JP2002531935A - 温度管理により半導体結晶を製造するための方法およびシステム - Google Patents
温度管理により半導体結晶を製造するための方法およびシステムInfo
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Abstract
(57)【要約】
ＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ（ここでＡ、Ｂ、ＣはII族またはIII族の元素を示し、Ｎは窒素を示し、ＭはＶ族またはVI族の元素を示し、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｖ、Ｗは気相組成および一連の気相に基づき作用する、化合物内の各元素のモル比を示す）の形態の窒素を含む半導体結晶材料を製造するための方法および温度管理および反応チャンバシステムが、本明細書に記載されている。本発明は半導体結晶材料を製造するために所定の条件において反応チャンバシステム内の所定の位置を正確に温度制御することによって製造プロセスを制御する点で優れている。
Description
【０００１】
本発明は、ＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ（ここでＡ、Ｂ、ＣはII族またはIII族の元
素を示し、Ｎは窒素を示し、ＭはＶ族またはVI族の元素を示し、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｖ
、Ｗは温度管理システムで作用する、化合物内の各元素のモル比を示す）の形態
の窒素を含む半導体結晶材料を製造するための方法およびシステムに関する。
素を示し、Ｎは窒素を示し、ＭはＶ族またはVI族の元素を示し、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｖ
、Ｗは温度管理システムで作用する、化合物内の各元素のモル比を示す）の形態
の窒素を含む半導体結晶材料を製造するための方法およびシステムに関する。
【０００２】
現在、いくつかの電子デバイスおよび光電子デバイスでは、二元、三元および
四元化合物半導体、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌｘＧａ1-ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ 1-ｘ Ａｓ、（ＡｌｘＧａ1-ｘ）ｙＩｎ1-ｙＰおよびＩｎｘＧａｙＡｓ1-ｘＰ1-ｙ が使用されている。格子内に組み込むべき元素を担持する気相から、複雑な一連
の層を製造できる。組成、ドーピングおよび連続する層ないし層順序（積層構造
）は通常、気相の組成だけでなく、一定の温度で作用する、気相転移シーケンス
によっても決定される。このことは、部品のための高品位材料を製造する際の現
在の技術レベルに対応している。窒素を含む半導体、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ
、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓＮ、すなわちＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ（Ａ、Ｂ、ＣはII族
またはIII族の元素を示し、ＮはＶ族またはVI族の元素を示し、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｖ
、Ｗはこの化合物における各元素のモル比に対応する）の形態をした半導体を異
なる方法で製造できる。本発明によれば、ＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ材料（この材料
は、以下、窒素を含む半導体材料と称す）を製造するために、温度管理システム
が使用される。
四元化合物半導体、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌｘＧａ1-ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ 1-ｘ Ａｓ、（ＡｌｘＧａ1-ｘ）ｙＩｎ1-ｙＰおよびＩｎｘＧａｙＡｓ1-ｘＰ1-ｙ が使用されている。格子内に組み込むべき元素を担持する気相から、複雑な一連
