JP2002075865A - 赤外領域で透明な基板を用いた半導体装置の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＺｎＯ系化合物半導体の成長など、高温で処
理する場合でも、その処理をする際の基板温度を正確に
制御し、キャリア濃度などの諸特性が均一となるプロセ
スを行うことができる半導体装置の製法を提供する。 【解決手段】 たとえばサファイア基板からなる赤外領
域で透明な基板８表面に、ＺｎＯ系化合物半導体層９を
エピタキシャル成長するような高温で処理する工程を含
む場合に、基板８の裏面に赤外領域で不透明な材料から
なる薄膜８ａを密着させて、基板８の表面側から、たと
えば熱放射温度計３により、温度を測定しながら、エピ
タキシャル成長などの処理をすることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は赤外領域で透明な基
板を用いて半導体層をエピタキシャル成長したり、スパ
ッタリングにより薄膜を形成したり、アニール処理を行
う場合に、基板温度を正確に測定し、正確な基板温度で
処理を行うことができる半導体装置の製法に関する。さ
らに詳しくは、サファイア基板などを用いてＺｎＯ系化
合物半導体やＧａＮ系化合物半導体などをエピタキシャ
ル成長して、半導体発光素子を製造する場合などに、基
板温度を正確に測定しながら最適な温度により半導体層
をエピタキシャル成長することができる半導体装置の製
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】フルカラーディスプレーや、信号灯など
の光源に用いられる青色系（紫外から黄色の波長領域）
の発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）や、室温で連
続発振する次世代の高精細ＤＶＤ光源用の青色レーザ
（以下、ＬＤという）は、最近サファイア基板上にＧａ
Ｎ系化合物半導体を積層することにより得られるように
なり脚光を浴びている。このようなＧａＮ系化合物半導
体を用いた発光素子はサファイア基板が用いられ、その
サファイア基板上にＧａＮ系半導体層がエピタキシャル
成長されている。また、ＺｎＯ系化合物半導体による青
色系の半導体発光素子も試みられているが、この場合も
サファイア基板などの赤外領域で透明な基板を用いてＺ
ｎＯ系化合物半導体層を積層することが試みられてい
る。

【０００３】この半導体層を積層する場合、図４（ａ）
に示されるように、たとえばインコネルなどからなる基
板ホルダー２１上にサファイア基板などのウェハ２２を
固定して、基板ホルダーの下側に設けられる図示しない
ヒータにより加熱して、表面側から基板２２の温度を熱
放射温度計（パイロメータ）２３などにより測定しなが
ら基板温度を所定温度にし、ＭＢＥ（Molecular Beam E
pitaxy；分子線エピタキシー）法、またはＭＯＣＶＤ
（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金
属化学気相成長）法などにより成長する。この基板温度
は、熱電対を基板に接触させて測定するのが理想的であ
るが、プロセス中の基板は、全面に均一な処理が施され
ることが望ましいため、回転させながら行うことが普通
で、熱電対を接触させることができず、基板から放射さ
れる赤外線を検出して測定される。

【０００４】しかし、サファイア基板など、これらの半
導体層を成長する基板は赤外領域の光に対して透明であ
るため、基板ホルダー２１から放出される赤外線を測定
してしまうことになる。一方、基板ホルダー２１のウェ
ハ２２載置面は必ずしも平坦面ではなく、ウェハ２２と
の接触が充分ではないと共に、固定の仕方によりその接
触状態が一定せず、実際の基板２２温度と基板ホルダー
２１の温度とは一致しない（差が数百℃に達する場合も
ある）し、その相関性もバラツクという問題がある。な
お、基板２２の実際の温度と基板ホルダー２１との温度
差については、Ａｌ-ＳｉやＡｕ-Ｓｉなどの合金、Ａｌ
などの単体金属の融点を用いて温度を校正する方法は用
いられているが、基板ホルダーとの接触状態および基板
ホルダー自身の温度ムラなどにより、いつも温度校正曲
線通りになるとは限らない。

