９がＯリング等を介して気密に連結されている。上部のフランジ７には、原料導入部１０を支持するフランジ１１、１２がＯリング等を介して気密に連結されている。
原料導入部１０には、サセプタ３に対して略平行に第一空間１３が設けられ、第一空間１３の下方に通気孔を有する隔壁１４を介してサセプタ３に対して略平行に第二空間１５が設けられている。
【０００４】
第一空間１３内には、第一ガスの流路１６、第二ガスの流路１７、及びキャリアガスの流路１８が配置されている。第一ガスの流路１６、第二ガスの流路１７、及びキャリアガスの流路１８は、サセプタ３の回転軸５をおおよそ中心とする円弧状で、互いにブロックで隔離されており、それぞれ径方向に複数路配置されている。
第一ガスの流路１６、第二ガスの流路１７、及びキャリアガスの流路１８には、個別に第一ガス導入口２１、第二ガス導入口２２、及びキャリアガス導入口２３が設けられている。
【０００５】
キャリアガスの流路の１８の下面には、基板２の方向に向けてキャリアガスが吹き出される吹き出し孔２４が設けられている。
第一空間１３内には仕切は設けられておらず、吹き出し孔２４から吹き出されるキャリアガスは第一空間１３内に均一に分布される。
第一ガスの流路１６と第二ガスの流路１７には基板２の方向に向けて先端が第二空間１５に延出するノズル２５を備えた分岐流路２６、２７が設けられている。
ノズル２５はサセプタ３に平行な第一ガスの流路１６、第二ガスの流路１７に対して略垂直に取付けられており、サセプタ３に対して垂直な方向にガス流れを形成するように開口されている。
第二空間１５の下方には、原料ガスがヒーター４による輻射熱で熱せられることを防止するための遮熱板２９が設けられている。
【０００６】
第一ガス導入口２１、第二ガス導入口２２及びキャリアガス導入口２３には、第一ガスの流路１６、第二ガスの流路１７、及びキャリアガスの流路１８に供給するガスの流量をそれぞれ独立に制御する制御手段（図示略）が設けられている。
ヒーター４は、カーボン等の導体からなる発熱体であり、図２に示すように、環状の内周ゾーン４ａ、中周ゾーン４ｂ、外周ゾーン４ｃに分割構成されている。各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃは、それぞれ電極取付部４ｄを備えており、それぞれ独立に加熱することができる。
図３に示すように、ヒーター４の下方には、ヒーター４の熱を逃がさないように保温する保温部材２８が取付けられている。また、各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃに近接して、熱電対３０ａ、３０ｂ、３０ｃがそれぞれ設けられており、この熱電対３０ａ、３０ｂ、３０ｃの検出データに基づいて、ヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃの出力を独立にコントロールすることが可能である。
【０００７】
成長チャンバー１の側面には、成長チャンバー１の内部を観察するためのビューポート２０が設けられており、このビューポート２０から放射温度計１９を用いて基板２の温度が測定できる。
ＭＯＣＶＤ法によりＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等の化合物半導体薄膜をエピタキシャル成長させ、ｐ型ドーピングする場合には、第一ガスは、Ｇａ原料のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ａｌ原料のトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの有機金属蒸気をキャリアガスに含ませたＩＩＩ族ガスであり、第二のガスは、Ａｓ原料としてアルシン（ＡｓＨ3 ）などをキャリアガスに含ませたＶ族ガスである。また、ドーパントとしてジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）、キャリアガスには水素、窒素、アルゴンなどが使われる。
【０００８】
第一ガスは、第一ガス導入口２１から第一ガスの流路１６に導入され、第二ガスは、第二ガス導入口２２から第二ガスの流路１７に導入される。
キャリアガスは、キャリアガス導入口２３からキャリアガスの流路２３に導入され、吹き出し孔２４から第一空間１３に吹き出される。
第一ガスと第二ガスは、それぞれ分岐流路２６、２７を通ってノズル２５から第二空間１５に吹き出される。
第一空間１３に吹き出されたキャリアガスは、隔壁１４の通気孔を通って第二空間１５に入り、第一ガスや第二ガスを下方ヘ付勢し、これらのガスは遮熱板２９の冷却配管の隙間を通って基板２に達する。基板２でエピタキシャル成長が行われた後の排ガスは排ガスポート８から排出される。
【０００９】
ところが、図１に示す有機金属気相成長装置では、ヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃを熱電対３０ａ、３０ｂ、３０ｃの検出データに基づいて同じ温度に設定しても、実際にエピタキシャル成長が行われる基板２の表面の温度は、通常はヒーター４の設定温度と異なっており、ガスの種類、流速、圧力、回転数、ガス流れなどの成長条件が異なるため温度分布も均一にはならない。成長温度を確認するため、ビューポート２０から放射温度計１９を用いて基板２の温度を測定できるが、側面のビューポート２０からの観測では、基板２の表面を側方から斜めに観測することになるので視野が狭く、基板２の表面の温度分布を正しく測定することはできない。温度分布が均一でないと、成長する化合物半導体の組成の均一性やドーピング濃度の均一性が悪くなる。