の層を製造できる。組成、ドーピングおよび連続する層ないし層順序（積層構造
）は通常、気相の組成だけでなく、一定の温度で作用する、気相転移シーケンス
によっても決定される。このことは、部品のための高品位材料を製造する際の現
在の技術レベルに対応している。窒素を含む半導体、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ
、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓＮ、すなわちＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ（Ａ、Ｂ、ＣはII族
またはIII族の元素を示し、ＮはＶ族またはVI族の元素を示し、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｖ
、Ｗはこの化合物における各元素のモル比に対応する）の形態をした半導体を異
なる方法で製造できる。本発明によれば、ＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ材料（この材料
は、以下、窒素を含む半導体材料と称す）を製造するために、温度管理システム
が使用される。
【０００３】
従来技術によれば、窒素を含む半導体材料の特性は気相の組成、更に製造プロ
セスにおける気相転移シーケンスによっても決定される。温度は一定レベルに維
持される。窒素を含む半導体材料の特性を決定するために２つのパラメータしか
使用されないので、この種の特性を定めることはかなり区別されないものとして
説明しなければならない。このことは、組成、ドーピング及び積層構造を決定で
きたとしても下記の他の望ましい性質を検討する際に最適にマッチングさせるこ
とが極めて困難であり、これによって複雑な製造プロセスは多数のプロセス工程
を必要とすることになる。従って、製造期間が長くなる一方、製造コストも高く
なる。
セスにおける気相転移シーケンスによっても決定される。温度は一定レベルに維
持される。窒素を含む半導体材料の特性を決定するために２つのパラメータしか
使用されないので、この種の特性を定めることはかなり区別されないものとして
説明しなければならない。このことは、組成、ドーピング及び積層構造を決定で
きたとしても下記の他の望ましい性質を検討する際に最適にマッチングさせるこ
とが極めて困難であり、これによって複雑な製造プロセスは多数のプロセス工程
を必要とすることになる。従って、製造期間が長くなる一方、製造コストも高く
なる。
【０００４】 （発明の概要） 本発明はＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ（ここでＡ、Ｂ、ＣはII族またはIII族の元素
を示し、Ｎは窒素を示し、ＭはＶ族またはVI族の元素を示し、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｖ、
Ｗは、特性を良好に区別して決定できるようにする、化合物内の各元素のモル比
を示す）の形態の窒素を含む半導体結晶材料を製造する方法およびシステムを提
供するという課題に基づくものである。このことは組成、ドーピングおよび一連
の層を決定する外に、次に説明するような別の望ましい特性を検討する前に最適
なマッチングも可能でなければならないことを意味する。この方法では、多数の
プロセス工程を含む複雑な製造プロセスとなることを回避しなければならない。
この結果、製造時間が短縮され、製造コストが低減される。
を示し、Ｎは窒素を示し、ＭはＶ族またはVI族の元素を示し、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｖ、
Ｗは、特性を良好に区別して決定できるようにする、化合物内の各元素のモル比
を示す）の形態の窒素を含む半導体結晶材料を製造する方法およびシステムを提
供するという課題に基づくものである。このことは組成、ドーピングおよび一連
の層を決定する外に、次に説明するような別の望ましい特性を検討する前に最適
なマッチングも可能でなければならないことを意味する。この方法では、多数の
