(57)【要約】【課題】基板上に再現性よく高品質なＩＩＩ−Ｖ族半導体を製造することができる半導体製造装置及び方法を提供する。【解決手段】レーザ光源１１からのパルスレーザ光の照射により、ターゲットが瞬間的に昇華し、プルームとなって雰囲気ガス分子との衝突を繰り返した後、基板上へ到達することにより結晶薄膜が形成される。そして、この結晶薄膜の表面状態を表面状態測定部１６にて測定し、制御部１７はその測定結果に応じて反応器内の成長条件を制御することにより、良質な結晶薄膜を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｖ族ガスを供給し、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物にパルスレーザ光を照射し、アブレーションプラズマを発生させて、基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体を製造する半導体製造装置において、
上記Ｖ族ガスを供給するガス供給手段と、
上記パルスレーザ光を照射するレーザ光源と、
上記ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を保持する保持手段と、
上記基板を保持するとともに当該基板を加熱する基板加熱手段と、
上記基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体層の表面を測定する表面測定手段と、
上記表面測定手段により測定された測定結果に基づいて上記Ｖ族ガスの供給量、上記パルスレーザ光の出力、上記基板の加熱温度のうち、少なくとも１つを制御する制御手段と
を備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
上記表面測定手段は、反射高速電子回析により表面状態を測定し、
上記制御手段は、上記反射高速電子回析の測定結果の強度比又は振動の比に基づいて上記Ｖ族ガスの供給量、上記パルスレーザ光の出力、上記基板の加熱温度のうち、少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
上記制御手段は、上記ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の表面状態がＩＩＩ族金属原子の方がＶ族原子よりも高い密度となるように上記Ｖ族ガスの供給量、上記パルスレーザ光の出力、上記基板の加熱温度のうち、少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
上記保持手段に保持されたＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を加熱する加熱手段を備え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半導体製造装置。
【請求項５】
上記加熱手段は、上記ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を液体状態とすることを特徴とする請求項４に記載の半導体製造装置。
【請求項６】
上記基板加熱手段は、上記基板を加熱しながら回転及び並進移動する駆動手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項７】
Ｖ族ガスを供給し、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物にパルスレーザ光を照射し、アブレーションプラズマを発生させ、基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体を製造する半導体製造方法において、
上記基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体層の表面を測定する表面測定工程と、
上記表面測定工程により測定された測定結果に基づいて上記Ｖ族ガスの供給量、上記パルスレーザ光の出力、上記基板の加熱温度のうち、少なくとも１つを制御する制御工程と
を有することを特徴とする半導体製造方法。
【請求項８】
上記パルスレーザ光が照射されるＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を加熱し、液体状態にする液化工程を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体製造方法。
【請求項９】
ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を液体状態にする液化工程と、