【００１０】
基板の温度分布を均一化するため、基板の上方から基板の複数位置の温度を測定し、測定した複数位置の温度の差を求めてその信号をフィードバックし、基板を加熱する複数の加熱エレメントを制御することにより、基板の温度の均一化を図る基板温度均一化制御方法も提案されている（特許文献１参照）。
しかし、基板の上方から基板の温度を測定するためには、成長チャンバー１の上部にビューポートを配置し、上部のビューポートを介して放射温度計で基板の温度を測定しなければならないが、この場合上部のビューポートから基板までの間には遮熱板、整流板等の視界を遮るような障害物を配置できないため、その部分で偏流が生じたり、ビューポートの石英窓が原料ガスの反応により曇ることで正確な基板の温度の測定ができないという問題があった。
【特許文献１】国際公開第０２／２６４３５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、有機金属気相成長法における上記問題を解決するものであって、基板表面の温度を均一化することにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜の製品の組成を均一化し、キャリアー濃度を均一にドーピングすることのできる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】
【００１２】
本発明は、成長チャンバー内で基板を保持するサセプタと、サセプタに向けて原料ガスを導入する原料導入部と、サセプタを加熱するための複数ゾーンに分割構成されたヒーターと、原料ガスがヒーターによる輻射熱で加熱されることを防止するための遮熱板とを備えた有機金属気相成長装置を用いて、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜をエピタキシャル成長させｐ型ドーピングを行う化合物半導体の気相成長方法において、予め、ヒーターの複数ゾーンの加熱条件を仮設定して化合物半導体薄膜の成長とｐ型ドーピングを試行し、得られた化合物半導体薄膜の複数位置のｐ型キャリアー濃度を測定し、キャリアー濃度測定値から成長時の温度分布を推定して温度分布を均一化するためのヒーターのゾーン毎の所要加熱条件を求めた後、この所要加熱条件に従ってヒーターの出力をゾーン毎に制御して、化合物半導体薄膜をエピタキシャル成長させｐ型ドーピングを行うことにより上記課題を解決している。
【００１３】
化合物半導体薄膜にドーピングされたｐ型キャリアーの濃度の対数と成長温度とは反比例するので、試行で得られた化合物半導体薄膜のキャリアー濃度を測定することにより成長時の温度分布を推定し、温度分布を均一化するためのヒーターのゾーン毎の所要加熱条件を求めることができる。
この所要加熱条件に従ってヒーターの出力をゾーン毎に制御し、化合物半導体薄膜をエピタキシャル成長させると温度分布が均一化されるので、化合物半導体薄膜の組成が均一化し、キャリアー濃度の均一な製品が得られる。
【００１４】
この方法では、薄膜の成長時に基板の上方から基板の温度を測定する必要がないため、遮熱板等が配置されていても支障はなく、従来の有機金属気相成長装置を用いることができ、製品の品質のばらつきを減少させる。
上記方法において、ＩＩＩ族のＧａ原料としてＴＭＧ、Ａｌ原料としてＴＭＡ、Ｖ族のＡｓ原料としてＡｓＨ3 、ｐ型ドーパントとしてＤＥＺｎを用い、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ薄膜を成長させ、Ｚｎをドーピングすると、Ｚｎ濃度分布の均一なＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ半導体薄膜が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の化合物半導体の気相成長方法によれば、薄膜成長時の基板の温度分布が均一化されるので、化合物半導体薄膜の組成が均一化し、キャリアー濃度の均一な製品が得られる。また、化合物半導体薄膜製品の品質のばらつきを減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明の実施に用いられる有機金属気相成長装置の構成図、図２はヒーターのゾーン分割構成を示す平面図、図３はヒーターの各ゾーンの温度を測定する熱電対の配置図、図４は基板温度を上方から測定するトップビューポートの配置図、図５は試行段階で得られた試料のキャリアー濃度分布を示すグラフ、図６は温度とキャリアー濃度との関係を示すグラフ、図７は製品段階の試料のキャリアー濃度分布を示すグラフである。
【００１７】
この化合物半導体の気相成長方法では、従来のものと同様の有機金属気相成長装置を使用することができる。
すなわち、有機金属気相成長装置は、図１に示すように、円筒形の成長チャンバー１内に基板２を取付けるサセプタ３と、サセプタ３を加熱するためのヒーター４とを備えている。サセプタ３は、回転軸５により水平回転自在に支持されている。
【００１８】