プロセス工程を含む複雑な製造プロセスとなることを回避しなければならない。
この結果、製造時間が短縮され、製造コストが低減される。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、独立請求項に記載の方法によって解決され
る。本発明の方法のさらなる展開形態は従属クレームの対象として記載されてい
る。
る。本発明の方法のさらなる展開形態は従属クレームの対象として記載されてい
る。
【０００６】 本発明が解決しようとする課題は、併記された独立請求項に記載の温度管理お
よび反応チャンバシステムによっても解決される。本発明の温度管理および反応
チャンバシステムのさらなる展開形態は従属請求項の対象として記載されている
。
よび反応チャンバシステムによっても解決される。本発明の温度管理および反応
チャンバシステムのさらなる展開形態は従属請求項の対象として記載されている
。
【０００７】
本発明によれば、すべての温度のダイナミックな挙動（変化）を制御するよう
になっている。特に複数秒の範囲内（im Bereich von Sekundenbereich）で温度
変化が発生する。これと同時に反応器内では他の特性も変化できるので、例えば
、キャリアガスとして使用される水素に代わりに窒素への変換（置換）、よって
熱伝導率も変化できるので、温度の間の相関性、例えば反応器チャンバの上面に
おける温度Ｔ７と高周波（ＲＦ）コイルの温度Ｔ８との間の相関性の時間も同じ
ように時間的に変化し（図３も参照）、これを制御できる。
になっている。特に複数秒の範囲内（im Bereich von Sekundenbereich）で温度
変化が発生する。これと同時に反応器内では他の特性も変化できるので、例えば
、キャリアガスとして使用される水素に代わりに窒素への変換（置換）、よって
熱伝導率も変化できるので、温度の間の相関性、例えば反応器チャンバの上面に
おける温度Ｔ７と高周波（ＲＦ）コイルの温度Ｔ８との間の相関性の時間も同じ
ように時間的に変化し（図３も参照）、これを制御できる。
【０００８】 本発明によれば、本発明の温度管理システムは、温度、温度ダイナミックス、
温度範囲およびすべての温度の相関性だけでなく、反応器内で変化するプロセス
パラメータも検討する。
温度範囲およびすべての温度の相関性だけでなく、反応器内で変化するプロセス
パラメータも検討する。
【０００９】 本発明によれば、温度管理システムは、例えば、数値シミュレーションにより
決定された温度プロフィルに特に基づく。
決定された温度プロフィルに特に基づく。
【００１０】 上記半導体結晶材料の化合物では、特に所望する層の特性を得るために特にダ
イナミックな温度およびダイナミックな熱プロセスを適用する。
イナミックな温度およびダイナミックな熱プロセスを適用する。
【００１１】 本発明によれば、（プロセスガス、例えばキャリアガスの置換と組み合わせて
）反応器内のさらに他のプロセスパラメータの変化を考慮しながら、ダイナミッ
ク熱プロセスを制御するように複数秒の範囲内にある（で互いに相関する）温度
変化プロフィルに従って、絶対温度および／または入口の温度Ｔ１、チャンバの
壁の温度Ｔ２、主（基本）ウェーハ支持体の温度Ｔ３、回転する個々のウェーハ
支持体の温度Ｔ４、ガスの出口の温度Ｔ５、ガス混合システムの温度Ｔ６、反応
チャンバの上面の温度Ｔ７および加熱システムの温度Ｔ８のうちの少なくとも２
つを制御し、部品、特に電子部品および光電子部品に好都合な効果を生じさせる
材料の特性を選択的に発生（生成）する。
）反応器内のさらに他のプロセスパラメータの変化を考慮しながら、ダイナミッ
ク熱プロセスを制御するように複数秒の範囲内にある（で互いに相関する）温度
変化プロフィルに従って、絶対温度および／または入口の温度Ｔ１、チャンバの
壁の温度Ｔ２、主（基本）ウェーハ支持体の温度Ｔ３、回転する個々のウェーハ
支持体の温度Ｔ４、ガスの出口の温度Ｔ５、ガス混合システムの温度Ｔ６、反応
チャンバの上面の温度Ｔ７および加熱システムの温度Ｔ８のうちの少なくとも２
つを制御し、部品、特に電子部品および光電子部品に好都合な効果を生じさせる
材料の特性を選択的に発生（生成）する。
【００１２】 本発明によれば、ＨＦ（高周波）加熱手段を温度管理システムによって制御し