Ｖ族ガス雰囲気において上記液化工程により液化状態にされたＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物にパルスレーザ光を照射し、アブレーションプラズマを発生させ、基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体を成膜する成膜工程と
を有することを特徴とする半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
パルス励起源を用いたＩＩＩ−Ｖ族半導体の半導体製造装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物薄膜は、主に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によって作製さている。しかし、これらの成長法は７００℃以上の高温で結晶成長が行われるため、基板の表面で界面反応が生じ、基板が劣化しまい、成長用の基板は、サファイア基板等の熱化学的に安定なものに限定されていた。
【０００３】
一方、本件発明者らは、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法を用い、高エネルギーのパルスレーザ光をＩＩＩ族金属等のターゲットに照射し、ターゲットを瞬間的に昇華させ、アブレーションプラズマとして基板上に到達させることにより、室温でもＩＩＩ族窒化物の結晶を成長させている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】J.Ohta, H. Fujioka, and M. Oshima,Appl. Phys. Lett., 83, 3060 (2003).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＰＬＤ法は、パルス励起源の出力、基板温度、窒素供給量など制御すべきパラメーターが多いため、基板上に再現性よく高品質な結晶を成長させることが困難であった。例えば、極性半導体のＧａＮの成長では、その結晶がＧａ極性を有す場合やＮ極性を有す場合があり、その極性を制御することが困難であった。
【０００６】
本発明は、これらの問題点を鑑みてなされたものであり、基板上に再現性よく高品質なＩＩＩ−Ｖ族半導体を製造することができる半導体製造装置及び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】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明は、Ｖ族ガスを供給し、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物にパルスレーザ光を照射し、アブレーションプラズマを発生させて、基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体を製造する半導体製造装置において、上記Ｖ族ガスを供給するガス供給手段と、上記パルスレーザ光を照射するレーザ光源と、上記ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を保持する保持手段と、上記基板を保持するとともに当該基板を加熱する基板加熱手段と、上記基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体層の表面を測定する表面測定手段と、上記表面測定手段により測定された測定結果に基づいて上記Ｖ族ガスの供給量、上記パルスレーザ光の出力、上記基板の加熱温度のうち、少なくとも１つを制御する制御手段とを備えることを特徴としている。
【０００８】
ここで、上記表面測定手段は、反射高速電子回析により表面状態を測定し、上記制御手段は、上記反射高速電子回析の測定結果の強度比又は振動の比に基づいて上記Ｖ族ガスの供給量、上記パルスレーザ光の出力、上記基板の加熱温度のうち、少なくとも１つを制御することを特徴としている。
【０００９】
また、上記制御手段は、上記ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の表面状態がＩＩＩ族金属原子の方がＶ族原子よりも高い密度となるように上記Ｖ族ガスの供給量、上記パルスレーザ光の出力、上記基板の加熱温度のうち、少なくとも１つを制御することを特徴としている。
【００１０】
また、上記保持手段に保持されたＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を加熱する加熱手段を備え、上記加熱手段は、上記ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を液体状態とすることを特徴としている。
【００１１】
