(57)【要約】【課題】基板より熱膨張係数がより大きな半導体を、より高い結晶性で結晶成長できるようにする。【解決手段】ステップＳ１０１で、成膜室内の基板台の上に載置された半導体基板を加熱する（加熱工程）。また、ステップＳ１０２で、基板と原料ガスの吐出部との間隔を制御する（間隔制御工程）。この制御では、基板と半導体層との間の熱膨張係数の差が大きいほど、基板と吐出部との間隔を小さくする状態に制御する。次に、ステップＳ１０３で、加熱されている基板の上に、吐出部より吐出した原料ガスを供給して基板の上に半導体層を結晶成長させる（結晶成長工程）。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜室内の基板台の上に載置された半導体基板を加熱する加熱工程と、
前記基板と原料ガスの吐出部との間隔を制御する間隔制御工程と、
加熱されている前記基板の上に、吐出部より吐出した原料ガスを供給して前記基板の上に半導体層を結晶成長させる結晶成長工程と
を備え、
前記間隔制御工程では、前記基板と前記半導体層との間の熱膨張係数の差が大きいほど、前記基板と前記吐出部との間隔を小さくする状態に制御する
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２】
請求項１記載の結晶成長方法において、
前記基板はシリコンから構成され、
前記半導体層は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮのいずれかまたはこれらの混晶から構成する
ことを特徴とする結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンなどの基板の上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体などの半導体材料を結晶成長する結晶成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板上の電子回路や光導波路に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物による半導体レーザを集積することができれば、高速な光配線と電子回路の融合や、小型の光集積回路と光源の一括形成が可能となる。半導体レーザは、ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓ系の量子井戸活性層や、ＧａＡｓ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層やＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層、ＩｎＡｓ量子ドットなどから構成されてきた。
【０００３】
これらの材料系とシリコンとは、格子定数、熱膨張係数などの物性値が大きく異なる。このため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を、シリコン基板の上に直接結晶成長することは容易ではない。基板と成長させる半導体との間の大きな格子定数差により、結晶成長時に歪が蓄積し、大きく基板が反り、ミスフィット転位が発生し、結晶性が大幅に劣化するなどの問題がある。また、大きな熱膨張係数差により、成長温度から冷却する際に大きな歪により結晶成長させた層にクラックが発生するなどの問題があった。
【０００４】
これらのような問題に対して、シリコン基板の裏側に溝を形成することで、反りによって基板上に結晶成長した半導体にクラックが入るのを防ぐ技術が提案されている（特許文献１参照）。しかし、この技術は、部分的に歪を逃がす構造であり、根本的に熱膨張係数差に起因した歪みをなくすわけではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−２７３０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上に説明したように、従来では、シリコン基板上のＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をエピタキシャル成長させようとすると、基板と成長層との間の熱膨張係数差が大きいことを起因とし、冷却時にクラックが発生し、結晶性の劣化や信頼性の劣化を引き起こすという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、基板より熱膨張係数がより大きな半導体を、より高い結晶性で結晶成長できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る結晶成長方法は、成膜室内の基板台の上に載置された半導体基板を加熱する加熱工程と、基板と原料ガスの吐出部との間隔を制御する間隔制御工程と、加熱されている基板の上に、吐出部より吐出した原料ガスを供給して基板の上に半導体層を結晶成長させる結晶成長工程とを備え、間隔制御工程では、基板と半導体層との間の熱膨張係数の差が大きいほど、基板と吐出部との間隔を小さくする状態に制御する。
【０００９】