、このシステムを使って温度および温度ダイナミックスを得ることが好ましい。
、このシステムを使って温度および温度ダイナミックスを得ることが好ましい。
【００１３】 主請求項に記載の解決案の有利な特徴により、調節自在な電気的特性および光
学的特性、例えば０〜１００％までの化合物のＸ、Ｙ、Ｚ、Ｖ、Ｗの組成、１０ ２０ ｃｍ-３までの電子比濃度（specific electron concentration）および８×
１０１８ｃｍ-３までの電子空孔比濃度を有する半導体結晶材料から、所定の層
、境界および一連の層（積層構造）ないしヘテロ構造、及び種々の構造体を製造
することが可能である。
学的特性、例えば０〜１００％までの化合物のＸ、Ｙ、Ｚ、Ｖ、Ｗの組成、１０ ２０ ｃｍ-３までの電子比濃度（specific electron concentration）および８×
１０１８ｃｍ-３までの電子空孔比濃度を有する半導体結晶材料から、所定の層
、境界および一連の層（積層構造）ないしヘテロ構造、及び種々の構造体を製造
することが可能である。
【００１４】 本温度管理システムは、特に窒素を含む半導体結晶材料の製造に対する特定の
要求に応えるものである。
要求に応えるものである。
【００１５】 ＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ材料および層状システム（構造）だけでなく、ドーピン
グされた層状システムを好ましく製造できる。
グされた層状システムを好ましく製造できる。
【００１６】 同じように、横方向の高い一様性（均一性）を有利に得ることができる。 更に高度の再現性を有利に達成できる。
【００１７】 構成要素（デバイスまたは部品）を有利に製造できる。製造において、構成要
素の挙動、すなわちそれらの特性、例えば発光ダイオードの色および輝度を決定
できる。例えば一定のフィールドエミッタ（Feldemitter）を製造することもで
きる。
素の挙動、すなわちそれらの特性、例えば発光ダイオードの色および輝度を決定
できる。例えば一定のフィールドエミッタ（Feldemitter）を製造することもで
きる。
【００１８】 ピエゾ電気フィールドおよび境界状態を同じように決定できる。 量子井戸を有利に製造できる。
【００１９】 好都合な利点としてはｎタイプのドーピングとｐタイプのドーピングを同時に
実現できることが挙げられる。
実現できることが挙げられる。
【００２０】 Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｖ、Ｗの組成が異なり、純度レベルが異なるＡＸＢＹＣＺＮＶＭ Ｗ 材料の再現可能な製造を有利に行うことができる。
【００２１】 無制限に再現可能な、かつ調節自在な転移（移行）プロフィルでＡ１ＸＢ１Ｙ Ｃ１ＺＮ１ＶＭ１Ｗ層とＡ２ＸＢ２ＹＣ２ＺＮ２ＶＭ２Ｗ層との間の境界の製造
を有利に可能とすることができる。
を有利に可能とすることができる。
【００２２】 ガスの適当な切替シーケンスと共に、製造プロセス中の反応チャンバ内の温度
プロフィルおよび温度増加（昇温）スキームを調節することにより、上記有利な
製造可能性を利用して、境界部の電気的特性を調節することができる。これら電
気的特性、例えば電荷（Ladung）密度、不純物密度だけでなく、構造および境界
部における状態密度を使ってバンドの曲げに起因する内外の電界によりＡ１ＸＢ １Ｙ Ｃ１ＺＮ１ＶＭ１Ｗ／Ａ２ＸＢ２ＹＣ２ＺＮ２ＶＭ２Ｗのヘテロ構造内の再
結合エネルギーの調節を行うことができる。このような温度管理システムにより
、所定の光学的特性および電気的特性を有する、単一層の何分の１かまでの数μ
ｍの層の厚みを有するヘテロ層構造を製造できる。
プロフィルおよび温度増加（昇温）スキームを調節することにより、上記有利な
製造可能性を利用して、境界部の電気的特性を調節することができる。これら電
気的特性、例えば電荷（Ladung）密度、不純物密度だけでなく、構造および境界
部における状態密度を使ってバンドの曲げに起因する内外の電界によりＡ１ＸＢ １Ｙ Ｃ１ＺＮ１ＶＭ１Ｗ／Ａ２ＸＢ２ＹＣ２ＺＮ２ＶＭ２Ｗのヘテロ構造内の再
結合エネルギーの調節を行うことができる。このような温度管理システムにより
、所定の光学的特性および電気的特性を有する、単一層の何分の１かまでの数μ