また、上記基板加熱手段は、上記基板を加熱しながら回転及び並進移動する駆動手段を有することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明は、Ｖ族ガスを供給し、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物にパルスレーザ光を照射し、アブレーションプラズマを発生させ、基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体を製造する半導体製造方法において、上記基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体層の表面を測定する表面測定工程と、上記表面測定工程により測定された測定結果に基づいて上記Ｖ族ガスの供給量、上記パルスレーザ光の出力、上記基板の加熱温度のうち、少なくとも１つを制御する制御工程とを有することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明に係る半導体製造方法は、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を液体状態にする液化工程と、Ｖ族ガス雰囲気において上記液化工程により液化状態にされたＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物にパルスレーザ光を照射し、アブレーションプラズマを発生させ、基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体を成膜する成膜工程とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体層の表面を測定し、その測定結果に基づいてＶ族ガスの供給量、パルスレーザ光の出力、基板の加熱温度のうち、少なくとも１つを制御することにより、基板上に再現性よく高品質なＩＩＩ−Ｖ族半導体を製造することができる。
【００１５】
また、反射高速電子回析により表面状態を測定し、その測定結果の強度比又は振動の比に基づいてＶ族ガスの供給量、パルスレーザ光の出力、基板の加熱温度のうち、少なくとも１つを制御することにより、結晶表面の原子層レベルの平坦性に基づく高品質なＩＩＩ−Ｖ族半導体を製造することができる。
【００１６】
また、上記ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の表面状態がＩＩＩ族金属原子の方がＶ族原子よりも高い密度となるように上記Ｖ族ガスの供給量、上記パルスレーザ光の出力、上記基板の加熱温度のうち、少なくとも１つを制御することにより、ＩＩＩ族金属極性を有する良質な結晶を得ることができる。
【００１７】
また、ターゲットのＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を加熱して、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を液体状態とし、アブレーションプラズマ中の原子を均一化することにより、高品質なＩＩＩ−Ｖ族半導体を製造することができる。
【００１８】
また、基板を加熱しながら回転及び並進移動させることにより、大きな面積の基板上に均一にＩＩＩ−Ｖ族半導体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明を適用した半導体製造装置の構成を示す制御ブロック図である。この半導体製造装置は、高出力のパルスレーザ光を発生するレーザ光源１１と、ＩＩＩ族金属等のターゲットを駆動するターゲットホルダ駆動部１２と、結晶を成長させる基板を加熱するとともに基板を駆動する基板ホルダ駆動部１３と、反応器内にＶ族ガスを供給するガス供給部１４と、反応器内の圧力を調整する圧力調整部１５と、基板の表面状態を測定する表面状態測定部１６と、表面状態測定部１６の測定結果に応じて各構成部を制御する制御部１７とを備えて構成されている。
【００２０】
レーザ光源１１は、エキシマレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等から構成されており、ターゲットに応じたパルスレーザ光を発生する。このレーザ光源１１は、パルス周波数、レーザパワー、波長等を制御することによりパルスレーザ光を出力する。また、レーザ光源１１は、ターゲットホルダの位置に応じて移動し、最適な位置からターゲットにパルスレーザ光を照射する。
【００２１】
ターゲットホルダ駆動部１２は、ＩＩＩ族金属、ＩＩＩ−Ｖ族化合物等のターゲットが保持されたターゲットホルダを駆動し、基板とターゲットとの距離を調整する。また、ターゲットホルダ駆動部１２は、ターゲットが部分的に損傷するのを防ぐため、ターゲットホルダを回転駆動させる。