上記結晶成長方法において、基板はシリコンから構成され、半導体層は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮのいずれかまたはこれらの混晶から構成したものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、基板と半導体層との間の熱膨張係数の差が大きいほど、基板と吐出部との間隔を小さくするようにしたので、基板と結晶成長させた半導体層との間の熱膨張係数差を抑え、基板より熱膨張係数がより大きな半導体を、より高い結晶性で結晶成長できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における結晶成長方法を説明するフローチャートである。
【図２】図２は、実施の形態における結晶成長方法を実施する装置の構成を示す構成図である。
【図３】図３は、加熱を開始してからの時間と、シリコン基板の反り量変化との関係を示す特性図である。
【図４】図４は、シリコン基板Ｗとシャワーヘッドノズル１０６の吐出面との間隔と、シリコン基板の反り量変化との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における結晶成長方法を説明するフローチャートである。
【００１３】
まず、ステップＳ１０１で、成膜室内の基板台の上に載置された半導体基板を加熱する（加熱工程）。また、ステップＳ１０２で、基板と原料ガスの吐出部との間隔を制御する（間隔制御工程）。この制御では、基板と半導体層との間の熱膨張係数の差が大きいほど、基板と吐出部との間隔を小さくする状態に制御する。
【００１４】
次に、ステップＳ１０３で、加熱されている基板の上に、吐出部より吐出した原料ガスを供給して基板の上に半導体層を結晶成長させる（結晶成長工程）。なお、ステップＳ１０１とステップＳ１０２とは、順序を入れ替えても良い。
【００１５】
ここで、上述した結晶成長を実施する装置について簡単に説明する。この装置は、例えば、化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）装置である。図２に示すように、まず、気相による膜の形成（成膜）処理が行われる成膜室１０１と、成膜室１０１の内部に配置された基板台１０２と、基板台１０２に組み込まれた温度制御機構１０３とを備える。成膜室１０１は、図示しないゲートバルブを備えて成膜対象のシリコン基板Ｗの搬入搬出を可能とし、ゲートバルブを閉じることで内部を密閉された空間とする。また、成膜室１０１には、例えば、ロータリーポンプなどの真空ポンプからなる排気機構１０４が接続されている。排気機構１０４は、成膜室排気バルブ１２１により開閉が制御されている排気配管１０５を介して成膜室１０１に接続されている。排気機構１０４により、成膜室１０１内部の排気を可能としている。
【００１６】
また、成膜室１０１の内部の基板台１０２の上には、複数の吐出孔（ノズル）を備えたシャワーヘッドノズル（原料ガス吐出部）１０６が配置されている。また、シャワーヘッドノズル１０６には、原料ガス供給配管１０７が接続され、原料ガス供給部１０８からの原料ガスが供給可能とされている。原料ガス供給部１０８によるシャワーヘッドノズル１０６への原料ガスの供給は、原料ガスバルブ１２２の開閉動作により制御される。原料ガス供給配管１０７より供給される原料ガスは、シャワーヘッドノズル１０６に導入され、シャワーヘッドノズル１０６の吐出口より吐出し、基板台１０２の上に載置されているシリコン基板Ｗの上に供給される。
【００１７】
原料ガス供給部１０８は、例えば、Ｉｎ原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ），Ｇａ原料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ａｓ原料であるアルシン（ＡｓＨ3）、Ｐ原料であるホスフィン（ＰＨ3）などの原料ガスを供給する。
【００１８】
例えば、ＴＭＩおよびホスフィンを、所定量のキャリアガス（水素ガス）とともに供給することで、シリコン基板Ｗの上にＩｎＰを結晶成長させることができる。また例えば、ＴＭＧおよびアルシンを、所定量のキャリアガスとともに供給することで、シリコン基板Ｗの上にＧａＡｓを結晶成長させることができる。また例えば、所定の流量比としたＴＭＩ，ＴＭＧ，アルシンを、所定量のキャリアガスとともに供給することで、シリコン基板Ｗの上にＩｎＧａＡｓを結晶成長させることができる。所定の流量比としたＴＭＩ，ＴＭＧ，ＴＭＡ，アルシンを、所定量のキャリアガスとともに供給することで、シリコン基板Ｗの上にＩｎＧａＡｌＡｓを結晶成長させることができる。
【００１９】
上述したＣＶＤ装置において、例えば、シャワーヘッドノズル１０６を基板台１０２の平面の法線方向に移動させることで、原料ガスの吐出部であるシャワーヘッドノズル１０６とシリコン基板Ｗとの間隔を制御することができる。また、基板台１０２を、この平面の法線方向に移動させることで、シャワーヘッドノズル１０６とシリコン基板Ｗとの間隔を制御してもよい。
【００２０】
例えば、上記装置を用い、シリコン基板Ｗの上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させる場合を考える。このような結晶成長においては、前述したように、シリコン基板Ｗ上に格子定数が異なるＩＩＩ−Ｖ族半導体を結晶成長することになるが、成長温度での格子定数差に応じたミスフィット転位が発生し、格子歪を緩和する。これに対し、結晶成長が終了し、成膜室１０１を排気するとともに温度制御機構１０３による加熱を停止して搬出する段階になると、シリコン基板Ｗは冷却されることになる。この冷却時においては、ＩＩＩ−Ｖ族半導体に比べ、シリコンの熱膨張係数が小さいことにより、高温の結晶成長時に比較してＩＩＩ−Ｖ族半導体層はシリコン基板Ｗより大きく収縮し、シリコン基板Ｗの反りやクラックが発生する。