【０００５】さらに、ＭＢＥ装置などでは、基板温度を
高くする必要のある場合があり、図４（ｂ）に示される
ように、基板ホルダー２１の中心部に孔２１ａを開け、
ヒータの熱を直接基板２２の加熱に役立てるようにする
場合もあり、ヒータの赤外線が直接熱放射温度計２３に
入るという場合もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、たとえ
ば半導体層を成長する場合など、熱放射温度計により温
度を測定しながらプロセスを行う場合、熱放射温度計は
赤外線を利用しているため、基板が赤外領域に対して透
明な材料からなっていると、基板自身の温度を測定する
のではなく、その下側にある基板ホルダーの温度を測定
することになり、その基板ホルダーの温度と基板の温度
とが正確に対応付けられないと共に、基板ホルダーは熱
容量が大きいため温度ムラがあり、基板の正確な温度を
測定することができない。一方、たとえばＺｎＯ系化合
物半導体層を成長する場合に、そのキャリア濃度が成長
の際の温度により大きく変化し、一定のキャリア濃度の
半導体層を成長することができないという問題がある。

【０００７】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、サファイア基板などの赤外領域で透明
な材料からなる基板に、ＺｎＯ系化合物半導体の成長な
ど、高温で処理する場合でも、その処理をする際の基板
温度を正確に制御し、キャリア濃度などの諸特性が均一
となるようにプロセスを行うことができる赤外領域で透
明な基板を用いた半導体装置の製法を提供することを目
的とする。

【０００８】本発明の他の目的は、とくにサファイアの
ような透明基板を用いて、ＺｎＯ系化合物やＧａＮ系化
合物の半導体層を成長して製造する半導体発光素子の処
理温度を正確に制御し、発光特性を高品質に維持し得る
半導体発光素子の製法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による赤外領域で
透明な基板を用いた半導体装置の製法は、赤外領域で透
明な基板表面に高温で処理する工程を含む場合に、前記
基板の裏面に赤外領域で不透明な材料からなる薄膜を密
着させて前記基板の表面側から温度を測定しながら前記
処理をすることを特徴とする。ここに「密着させて」と
は、基板の裏面に直接赤外領域で不透明な材料を蒸着な
どにより付着させたり、直接付着させないで金属箔など
を接触させることを意味する。

【００１０】この方法を用いることにより、基板の表面
側から熱放射温度計により基板の温度を測定する場合
に、基板の裏面に密着させた赤外領域で不透明な材料に
より、基板ホルダーからの赤外線の照射を遮断し、基板
自身またはその裏面に密着される薄膜から放射される赤
外線により温度を測定することになる。この場合、薄膜
が基板裏面に直接蒸着などにより付着されておれば、基
板と薄膜とは一体になっており、基板と薄膜のいずれか
らの赤外線であっても殆ど同じ温度を示し、金属箔など
の薄膜に接触する状態でも、基板と密着していると共
に、薄膜の熱容量は非常に小さいため、基板と薄膜との
温度差は殆ど生じない。その結果、基板温度を非常に正
確に測定することができる。

【００１１】具体的には、前記基板の裏面に金属材料を
蒸着することにより、前記赤外領域で不透明な薄膜を前
記基板の裏面に密着させたり、前記基板表面に高温で処
理する工程において、前記基板裏面に金属箔を敷いて前
記処理を行うことにより、処理工程での基板温度を正確
に測定することができる。

【００１２】本発明の半導体発光素子の製法は、サファ
イア基板に化合物半導体層をエピタキシャル成長し、化
合物半導体からなる発光素子を製造する方法であって、
前記サファイア基板の裏面に赤外領域で不透明な材料を
密着させ、前記サファイア基板の表面側から前記サファ
イア基板の温度を測定しながら前記化合物半導体層をエ
ピタキシャル成長することにより発光層形成部を積層す
ることを特徴とする。