【００２２】
基板ホルダ駆動部１３は、基板ホルダに備えられたヒータにより、基板を所望の温度に加熱する。また、基板ホルダ駆動部１３は、基板上に結晶を均一に成長させるために、例えば、基板ホルダを回転駆動するとともに並進駆動する。
【００２３】
ガス供給部１４は、反応器に付設された調整弁を駆動し、反応器内のガス濃度を制御する。また、ガス供給部１４は、ガス分子を励起させる励起源を備え、結合エネルギーが大きいガス分子の反応を促進させる。
【００２４】
圧力調整部１５は、例えば、ポンプを駆動することにより、反応器内の圧力を減圧する。
【００２５】
表面状態測定部１６は、反射高速電子回析（ＲＨＥＥＤ：Reflective High Energy Electron Diffraction)装置、Ｘ線反射率測定（Grazing Incidence X-ray Reflectively technique:GIXR）装置等から構成され、表面状態を測定する。
【００２６】
制御部１７は、例えば、いわゆるコンピュータ装置により構成され、表面状態測定部１６から入力された基板表面の測定結果に基づいて、結晶を高品質に成長させるため、各構成部１１〜１５を制御する。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族の結晶成長において、ＩＩＩ族金属原子がリッチ状態の表面となるように、レーザ光源１１における出力、基板ホルダ駆動部１３における加熱温度、ガス供給部１４におけるガス供給量等を制御する。換言すれば、結晶表面のＩＩＩ族金属原子の密度がＶ族原子の密度よりも高くなるように、反応器内のプルームと呼ばれるプラズマ状態のターゲット濃度、ガス濃度等を制御する。
【００２７】
続いて、具体的な構成例について図２を参照して説明する。図２は、上述した半導体製造装置の具体的な構成例を示す図である。なお、一例としてＩＩＩ族窒化物半導体を製造するものとし、図１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。このＩＩＩ族窒化物半導体は、一般式ＩｎＸＧａＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。また、ＩＩＩ族金属は、Ｉｎ、Ｇａ若しくはＡｌ、又はこれらの混合物である。
【００２８】
反応器２１は、内部に充填されたガスの圧力及び温度を一定に保つために密閉空間を形成し、反応器２１内には、ＩＩＩ族金属２２を保持するターゲットホルダ２３と、基板２４を保持する基板ホルダ２５とが設けられている。
【００２９】
ターゲットホルダ２３は、液体のＩＩＩ族金属２２が保持可能なように水平に設置されている。また、ターゲットホルダ２３は、ターゲットホルダ駆動部１２によって上下に駆動し、基板２４との距離が制御される。さらに、ターゲットホルダ２３は、回転軸２３１を介して回転駆動することが可能で、ＩＩＩ族金属２２が部分的に損傷するのを防ぐことができる。
【００３０】
また、ターゲットホルダ２３は、ＩＩＩ族金属２２を加熱するためのヒータを備えている。また、ターゲットの加熱は、赤外線ランプや赤外レーザ等の加熱手段を用いてもよい。このＩＩＩ族金属２２の温度は、相図に基づいてＩＩＩ金属２２が液体状態となるように制御される。
【００３１】
図３〜図５は、それぞれＧａ−Ｉｎ、Ａｌ−Ｇａ及びＡｌ−Ｉｎの相図を示すグラフである。制御部１７はこれらの相図とＩｎＸＧａＹＡｌ１−Ｘ−Ｙ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族金属２２の組成とに基づいてＩＩＩ族金属２２の温度を斜線領域Ｌに制御し、ＩＩＩ族金属２２を液体状態とする。これにより固体状態では局所的に溶融するためにＩＩＩ族金属原子が不均一であったアブレーションプラズマをほぼ均一とすることができるため、再現性のよい高品質な窒化物半導体を得ることができる。
【００３２】
基板ホルダ２５は、ＩＩＩ族金属２２と基板２４とが対向するように設けられている。この基板ホルダ２５は、加熱ヒータを備え、基板２４を加熱することができる。基板ホルダ駆動部１３は、加熱ヒータを制御するとともに、基板２４上に均一に結晶成長させるために、例えば基板ホルダ２５を回転駆動及び並進駆動する。例えば、図６に示すように基板２４を回転させ、ＩＩＩ族金属２２に対して回転軸方向から円周方向又は円周方向から回転軸方向に基板２４を移動させることにより、ＩＩＩ族窒化物結晶を均一に成長させることができるとともに大面積の基板に結晶薄膜を成長させることができる。この際、回転方向に対してターゲットがプルームとなって到達する位置の直前又は直後に基板２４表面を測定するようにすることが好ましい。
【００３３】