成長チャンバー１の下部にはフランジ６、上部にはフランジ７が溶接されており、下部のフランジ６には排気系に接続される排ガスポート８を設けたフランジ９がＯリング等を介して気密に連結されている。上部のフランジ７には、原料導入部１０を支持するフランジ１１、１２がＯリング等を介して気密に連結されている。
原料導入部１０には、サセプタ３に対して略平行に第一空間１３が設けられ、第一空間１３の下方に通気孔を有する隔壁１４を介してサセプタ３に対して略平行に第二空間１５が設けられている。隔壁１４としては、通気孔を有する金属板やメッシュ状の金属網が用いられる。
【００１９】
第一空間１３内には、第一ガスの流路１６、第二ガスの流路１７、及びキャリアガスの流路１８が配置されている。第一ガスの流路１６、第二ガスの流路１７、及びキャリアガスの流路１８は、サセプタ３の回転軸５をおおよそ中心とする円弧状で、互いにブロックで隔離されており、それぞれ径方向に複数路配置されている。
第一ガスの流路１６、第二ガスの流路１７、及びキャリアガスの流路１８には、個別に第一ガス導入口２１、第二ガス導入口２２、及びキャリアガス導入口２３が設けられている。
【００２０】
キャリアガスの流路の１８の下面には、基板２の方向に向けてキャリアガスが吹き出される吹き出し孔２４が設けられている。
第一空間１３内には仕切は設けられておらず、吹き出し孔２４から吹き出されるキャリアガスは第一空間１３内に均一に分布される。
第一ガスの流路１６と第二ガスの流路１７には基板２の方向に向けて先端が第二空間１５に延出するノズル２５を備えた分岐流路２６、２７が設けられている。
【００２１】
ノズル２５はサセプタ３に平行な第一ガスの流路１６、第二ガスの流路１７に対して略垂直に取付けられており、サセプタ３に対して垂直な方向にガス流れを形成するように開口されている。
第二空間１５の下方には、原料ガスがヒーター４による輻射熱で熱せられることを防止するための遮熱板２９が設けられている。遮熱板２９は、断面円形の冷却配管をサセプタ３の回転軸５を中心としてサセプタ３の外径と略等しい渦巻き状に形成したものであり、冷媒の入口と出口とを備えた複数の冷却配管系で構成されている。
【００２２】
第一ガス導入口２１、第二ガス導入口２２及びキャリアガス導入口２３には、第一ガスの流路１６、第二ガスの流路１７、及びキャリアガスの流路１８に供給するガスの流量をそれぞれ独立に制御する制御手段（図示略）が設けられている。
ヒーター４は、カーボン等の導体からなる発熱体であり、図２に示すように、環状の内周ゾーン４ａ、中周ゾーン４ｂ、外周ゾーン４ｃに分割構成されている。各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃは、それぞれ電極取付部４ｄを備えており、それぞれ独立に加熱することができる。
【００２３】
図３に示すように、ヒーター４の下方には、ヒーター４の熱を逃がさないように保温する保温部材２８が取付けられている。また、各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃに近接して、熱電対３０ａ、３０ｂ、３０ｃがそれぞれ設けられており、この熱電対３０ａ、３０ｂ、３０ｃの検出データに基づいて、ヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃの出力を独立に制御することが可能である。
【００２４】
成長チャンバー１の側面には、成長チャンバー１の内部を観察するためのビューポート２０が設けられており、このビューポート２０から放射温度計１９を用いて基板２の温度が測定できる。
この有機金属気相成長装置で、面方位（１００）の半絶縁性を有するＧａＡｓ基板２上に、ＧａＡｓを成長させるとき、ドーピング原料としてＤＥＺｎを供給するとｐ型導電性のＧａＡｓ層が得られる。
この化合物半導体エピタキシャルウエハを製造する場合には、第一ガスとしてＧａ原料のＴＭＧ、第二ガスとしてＡｓ原料のＡｓＨ3 、ｐ型ドーパントとしてＤＥＺｎを用いる。
【００２５】
まず、ヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃの出力を前もって調整する。図４に示すように、上部にトップビューポート３１と窒素ガス導入口３２とを設けたトップフランジ３３を原料導入部１０に代えて成長チャンバー１に取付け、窒素ガス導入口３２から窒素を導入し、トップビューポート３１から放射温度計１９で、サセプタ３上の基板２の温度を約５ｍｍ間隔で測定する。そして、均一な温度分布が得られるよう、ヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃの出力を調整する。
【００２６】
それから、トップフランジ３３を原料導入部１０に取り替え、サセプタ３上にＧａＡｓ基板２を配置し、ヒーター４によりサセプタ３を加熱してＧａＡｓ基板２を暖める。次に、成長チャンバー１内にＴＭＧ、ＡｓＨ3 ガスを供給すると共に、これらのガス中にドーパントとしてＤＥＺｎを同時に供給し、ＧａＡｓ基板２上にＧａＡｓを成長させる。成長温度はビューポート２０から放射温度計１９で測定する。
【００２７】