【００１３】ここに化合物半導体とは、ＺｎＯ系化合物
半導体やＧａＮ系化合物半導体などを意味し、ＺｎＯ系
化合物半導体とは、Ｚｎを含む酸化物を意味し、具体例
としてはＺｎＯの他IIＡ族とＺｎ、IIＢ族とＺｎ、また
はIIＡ族およびIIＢ族とＺｎのそれぞれの酸化物などを
含み、ＧａＮ系化合物半導体とは、ＧａなどのIII族元
素とＮを含むＶ族元素との化合物を意味する。

【００１４】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明による赤外領域で透明な基板を用いた半導体装置の製
法について説明をする。本発明による半導体装置の製法
は、図１（ａ）にＺｎＯ系化合物半導体層を成長する一
例のＭＢＥ装置の概略図が示されるように、たとえばサ
ファイア基板からなる赤外領域で透明な基板８表面に、
ＺｎＯ系化合物半導体層９をエピタキシャル成長するよ
うな高温で処理する工程を含む場合に、基板８の裏面に
赤外領域で不透明な材料からなる薄膜８ａを密着させ
て、基板８の表面側から、たとえば熱放射温度計３によ
り、温度を測定しながら、エピタキシャル成長などの処
理をすることを特徴とする。

【００１５】図１に示される装置で、メインチャンバー
１は、通常のＭＢＥ装置のチャンバーで、超高真空を維
持できる円筒状の容器で、図示しない排気装置に接続さ
れている。そして、その内部に半導体層を成長させる基
板８を保持する基板ホルダー４が設けられ、ヒータ５に
より基板８を加熱できるようになっている。そして、基
板ホルダー４に保持される基板８と対向するように成長
する化合物半導体を構成する元素の材料（ソース源）
や、酸素などの気体の供給源とするプラズマ源からなる
セル群２１〜２３がそれぞれ設けられている。メインチ
ャンバー１には、基板８の出し入れをするロードロック
室６および予備室７が設けられている。ソース源２１、
２２は従来と同様の材料を供給するルツボなどからな
り、ルツボの周囲に図示しないヒータが設けられること
により材料源を蒸発できるようにすると共に、その正面
に図示しないシャッターが設けられ、その開閉により所
望の材料が基板８側に供給されるようになっている。ま
た、プラズマ源２３は、たとえばマイクロ波によりプラ
ズマを発生させるＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonan
ce）またはＲＦが構成され、プラズマ励起された酸素や
チッ素が照射されるようになっている。

【００１６】サファイア基板８は、その両面が研磨され
た後にその裏面に、たとえば電子ビーム蒸着装置を用い
て、たとえばＴｉからなる薄膜８ａが５０〜３００ｎｍ
程度の厚さに設けられている。この薄膜８ａは、基板ホ
ルダー４の熱をできるだけサファイア基板８に伝熱する
と共に、基板ホルダー４からの赤外線が直接熱放射温度
計３に入射しないように遮断するためのものである。そ
のため、熱伝導率が大きく、かつ、赤外領域で大きな吸
収係数を有する材料、すなわち金属薄膜が好ましい。こ
のような材料として、前述のＴｉの他に、Ｔａ、Ｗ、Ａ
ｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ａｌなどを使用することができる。こ
れらの材料は、超高真空用装置部品の材料や、超ＬＳＩ
用の材料として使用されているものであり、手に入れや
すいと共に、純度が高いため、意図しない不純物を極端
に嫌う半導体プロセスにとくに適している。前述のＴｉ
は、反応性の高い金属であり、研磨されたサファイア基
板面に蒸着すると、特別な表面処理を施さなくても、強
固に付着するため、とくに好ましい。

【００１７】この薄膜８ａは、サファイア基板８の裏面
に直接蒸着されなくても、たとえばＡｌやＴａなどの金
属箔を適当な大きさに切り取り、基板ホルダー４とサフ
ァイア基板８との間に敷いてもよい。金属箔は、たとえ
ば５０〜１０００ｎｍ程度の厚さで、非常に柔らかく、
基板ホルダー４上に金属箔を敷いて、その上にサファイ
ア基板８などのウェハを固定すれば、サファイア基板８
の裏面に密着する。このような状態でも、金属箔に伝わ
った熱は、金属箔全面に直ちに均一に伝わり、その金属
箔からサファイア基板８に伝熱し、サファイア基板８と
金属箔の温度はほぼ同程度の温度になる。一方、基板ホ
ルダー４からの赤外線、または基板ホルダー４に孔があ
り、ヒータ５から直接放射される赤外線は、金属箔によ
り遮断され、熱放射温度計により観測されることはな
い。その結果、サファイア基板の温度を正確に測定する
ことができる。