基板ホルダ２５に保持される基板は、基板結晶の格子定数とＩＩＩ族窒化物結晶の格子定数の差が小さい格子整合性基板であることが望ましい。このような格子整合性基板として、例えば、ＳｉＣ等を挙げることができる。
【００３４】
また、反応器２１には、スライド窓２６を介してＩＩＩ族金属２２パルスレーザ光を照射するＫｒＦエキシマレーザ２７と、反射高速電子回析装置２８Ａ、２８Ｂと、窒素供給源２９と、圧力調整弁３０とが備えられている。
【００３５】
ＫｒＦエキシマレーザ２７は、図１に示すレーザ光源１１に対応するものであり、ターゲットホルダ２３の駆動に応じて駆動する機能を有する。ＫｒＦエキシマレーザ２７から照射されたパルスレーザ光は、レンズ３１により焦点位置がＩＩＩ族金属２２近傍となるようにスポット調整され、スライド窓２６を介して反応器２１内に配設されたＩＩＩ族金属２２表面に対して約３０°の角度で入射される。
【００３６】
反射高速電子回析装置２８は、図１に示す表面状態測定部１６に対応するものであり、電子銃２８Ａから基板２４表面に浅い角度で加速された電子線を照射し、蛍光スクリーンに投影された反射高速電子線の回析像をカメラ２８Ｂで測定する。なお、測定時は、基板２４の方位が同じになるようにする。
【００３７】
この反射高速電子回折装置２８は、結晶表面への電子の入射角度を数度以下と浅くするため、電子線は試料表面から数原子層程度しか侵入せず、表面状態を敏感に観察できる。また、横方向から電子線を照射するため、結晶を成長させながらその場で結晶表面を観察することができる。
【００３８】
反射高速電子回折装置２８のＲＨＥＥＤ像によれば、その回折パターンによって、結晶表面の平坦性を判断することができる。例えば、原子層オーダーで平坦な場合には回折パターンはストリーク状となり、数原子層以上の大きな凹凸がある場合には電子線が結晶を透過するため、スポット状となる。また、結晶表面のミクロ状態が分かるだけでなく、マクロ状態も評価することができ、例えば、結晶が単結晶の場合、回折パターンはストリーク状となり、多結晶の場合にはハローパターンとなる。
【００３９】
窒素供給源２９は、図１に示すガス供給部１４に対応するものであり、反応器２１内に窒素ガスを供給する。また、窒素ガスをラジカル化するＲＦプラズマ・ラジカル源を備え、窒素ガスを励起させた窒素ラジカルを供給する。
【００４０】
圧力調整弁３０は、図１に示す圧力調整部１５に対応するものであり、窒素ラジカルガス分子とパルスレーザ光の波長との関係において基板２４への吸着状態を制御すべく、ガスの濃度を制御する。
【００４１】
制御部１７は、反射高速電子回折装置２８によって得られた表面状態に応じて、ＫｒＦエキシマレーザ２７の出力、基板ホルダ２５に保持された基板温度、窒素供給源２９からの窒素ガス供給量、ターゲットホルダ２３に保持されたＩＩＩ族金属２２の温度等の反応条件を制御する。
【００４２】
反射高速電子回折装置２８によって得られた表面状態は、例えば、ＲＨＥＥＤ振動の強度比が大きい場合、ＩＩＩ族リッチな状態であることから、ＲＨＥＥＤ振動の強度比がある閾値を超えた場合、ＩＩＩ族リッチ状態を判別することができる。また、ＩＩＩ族金属が過剰にリッチな場合には、ストリーク状のパターンは現れず、ＲＨＥＥＤ振動の強度比は小さい。
【００４３】
また、例えば、ＧａＮ成長中の表面がＧａリッチな状態、つまり、Ｇａ極性で成長している場合、ＲＨＥＥＤ像は明瞭なストリークパターンとなる。また、Ｎリッチな状態、つまり、Ｎ極性で成長している場合、ＲＨＥＥＤ像はスポットパターンとなる。また、Ｇａが過剰にリッチな場合、余剰のＧａに覆われるため薄暗いストリークパターンとなる。
【００４４】
ＲＨＥＥＤ像の回折パターンにより表面状態を判別する場合、例えば、ＲＨＥＥＤ像を２値化することにより行うことができる。この２値化による画像処理の場合、大きく分けて、閾値決定処理、２値化処理、ラベリング処理、特徴抽出処理及び識別処理の５つに処理に分けることができる。閾値決定処理では、例えば、画像全体の輝度ヒストグラムの相似性に基づく判別分析法や画像全体に占めるオブジェクトの面積率に基づくｐ−タイル法を用いて２値化処理の閾値を決定する。この閾値は、フレーム毎に計算することが好ましい。２値化処理では、閾値決定処理で決定した閾値に基づいて２次元画像を２値化画像に変換する。２値化画像は、輝度ヒストグラムを閾値決定処理で決定した閾値で分離することにより得ることができる。ラベリング処理では、２値化画像の黒背景中の白領域をラベリングする。また、２値化画像の白背景中の黒領域をラベリングする。特徴抽出処理では、ラベリングされた白領域や黒領域の面積を算出し、特定形状の領域を抽出する。識別処理では、特徴抽出処理にて算出された面積や特定形状に基づいて、回折パターンを識別する。
【００４５】