【００２１】
上述した反りやクラックの発生を抑えるためには、成長させているＩＩＩ−Ｖ族半導体層の温度変化よりも、シリコン基板Ｗの温度が大きく変化するようにすればよい。例えば、基板台１０２に載置されているシリコン基板Ｗとシャワーヘッドノズル１０６の吐出面との間隔を、数ｍｍ程度まで接近させればよい。このようにすることで、低温の原料ガスと高温の温度制御機構１０３とに挾まれたシリコン基板Ｗ内部の厚さ方向の温度勾配は大きくなる。
【００２２】
以下、吐出部と基板との間隔を変えた２種類の基板の反りを結晶成長装置内で測定した結果について説明する。この測定では、厚さ２８０μｍ、直径５センチ（２インチ）の円形シリコン基板を用いた。また、実際には結晶成長をせず、シャワーヘッドノズル１０６よりキャリアガス（水素ガス）を吐出させ、シリコン基板の反りを測定した。また、反りの測定では、成膜室内に設けた光学的な反り量を測定する装置で実施した。
【００２３】
図３に示すように、シリコン基板Ｗに対してシャワーヘッドノズル１０６の吐出面を数ｍｍ程度まで近づけることで、シリコン基板Ｗの反り量を大きくすることができる。図３の縦軸は、曲率半径の逆数を表し、この値が大きいほど、大きく基板が反っていることを表している。なお、図３の横軸は、加熱を開始してからの時間である。時間の結果とともに、シリコン基板Ｗの表面温度は上昇し、加熱開始初期の室温（約２５℃）から、約８００秒後には６５０℃となり、これ以降は一定の温度状態となっている。
【００２４】
また、図３において、（ａ）は、シリコン基板Ｗとシャワーヘッドノズル１０６の吐出面との間隔を５ｍｍとした場合の結果を示している。また、図３において、（ｂ）は、シリコン基板Ｗとシャワーヘッドノズル１０６の吐出面との間隔を１６ｍｍとした場合の結果を示している。図３の結果を得るために用いた装置では、間隔１６ｍｍは、一般的な設定値である。図３に示すように、間隔５ｍｍの方が、間隔１６ｍｍよりも、シリコン基板Ｗの反りの変化量が大きくなっている。間隔を５ｍｍとすることで、基板内部の温度勾配による反りの変化量を大きくできることが分かる。また、異なる間隔条件間の反りの変化量の差は、温度制御機構１０３による基板加熱温度が大きいほど大きくなっている。
【００２５】
次に、シリコン基板Ｗの表面温度を６５０℃とした状態において、シリコン基板Ｗとシャワーヘッドノズル１０６の吐出面との間隔に対する、シリコン基板Ｗの反り量の変化について図４に示す。図４において、横軸は、シリコン基板Ｗとシャワーヘッドノズル１０６の吐出面との間隔であり、縦軸は、シリコン基板Ｗの反り両辺かを示している。
【００２６】
図４に示すように、間隔を小さくするほど、基板下部が大きく膨張して基板台１０２の側に凸となる反り量が大きくなる。この状態は、シリコン基板Ｗ上にＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体が結晶成長されている場合には、熱膨張量の差を減らす方向の膨張である。従って、間隔を小さくして基板台１０２の側により凸となるように反らせることで、熱膨張量の差を抑えて、高い結晶性のＩＩＩ−Ｖ族半導体をシリコン基板上への結晶成長させることが可能になる。なお、ＩｎＰに限らず、ＧａＡｓ、ＧａＮについても同様であり、また、これらの混晶であっても同様である。
【００２７】
ところで、吐出部と基板との間隔は、基板と基板上に結晶成長させる半導体の熱膨張係数差および厚さにより、最適な値を選択するものとし、成長させている厚さの増加とともに、間隔を変化させることも可能である。また、２種類以上の熱膨張係数の異なる半導体を結晶成長させる際には、それぞれに対して最適な吐出部と基板との間隔を選択すればよい。
【００２８】
以上に説明したように、本発明によれば、基板と半導体層との間の熱膨張係数の差が大きいほど、基板と吐出部との間隔を小さくするようにしたので、基板より熱膨張係数がより大きな半導体を、より高い結晶性で結晶成長できるようになる。
【００２９】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、シリコン基板の上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長する場合を例に説明したが、これに限るものではなく、ＧａＡｓ基板などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の上に、より熱膨張係数の大きなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長する場合においても同様である。また、上述では、有機金属原料ガスを用いた一般的なＣＶＤ装置を例に説明したが、これに限るものではなく、原子層成長装置であっても同様である。
【符号の説明】
【００３０】
１０１…成膜室、１０２…基板台、１０３…温度制御機構、１０４…排気機構、１０５…排気配管、１０６…シャワーヘッドノズル（原料ガス吐出部）、１０７…原料ガス供給配管、１０８…原料ガス供給部、１２１…成膜室排気バルブ、１２２…原料ガスバルブ、Ｗ…基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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