【００１８】この装置で、裏面にＴｉ膜８ａを蒸着した
サファイアからなる基板８を基板ホルダー４に保持し
て、基板８上にＺｎのソース源２１と励起酸素のプラズ
マ源２３を用いて、たとえばアンドープのＺｎＯ層９
（図１（ｂ）参照）を成長する。このとき、熱放射温度
計３により基板の温度を測定しながらヒータ５により基
板温度を所定の温度に設定する。そして、各ソース源お
よびプラズマ源２１、２３のシャッター（図示せず）を
開いて、アンドープでＺｎＯ系化合物半導体層を成長す
る。なお、図１（ａ）には、ソース源の一部のみが示さ
れているが、ＭｇＺｎＯやＣｄＺｎＯなどを成長する際
には、ＭｇやＣｄなどのソース源、また、ｐ形にするに
は、さらにｐ形ドーパントとしてのＮのプラズマ源など
が備えられ、必要なソース源のシャッターを開いて照射
することにより成長する。このアンドープのＺｎＯを成
長した状態が図１（ｂ）に示されている。

【００１９】この方法により成長したアンドープのＺｎ
Ｏ層について、ＺｎＯ化合物結晶薄膜品質の指標の一つ
であるアンドープ結晶層のキャリア濃度の再現性を、図
２に示す。すなわち、同じ条件で５ロット成長したアン
ドープのＺｎＯ層９のキャリア濃度を調べた結果、図２
に黒丸で示されるように、いずれのロットもほぼ一定の
キャリア濃度が得られた。図２には、従来のサファイア
基板８の裏面に薄膜８ａを設けない状態で、５ロット同
様にアンドープのＺｎＯ層を成長したときのキャリア濃
度が白四角で示されている。図２から明らかなように、
従来の方法では、成長時の基板温度が一定しないことに
伴い、キャリア濃度が非常にばらついているが、本発明
によれば、キャリア濃度が非常に狭い範囲で一定してい
る。

【００２０】前述の図２では、アンドープの半導体層の
キャリア濃度が示されていたが、ｎ形層やｐ形層の不純
物をドーピングするときでも、同様にキャリア濃度の安
定性が得られた。すなわち、本発明によれば、基板温度
の測定が基板ホルダーの温度に影響を受けないで、サフ
ァイア基板の裏面に設けられる薄膜から放射される赤外
線の温度を測定することができ、しかも、薄膜は非常に
薄く、熱容量が小さいと共に熱伝導率が大きいため、サ
ファイア基板と殆ど同じ温度を維持しており、基板温度
を正確に制御することができる。ＺｎＯ系化合物半導体
のように、とくに成長温度によりキャリア濃度が変化し
やすい半導体層を成長する場合に効果が大きい。

【００２１】さらに、従来の基板ホルダーとサファイア
基板との接触が不充分の場合には、サファイア基板の加
熱ムラが生じやすく、均一温度が得られ難いと共に、昇
温するのに時間がかかるという問題があったが、本発明
によれば、熱伝導のよい薄膜が設けられることにより、
基板ホルダーとの接触が全面で密着していなくても、部
分的に接触した部分から伝わる熱が即座に薄膜の全体に
均一に広がり、その薄膜から薄膜と密着したサファイア
基板に伝熱されるため、サファイア基板を均一に短時間
で加熱することができる。

【００２２】つぎに、この方法を用いて半導体発光素子
を製造する例について説明をする。図３は、ＺｎＯ系化
合物半導体を用いた青色系（紫外から黄色の波長領域）
のＬＥＤチップの例である。