ｍの層の厚みを有するヘテロ層構造を製造できる。
【００２３】 有利に決定できるさらなる特性としては、半導体材料の表面モルフォロジーが
挙げられる。
挙げられる。
【００２４】 他の有利に決定できる特性としては、ウェーハ表面で粒子密度および不純物密
度が挙げられ得る。
度が挙げられ得る。
【００２５】 さらに別の利点としては、ドーピング、層の厚み、組成および用途に対応する
他の任意の特性に関し、ＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ成分要素を再現自在かつ高度に一
様、すなわち均一にコーティングできることが挙げられる。
他の任意の特性に関し、ＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ成分要素を再現自在かつ高度に一
様、すなわち均一にコーティングできることが挙げられる。
【００２６】 一実施例では入口温度Ｔ１の温度制御において、ウェーハコーティングのため
のガスの凝縮（積着）の態様を有利に調節できる。
のガスの凝縮（積着）の態様を有利に調節できる。
【００２７】 別の実施形態では、反応器の壁の温度Ｔ２を制御することにより、反応チャン
バのこれら要素の間でエネルギーの流れを生じさせず、かつガスの流れが発生し
ないように、この壁温度Ｔ２と主ウェーハ支持体の温度Ｔ７との間の温度差の発
生を防止する。この結果、ガスを一様に完全に凝縮することが可能である。
バのこれら要素の間でエネルギーの流れを生じさせず、かつガスの流れが発生し
ないように、この壁温度Ｔ２と主ウェーハ支持体の温度Ｔ７との間の温度差の発
生を防止する。この結果、ガスを一様に完全に凝縮することが可能である。
【００２８】 測定のためにアクセスできないサテライト上のウェーハのウェーハ温度は、こ
こでは制御温度および目標温度を構成する。このケースでも、すべての温度はダ
イナミックに変化する。その理由は、反応チャンバの壁および主なウェーハ支持
体は、異なる材料（カーボンおよび金属）から製造され、本質的に熱放射によっ
て影響されるからである。この制御は極めて困難である。
こでは制御温度および目標温度を構成する。このケースでも、すべての温度はダ
イナミックに変化する。その理由は、反応チャンバの壁および主なウェーハ支持
体は、異なる材料（カーボンおよび金属）から製造され、本質的に熱放射によっ
て影響されるからである。この制御は極めて困難である。
【００２９】 別の実施形態では、主ウェーハ支持体の温度Ｔ３を制御により、製造プロセス
中に反応チャンバ内の温度プロフィルおよび温度増加スキーム（計画）を再現可
能に決定する。かくて、ガスの適当な切替シーケンスと共に製造プロセス中の反
応チャンバ内の温度プロフィルおよび温度増加スキームを調節することによって
、表面の電気的な特性の調節が有利に可能となる。
中に反応チャンバ内の温度プロフィルおよび温度増加スキーム（計画）を再現可
能に決定する。かくて、ガスの適当な切替シーケンスと共に製造プロセス中の反
応チャンバ内の温度プロフィルおよび温度増加スキームを調節することによって
、表面の電気的な特性の調節が有利に可能となる。
【００３０】 別の実施形態では、回転する個々のウェーハ支持体の温度Ｔ４を制御する結果
、個々のウェーハ支持体のすべての製造条件が主ウェーハ支持体の製造条件と結
合される。従って、すべてのウェーハを均一な品質に有利に製造できる。
、個々のウェーハ支持体のすべての製造条件が主ウェーハ支持体の製造条件と結
合される。従って、すべてのウェーハを均一な品質に有利に製造できる。
【００３１】 さらに別の実施形態においてガス出口の温度Ｔ５を制御することにより、温度
勾配、従って出口とウェーハ支持体との間のエネルギーの流れおよびガスの流れ
を再現可能に有利に決定できる。Ｔ５（ガス出口）＜Ｔ４（ウェーハ支持体）＜
Ｔ３（主ウェーハ支持体）となるように制御する際に、温度ダイナミックスも制
御しなければならない。その理由は、ウェーハ支持体だけをアクティブに加熱し
、冷却特性を対応して考慮しなければならないからである。
勾配、従って出口とウェーハ支持体との間のエネルギーの流れおよびガスの流れ
を再現可能に有利に決定できる。Ｔ５（ガス出口）＜Ｔ４（ウェーハ支持体）＜