このような半導体製造装置において、反応器２１内に窒素ガスを充満し、ターゲットホルダ２３の温度制御により液体状態となったＩＩＩ族金属２２にパルスレーザ光を断続的に照射することにより、ＩＩＩ族金属２２表面の温度を急激に上昇させ、ＩＩＩ族原子が均一に含まれたアブレーションプラズマを発生させる。このアブレーションプラズマ中に含まれるＩＩＩ族金属原子は、窒素ガスとの衝突反応等を繰り返しながら状態を徐々に変化させて基板２４へ移動し、基板２４へ到達したＩＩＩ族金属を含む粒子がそのまま格子整合性が最も安定な状態で薄膜化する。
【００４６】
これにより、高エネルギー紫外線レーザにより昇華した材料の強い非平衡場により窒素ガスが解離・反応するため、ＩＩＩ族窒化物半導体を室温でも成長させることができる。したがって、基板表面の窒化反応や基板表面の劣化を防ぎ、高品質なＩＩＩ族窒化物を製造することができる。また、低温で成長させることにより、例えば、六方晶系のＧａＮのｃ面と直交するａ面やｍ面（無極性面）、斜めに交差するｒ面（半分極面）の方向に成長させることができる。さらに、成長中の結晶の表面状態に応じて成長条件を制御するため、結晶を高品質に得ることができる。
【００４７】
次に、成長基板の表面状態の測定結果に応じて行う成長条件の制御例を図７に示すフローチャートを参照して説明する。ここでは、ターゲット原料のＧａ原子の結晶表面密度がＮ原子よりも高くなるように制御する例について説明する。なお、ＧａＮ結晶のｃ面方向の成長をＧａリッチな状態で行うことにより、高品質な膜質及び平坦な表面構造を有する結晶を得ることができることが知られている。
【００４８】
制御部１７は、表面状態測定部１６から成長中のＧａＮのＲＨＥＥＤ像、ＲＨＥＥＤ振動等の表面の測定結果を取得する（ステップＳ１１）。
【００４９】
ステップＳ１２では、ステップＳ１１にて取得した結果に基づいてＧａＮの表面状態を判別する。図８は、ＧａＮのＲＨＥＥＤ像の観察結果の一例を示すものである。例えば、表面がＧａリッチの状態では、図８（ａ）に示すＲＨＥＥＤ像のようにストリーク状のパターンを示し、結晶表面がＮリッチの状態では、図８（ｂ）に示すＲＨＥＥＤ像のようにスポット状のパターンを示す。すなわち、制御部１７は、ＲＨＥＥＤ像をカメラ２８Ｂで撮像し、回折パターンを解析することにより、ＩＩＩ族金属がリッチな状態であるか否かを判別することができる。
【００５０】
また、図９は、ＧａＮのＲＨＥＥＤ振動の一例を示すものである。ＲＨＥＥＤ振動の強度比が大きい場合、Ｇａリッチの状態であるから、ＲＨＥＥＤ振動の強度比がある閾値以上の場合、ＩＩＩ族金属がリッチな状態であると判別する。また、Ｇａが過剰にリッチな場合には、ストリーク状のパターンは現れず、ＲＨＥＥＤ振動の強度比は小さい。
【００５１】
ステップＳ１２において、結晶表面がＮリッチの状態の場合、すなわちＩＩＩ族金属がプアな場合ステップＳ１３に進み、結晶表面へのＧａの供給を増加させる。例えば、レーザ光源１１のＫｒＦエキシマレーザから出射するパルスレーザ光のエネルギー密度やパルス周波数を高くすることにより、アブレーションプラズマ中に含まれるＧａ原子の数を増加させる。また、基板ホルダ駆動部１３により基板温度を下げることによって、Ｎの界面反応を抑制する。また、ガス供給部１４によりＮの供給を減少させることによって、Ｎの界面反応を抑制する。ステップＳ１３において、結晶表面へのＧａの供給を増加させた後、ステップＳ１１に戻り、制御部１７は再び表面状態の測定結果を取得する。
【００５２】
また、ステップＳ１２において、結晶表面がＧａリッチの状態の場合、ステップＳ１１に戻り、再び表面状態の測定結果を取得し、Ｇａリッチの状態で結晶成長させる。
【００５３】
また、ステップＳ１２において、結晶表面のＩＩＩ族金属が過剰にリッチな状態の場合、ステップＳ１４に進み、結晶表面へのＩＩＩ族金属の供給を減少させる。例えば、レーザ光源１１のＫｒＦエキシマレーザから出射するパルスレーザ光のエネルギー密度やパルス周波数を低くすることにより、アブレーションプラズマ中に含まれるＧａ原子の数を減少させる。また、基板ホルダ駆動部１３により基板温度を上げることによって、Ｇａを蒸発させるとともに窒化反応を促進させる。また、ガス供給部１４によりＮの供給を増加させることによって、結晶表面へのＧａの供給を減少させる。ステップＳ１４において、結晶表面へのＩＩＩ族金属の供給を減少させた後、ステップＳ１１に戻り、制御部１７は再び表面状態の測定結果を取得する。
【００５４】
このように成長結晶の表面状態に応じてＩＩＩ族金属の供給を制御することにより、再現性よく良質な薄膜結晶を得ることができる。また、再現性が高まることにより、パルス励起窒化物成長の大量生産技術が実用に供され、蛍光灯代替の高輝度白色ＬＥＤや紫外線ＬＥＤなどの未開発素子が実現されることとなる。
【００５５】