【００２３】このＬＥＤを製造するには、たとえばＭＢ
Ｅ装置内に裏面にＴｉ薄膜１１ａを蒸着したサファイア
基板１１をセッティングし、放射温度計により基板表面
の温度を測定して、３５０℃程度にし、Ｚｎおよび酸素
を照射し、表面が平坦なＺｎＯからなる緩衝層１２を
０.１μｍ程度成膜する。ついで、酸素照射を止めて、
基板温度が６００℃程度になるように昇温する。基板温
度が６００℃に達したところで、Ｚｎのソース源（セ
ル）のシャッターをあけ、再度Ｚｎを照射すると共に、
ｎ形ドーパントのＡｌのシャッターもあけてｎ形のＺｎ
Ｏからなるｎ形コンタクト層１３を１.５μｍ程度成長
させる。ついで、Ｍｇのシャッターもあけて、Ｍｇ_yＺ
ｎ_1-yＯ（０≦ｙ＜１、たとえばｙ＝０.１５）からなる
ｎ形のクラッド層１４を２μｍ程度、Ｍｇを止めて、Ｃ
ｄのシャッターをあけアンドープでＣｄ_xＺｎ_1-xＯ（０
≦ｘ＜１、たとえばｘ＝０.０８）からなる活性層１５
を０.１μｍ程度、Ｃｄを止めてＭｇのシャッターを再
び開け、さらにｐ形ドーパントとしてプラズマ励起チッ
素、緩衝剤としてＡｌのシャッターをそれぞれあけ、ｐ
形Ｍｇ_yＺｎ_1-yＯ（０≦ｙ＜１、たとえばｙ＝０.１
５）からなるｐ形のクラッド層１６を２μｍ程度、さら
にＭｇを止めて成長を続け、ｐ形ＺｎＯからなるｐ形コ
ンタクト層１７を１μｍ程度順次成長する。このｎ形ク
ラッド層１４、活性層１５およびｐ形クラッド層１６に
より発光層形成部１０を構成している。

【００２４】その後、ＭＢＥ装置よりエピタキシャル成
長がされたウェハを取り出し、スパッタ装置に入れて透
明性導電膜であるＩＴＯ膜１８を０.１５μｍ程度の厚
さに設ける。その後、積層した半導体層の一部をＲＩＥ
法などのドライエッチングによりエッチングをしてｎ形
コンタクト層１３を露出させ、基板１１の裏面のＴｉ膜
１１ａおよびサファイア基板１１を研磨し、基板１１の
厚さを１００μｍ程度とする。そして、ＩＴＯ膜１８上
にＮｉ／Ａｌなどからなるｐ側電極２０を、エッチング
により露出したｎ形コンタクト層１３の表面にＴｉ／Ａ
ｕなどからなるｎ側電極１９を、それぞれたとえばリフ
トオフ法による真空蒸着などにより形成する。その後ウ
ェハからチップ化することにより、図３に示されるＬＥ
Ｄチップが得られる。

【００２５】なお、この例では、発光層形成部１０がダ
ブルヘテロ接合のＬＥＤチップであったが、ヘテロ接合
またはホモ接合のｐｎ接合構造などの他の接合構造でも
よい。また、ＬＥＤでなくてもＬＤであっても同様であ
る。この場合、たとえば活性層１５はノンドープのＣｄ
_0.03Ｚｎ_0.97Ｏ／Ｃｄ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏからなるバリア層と
ウェル層とをそれぞれ５ｎｍおよび４ｎｍづつ交互に２
〜５層づつ積層した多重量子井戸構造により形成するこ
とが好ましい。また、活性層１５が薄く充分に光を活性
層１５内に閉じ込められない場合には、たとえばＺｎＯ
からなる光ガイド層が活性層の両側に設けられる。ま
た、ＩＴＯ膜１８からなる透明電極は不要で、直接ｐ側
電極２０をストライプ状にパターニングして形成した
り、半導体層の上部をメサ型形状にエッチングしたり、
電流狭窄層を埋め込むことにより、電流注入領域を画定
する構造に形成される。