Ｔ３（主ウェーハ支持体）となるように制御する際に、温度ダイナミックスも制
御しなければならない。その理由は、ウェーハ支持体だけをアクティブに加熱し
、冷却特性を対応して考慮しなければならないからである。
【００３２】 別の実施形態でガス混合システムの温度Ｔ６を制御する際、この温度および温
度勾配、従って入口とガス混合システムとの間のエネルギーの流れおよびガスの
流れを再現自在に有利に決定しなければならない。
度勾配、従って入口とガス混合システムとの間のエネルギーの流れおよびガスの
流れを再現自在に有利に決定しなければならない。
【００３３】 ２０〜１４００℃のＴ８またはＴ１の温度ダイナミックスにもかかわらず、例
えば温度Ｔ６は一定レベルに維持しなければならない。
えば温度Ｔ６は一定レベルに維持しなければならない。
【００３４】 別の実施形態では反応チャンバの上面の温度Ｔ７を制御することにより、この
温度だけでなく、温度勾配、従って反応チャンバの上面と主ウェーハ支持体の間
のエネルギーの流れおよびガスの流れを均一かつ再現自在に決定できる。
温度だけでなく、温度勾配、従って反応チャンバの上面と主ウェーハ支持体の間
のエネルギーの流れおよびガスの流れを均一かつ再現自在に決定できる。
【００３５】 さらに別の実施形態では、加熱システムの温度Ｔ８を制御することにより、こ
の温度、および従って主ウェーハ支持体の温度Ｔ３を均一かつ再現自在に決定で
きる。 Ｔ７、Ｔ８およびＴ３の制御ではダイナミックスおよび加熱／冷却（過程，手
段）も同じように検討しなければならない。
の温度、および従って主ウェーハ支持体の温度Ｔ３を均一かつ再現自在に決定で
きる。 Ｔ７、Ｔ８およびＴ３の制御ではダイナミックスおよび加熱／冷却（過程，手
段）も同じように検討しなければならない。
【００３６】 別の従属請求項の１つに従ってパラメータを更に制御することにより、Ｘ、Ｙ
、Ｚ、Ｖ、Ｗの組成物の特性だけでなく、電子比濃度および電子空孔の比濃度を
調節自在に設定できる。しかしながら、ガスの流量はダイナミックな温度変化に
関連して制御しなければならず、そうしない場合、構造要素の特性が変化するこ
とになる。ガス流れの変化により温度分布、例えば熱伝導特性および冷却の挙動
に対する応答が等しく生じる。
、Ｚ、Ｖ、Ｗの組成物の特性だけでなく、電子比濃度および電子空孔の比濃度を
調節自在に設定できる。しかしながら、ガスの流量はダイナミックな温度変化に
関連して制御しなければならず、そうしない場合、構造要素の特性が変化するこ
とになる。ガス流れの変化により温度分布、例えば熱伝導特性および冷却の挙動
に対する応答が等しく生じる。
【００３７】 さらに他の従属請求項に記載のプロセス工程によれば、適当な特性、例えば表
面モルフォロジー、ドーピング、組成、純度、不純物濃度で規定された例えば層
、境界面、一連の層（積層構造）及びヘテロ構造体により構成された種々のＡＸ ＢＹＣＺＮＶＭＷ材料の構成要素を含む製品を有利に製造できる。
面モルフォロジー、ドーピング、組成、純度、不純物濃度で規定された例えば層
、境界面、一連の層（積層構造）及びヘテロ構造体により構成された種々のＡＸ ＢＹＣＺＮＶＭＷ材料の構成要素を含む製品を有利に製造できる。
【００３８】 さらに別の実施形態で示される温度制御された注入により、更に一様性および
表面の性質および表面の特性を有利に調節することが可能となる。
表面の性質および表面の特性を有利に調節することが可能となる。
【００３９】 温度管理および反応チャンバシステムに関する請求項は、対応して有利にでき
る、方法に関する請求項に対応する装置に関する請求項である。
る、方法に関する請求項に対応する装置に関する請求項である。
【００４０】 以下添付図面を参照し、発明の一般的な概念を限定することなく、実施例によ
り、本発明について説明する。発明の細部の開示に関し、他のすべての点につい
て添付図面を明らかに参照するものであるが、本明細書では、細部をより完全に
は説明しない。
り、本発明について説明する。発明の細部の開示に関し、他のすべての点につい
て添付図面を明らかに参照するものであるが、本明細書では、細部をより完全に
は説明しない。
【００４１】
まず第１に反応チャンバシステムの構造および、従って、次の温度に対し温度
管理システムに重要な温度測定ポイントについて説明する。図１は、このセット