なお、上記実施の形態では、基板表面のＩＩＩ族金属がリッチな状態とするために、レーザ光源１１の出力、窒素の供給量及び基板温度を制御することとしたが、これに限られるものではなく、例えば、基板とターゲットの距離を制御することや窒素源励起パワーを制御することとしてもよい。
【００５６】
（比較例１）  
図１０は、サファイア基板上にＧａＮをＮリッチで成長させた場合と、Ｇａリッチで成長させた場合とを比較した結果を示すものである。比較例１では、サファイア基板を基板ホルダ２５にセットし、Ｇａターゲットに約１〜３Ｊ／ｃｍ２のエネルギーのエキシマレーザ光を繰り返し周波数５〜２０Ｈｚで照射してＧａＮを成長させた。なお、ＲＦプラズマ・ラジカル源のパワーは３５０Ｗ、反応器２１内の圧力は２．０×１０−５Ｔｏｒｒであった。
【００５７】
図１０（ａ）はＮリッチな状態で成長させたＧａＮのＲＨＥＥＤ像を示し、図１０（ｂ）はＧａリッチな状態で成長させたＧａＮのＲＨＥＥＤ像を示すものである。Ｇａリッチな状態で成長させたＧａＮのＲＨＥＥＤ像には、平坦性を示すストリーク状のパターンが表れているのが分かる。また、図１０（ｃ）に示すＸ線解析半値巾のように、Ｇａリッチ状態で成長させたサンプルは極めて高い結晶性を示した。
【００５８】
また、図１０（ｄ）はＮリッチ状態で成長させたＧａＮのＡＦＭ像であり、図１０（ｅ）はＧａリッチ状態で成長させたＧａＮのＡＦＭ像である。Ｎリッチ状態で成長させた場合、凹凸が多い結晶性が悪い表面となり、Ｇａリッチ状態で成長させた場合は原子ステップが現れた、結晶性のよい表面であることが分かる。
【００５９】
（比較例２）  
図１１は、ターゲットに含まれるＡｌ組成に対する結晶薄膜中に含まれるＡｌ組成を示すグラフである。比較例２では、ＳｉＣ基板を基板ホルダ２５にセットし、ＡｌｘＧａｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）ターゲットに約１〜３Ｊ／ｃｍ２のエネルギーのエキシマレーザ光を繰り返し周波数５〜４０Ｈｚで照射してＡｌＧａＮを成長させた。なお、ＲＦプラズマ・ラジカル源のパワーは３２０Ｗ、反応器２１内の圧力は８．０×１０−６Ｔｏｒｒであった。ここで、ターゲットＡｌｘＧａｙをターゲットホルダ２３により温度制御し、結晶薄膜中に含まれるＡｌ組成をターゲットが固体の場合と液体の場合について調べた。
【００６０】
ターゲットが固体の場合、結晶薄膜中に含まれるＡｌ組成は、ターゲットに含まれるＡｌ組成に対して再現性を示さないが、ターゲットが液体の場合、ターゲットに含まれるＡｌ組成と結晶薄膜中に含まれるＡｌ組成は、再現性よく比例関係を示すことが分かる。つまり、ターゲットが液体状態となるように温度を制御することにより、再現性のよい結晶を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態における半導体製造装置の構成を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における半導体製造装置の構成を具体的に示す図である。
【図３】Ｇａ−Ｉｎの相図を示すグラフである。
【図４】Ａｌ−Ｇａの相図を示すグラフである。
【図５】Ａｌ−Ｉｎの相図を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態における基板ホルダの駆動例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態における結晶膜製造装置の制御動作を示すフローチャートである。
【図８】ＲＨＥＥＤ像によって表面状態を説明するための図である。
【図９】ＲＨＥＥＤ強度振動を示す図である
【図１０】本実施の形態における結晶膜の比較例を示す図である。
【図１１】本実施の形態におけるターゲット状態の比較例を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１１  レーザ光源、１２  ターゲットホルダ駆動部、１３  基板ホルダ駆動部、１４  ガス供給部、１５  圧力調整部、１６  表面状態測定部、１７  制御部、２１  反応器、２２  ＩＩＩ族金属、２３  ターゲットホルダ、２４  基板、２５  基板ホルダ、２６  スライド窓、２７  ＫｒＦエキシマレーザ、２８  反射高速電子回析装置、２９  窒素供給源、３０  圧力調整弁
【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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【図１０】
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【図１１】
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