この試行時のヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃの出力は、上記の通り均一な温度分布が得られるよう予め調整されているが、実際にエピタキシャル成長が行われるときには、ガスの種類、流速、圧力、回転数、ガス流れなどの成長条件が異なるため、ビューポート２０から放射温度計１９で測定した基板２の表面の温度はヒーター４の設定温度とは異なっている。そのため、温度分布は均一にはなっていない可能性がある。
【００２８】
そこで、上記試行で得られたＧａＡｓ薄膜の複数位置のｐ型キャリアー濃度をホール測定により求める。キャリアー濃度の対数と成長温度の逆数とは比例するため、キャリアー濃度測定値から成長時の温度分布を推定して温度分布を均一化するためのヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃの所要加熱条件を求める。
その後、この所要加熱条件に従ってヒーター４の出力をゾーン毎に制御しＧａＡｓ薄膜を成長させることにより、エピタキシャルウエハを製造する。
【実施例】
【００２９】
図４のようにトップフランジ３３を成長チャンバー１に取付けた状態において、トップビューポート３１から放射温度計１９で、サセプタ３上の基板２の温度を約５ｍｍ間隔で測定し、７５０℃、７００℃、及び６６０℃の均一な温度分布が得られるよう、ヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃの出力を調整した。この出力バランス調整により、上記各温度条件で各測定値が±１．５℃の範囲内に入る温度分布が得られた。
【００３０】
次に、図１のようにトップフランジ３３を原料導入部１０に取り替え、サセプタ３上にＧａＡｓ基板２を配置し、成長チャンバー１内にＴＭＧ、ＡｓＨ3 ガスを供給すると共に、これらのガス中にドーパントとしてＤＥＺｎを同時に供給し、上記各温度条件でＧａＡｓ基板２上にＧａＡｓを成長させた。７５０℃、７００℃、及び６６０℃の均一な温度分布が得られるようヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃの出力を制御したとき、ビューポート２０から放射温度計１９で測定した温度は、それぞれ７０５℃、６５５℃、６１５℃であった。なお、この成長温度は測定時の最高温度である。
得られたＧａＡｓ薄膜（試料１〜試料３）の複数位置のキャリアー濃度をホール測定により求めた。結果を表１及び図５に示す。
【００３１】
【表１】
2005093699.tif 000003
【００３２】
このキャリアー濃度の最低値と成長温度との関係をグラフにしたものを図６に示す。図６からキャリアー濃度の対数と成長温度の逆数とは比例の関係にあることがわかる。
この関係から、キャリアー濃度の分布が図５に示すように中心部が低い表１の試料１〜試料３では、温度分布は中心部が高いと推定される。
そこで、推定温度分布から温度分布を均一化するためのヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃの所要加熱条件を求め、ヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃのうち内周ゾーン４ａと外周ゾーン４ｃの出力をこの条件に合わせて増加させるようにした。
サセプタ３上にＧａＡｓ基板２を配置し、成長チャンバー１内にＴＭＧ、ＡｓＨ3 ガスを供給すると共に、これらのガス中にドーパントとしてＤＥＺｎを同時に供給し、上記所要加熱条件でＧａＡｓ基板２上にＧａＡｓを成長させた。ビューポート２０から放射温度計１９で測定した温度は７０５℃であった。
得られたＧａＡｓ薄膜（試料４）の複数位置のキャリアー濃度をホール測定により求めた。結果を表２に示す。また、図５に試料４のキャリアー濃度分布を加えたグラフを図７に示す。
【００３３】
【表２】
2005093699.tif 000004
【００３４】
図５と図７とを比較すると、ヒーター４の各ゾーン４ａ、４ｂ、４ｃの出力バランスを変えることで、キャリアー濃度のばらつき（Ｒ％）が４７．９％から１５．７％へと改善されていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施に用いられる有機金属気相成長装置の構成図である。
【図２】ヒーターのゾーン分割構成を示す平面図である。
【図３】ヒーターの各ゾーンの温度を測定する熱電対の配置図である。
【図４】基板温度を上方から測定するトップビューポートの配置図である。
【図５】試行段階で得られた試料のキャリアー濃度分布を示すグラフである。
【図６】温度とキャリアー濃度との関係を示すグラフである。
【図７】製品段階の試料のキャリアー濃度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１      成長チャンバー
２      基板
３      サセプタ
４      ヒーター
４ａ    内周ゾーン
４ｂ    中周ゾーン
４ｃ    外周ゾーン
５      回転軸
１０    原料導入部
１９    放射温度計
２０    ビューポート
２９    遮熱板
３１    トップビューポート
３３    トップフランジ
【図１】
2005093699.tif 000005
【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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