アップを示し、番号１は温度Ｔ１を示す反応チャンバシステムの入口を示し、番
号２は温度Ｔ２を有する反応チャンバ壁を示し、番号３は温度Ｔ３にある主たる
ウェーハ支持体を示し、番号４は温度Ｔ４を示す回転する個々のウェーハ支持体
（ないし基体）を示し、番号５は温度Ｔ５にあるガスの出口を示し、番号６は温
度レベルＴ６にあるガス混合システムを示し、番号７は温度Ｔ７にある反応容器
の上面（上部）を示し、番号８は温度Ｔ８の加熱システムを示す。
管理システムに重要な温度測定ポイントについて説明する。図１は、このセット
アップを示し、番号１は温度Ｔ１を示す反応チャンバシステムの入口を示し、番
号２は温度Ｔ２を有する反応チャンバ壁を示し、番号３は温度Ｔ３にある主たる
ウェーハ支持体を示し、番号４は温度Ｔ４を示す回転する個々のウェーハ支持体
（ないし基体）を示し、番号５は温度Ｔ５にあるガスの出口を示し、番号６は温
度レベルＴ６にあるガス混合システムを示し、番号７は温度Ｔ７にある反応容器
の上面（上部）を示し、番号８は温度Ｔ８の加熱システムを示す。
【００４２】 反応チャンバはウェーハ用の水平な支持体を含む。水平ガスフローが形成され
る状態で上方から反応ガスが注入される。この方法は温度制御と組み合わせて所
定のガスを分離しなければならない。この実施例によれば、温度Ｔ１〜Ｔ８を正
確に調節し、制御する。製造プロセスを最適にするためには、更に別の温度をパ
ラメータとして使用してもよい。
る状態で上方から反応ガスが注入される。この方法は温度制御と組み合わせて所
定のガスを分離しなければならない。この実施例によれば、温度Ｔ１〜Ｔ８を正
確に調節し、制御する。製造プロセスを最適にするためには、更に別の温度をパ
ラメータとして使用してもよい。
【００４３】 これらパラメータを基に、冒頭に記載した特性を最適にすることが可能である
。 温度管理制御および再循環システムないし制御は、それぞれ温度伝達および熱
フローに基づく。温度調節はアクティブな加熱、熱放射および液体ならびにガス
を使った冷却によって行われる。このシステムは測定値を記録しながらいくつか
の定期的にモニタされる測定ポイントによって決定され、必要な温度設定を行う
ように温度を調節する。
。 温度管理制御および再循環システムないし制御は、それぞれ温度伝達および熱
フローに基づく。温度調節はアクティブな加熱、熱放射および液体ならびにガス
を使った冷却によって行われる。このシステムは測定値を記録しながらいくつか
の定期的にモニタされる測定ポイントによって決定され、必要な温度設定を行う
ように温度を調節する。
【００４４】 図２は、基本ウェーハサポートＴ３の温度に応じ、ＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ材料
の一例としてのＩｎＧａＮのうちのＩｎ混入量（Ｉｎ注入）の依存性を示す。
の一例としてのＩｎＧａＮのうちのＩｎ混入量（Ｉｎ注入）の依存性を示す。
【００４５】 ７２５℃〜９２５℃までのＴ３の温度範囲では、ＩｎＧａＮ材料におけるＩｎ
の比率がほぼ２５％から５％に低下することを認識できる。
の比率がほぼ２５％から５％に低下することを認識できる。
【００４６】 図３は、この実施例に対応するＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造を製造するため
の温度Ｔ３およびＴ７の温度プロフィルを示す。
の温度Ｔ３およびＴ７の温度プロフィルを示す。
【００４７】 ＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷの形態の半導体を製造するための、本発明の方法は、異
なる温度範囲を使用しなければならない。特に温度範囲（例えば図３の温度変化
のプロフィルを参照）は次のとおりである。
なる温度範囲を使用しなければならない。特に温度範囲（例えば図３の温度変化
のプロフィルを参照）は次のとおりである。
【００４８】 ４００〜６００℃ 基板とアクティーブ層との間に核形成層を製造する ため ２００〜８００℃ 光学的にアクティーブな層を製造するため １０００〜１４００℃ 光学的にアクティーブな層を囲む、電気的にアクテ ィーブなエンベロープ層を製造するため