【００２６】本発明の半導体発光素子の製法によれば、
各半導体層に所望のキャリア濃度が得られ、駆動電圧が
一定で、安定した出力で発光効率の高いＬＥＤが得られ
る。また、ＬＤの場合でも、しきい電流値を下げること
ができ、発光特性の向上した半導体発光素子を得ること
ができる。

【００２７】前述の例は、サファイア基板上にＺｎＯ系
化合物半導体層をＭＢＥ法により成長する例であった
が、ＭＯＣＶＤ法でも同様に基板温度を正確に制御する
ことができる。また、ＺｎＯ系化合物半導体層に限ら
ず、ＧａＮ系化合物半導体層を成長する場合や、半導体
層の成長以外のアニール処理など、高温で処理を含む半
導体装置を製造する場合に適用できる。なお、基板はサ
ファイア基板に限らず、ＧａＮなど、赤外領域で透明な
材料からなる場合に適用できる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、赤外領域で透明な基板
の裏面に赤外領域で不透明な薄膜を密着させて、高温で
のプロセスを行うため、基板温度を熱放射温度計により
測定しながら制御する場合に、基板ホルダーや基板ホル
ダーに設けられる孔などの下に見えるヒータからの赤外
線を放射温度計により測定することはなく、非常に正確
な基板温度を測定して制御することができる。その結
果、非常に品質の優れたプロセスを行うことができ、と
くにＺｎＯ系化合物半導体を成長する場合に、キャリア
濃度を所望のキャリア濃度に設定することができ、発光
特性の優れた半導体発光素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプロセスの一例のＺｎＯを成長す
るＭＢＥ装置の概略図である。

【図２】本発明により成長したアンドープＺｎＯ層のキ
ャリア濃度のバラツキを従来の方法により成長したアン
ドープＺｎＯ層のキャリア濃度のバラツキと対比して示
す図である。

【図３】本発明の方法によりＺｎＯ系化合物半導体層を
成長したＬＥＤチップの構造図である。

【図４】従来の基板温度を測定しながらプロセスを行う
例の説明図である。

【符号の説明】

３ 熱放射温度計 ８ 基板 ８ａ 薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポール・フォンス 茨城県つくば市梅園１−１−４ 通商産業 省 工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 山田 昭政 茨城県つくば市梅園１−１−４ 通商産業 省 工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 松原 浩司 茨城県つくば市梅園１−１−４ 通商産業 省 工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 仁木 栄 茨城県つくば市梅園１−１−４ 通商産業 省 工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 中原 健 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム株 式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA43 CA04 CA05 CA40 CA41 CA46 CA66 CA77 CA88 5F045 AA05 AB09 AB14 AB21 AB22 AF09 CA09 GB05 5F103 AA01 AA04 DD28 DD30 HH04 KK10 NN01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外領域で透明な基板表面に高温で処理
   する工程を含む半導体装置の製法であって、前記基板の
   裏面に赤外領域で不透明な材料からなる薄膜を密着させ
   て前記基板の表面側から温度を測定しながら前記処理を
   することを特徴とする赤外領域で透明な基板を用いた半
   導体装置の製法。
2. 【請求項２】 前記基板の裏面に金属材料を蒸着するこ
   とにより、前記赤外領域で不透明な薄膜を前記基板の裏
   面に密着させる請求項１記載の半導体装置の製法。
3. 【請求項３】 前記基板表面に高温で処理する工程にお
   いて、前記基板裏面に金属箔を敷いて前記処理を行う請
   求項１記載の半導体装置の製法。
4. 【請求項４】 サファイア基板に化合物半導体層をエピ
   タキシャル成長し、化合物半導体からなる発光素子を製
   造する方法であって、前記サファイア基板の裏面に赤外
   領域で不透明な材料を密着させ、前記サファイア基板の
   表面側から前記サファイア基板の温度を測定しながら前
   記化合物半導体層をエピタキシャル成長することにより
   発光層形成部を積層する半導体発光素子の製法。