【００４９】 温度ダイナミックス--絶対的安定性だけではない--は、発光ダイオードの色の
ような、要素の挙動に対し決定的なファクタである。これについては「発明の概
説」の章でこれまで説明したすべての特性についても当てはまる。
ような、要素の挙動に対し決定的なファクタである。これについては「発明の概
説」の章でこれまで説明したすべての特性についても当てはまる。
【００５０】 凝縮温度よりも低い温度に温度設定しなければならないとする基準は、ここで
は適用できない。実際に、反応器の部品に堆積が生じることは、部品の所望する
特性を生じさせる温度および気相の組成を得るために許容される。半導体内で材
料の非一様な分布が得られるように、光学的にアクティーブな層で温度（例えば
７００〜８００℃）が設定される。しかしながら、アダクト化合物が形成されな
いように制御機能を実行しなければならない。
は適用できない。実際に、反応器の部品に堆積が生じることは、部品の所望する
特性を生じさせる温度および気相の組成を得るために許容される。半導体内で材
料の非一様な分布が得られるように、光学的にアクティーブな層で温度（例えば
７００〜８００℃）が設定される。しかしながら、アダクト化合物が形成されな
いように制御機能を実行しなければならない。
【００５１】 ダイナミックな変動を引き起こすすべての温度のこのような本発明による温度
管理を行う結果、完全に新規な製造プロセスが得られる。例えば境界面および光
学的にアクティーブなメディアによって影響されるポテンシャル井戸のこのよう
に規定された特性よって、発光ダイオードおよびレーザーの輝度および色が決定
される。製造される製品の別の特性に影響を与える可能性は限定されない。
管理を行う結果、完全に新規な製造プロセスが得られる。例えば境界面および光
学的にアクティーブなメディアによって影響されるポテンシャル井戸のこのよう
に規定された特性よって、発光ダイオードおよびレーザーの輝度および色が決定
される。製造される製品の別の特性に影響を与える可能性は限定されない。
【００５２】 温度管理システムおよび精度の検出だけでなく、温度変動のプロフィル［時間
経緯］--例えば図３に対応する温度変動のプロフィル--はルーチン的操作によっ
て検出されない。その理由は、位置、例えばウェーハ上のガス空間にはアクセス
できないことが多いからである。４００〜１６００℃の広い温度レンジは（種々
の）温度勾配（ないしランプ関数）にて十分でないことが多い時間（換算）分解
能を有する異なる測定システムの利用を必要とする。更に、ここの反応器の各部
品はプロセス全体にわたる熱特性、例えば放射挙動を変えるので、各プロセスの
間ごとに新しい温度を決定しなければならない。本発明を実施するために、温度
分布の広範な数字シミュレーションを実行した。
経緯］--例えば図３に対応する温度変動のプロフィル--はルーチン的操作によっ
て検出されない。その理由は、位置、例えばウェーハ上のガス空間にはアクセス
できないことが多いからである。４００〜１６００℃の広い温度レンジは（種々
の）温度勾配（ないしランプ関数）にて十分でないことが多い時間（換算）分解
能を有する異なる測定システムの利用を必要とする。更に、ここの反応器の各部
品はプロセス全体にわたる熱特性、例えば放射挙動を変えるので、各プロセスの
間ごとに新しい温度を決定しなければならない。本発明を実施するために、温度
分布の広範な数字シミュレーションを実行した。
【００５３】 図４〜６は特に反応器を最適にするように働くシミュレーションに関する図で
あり、これらの図は最適にされた温度プロフィルに対する基礎となる。
あり、これらの図は最適にされた温度プロフィルに対する基礎となる。
【００５４】 図４は反応器内における質量輸送のモデルを示す。計算を行って観察したゾー
ンおよびポイント（格子）について記述している。これについては質量輸送のみ
ならず温度のふるまいについても当てはまる。 図５は反応器全体にわたる温度分布を示す。モデル内の温度分布および仮定な
いし仮説（Annahme）の双方について記述しており、更に測定のためにアクセス
できない位置が検出されている。 図６は更なる詳細を示し、本発明の反応器または温度および反応チャンバシス
テムのほとんどすべての部品（部材）に関連する熱モデルを示す。
ンおよびポイント（格子）について記述している。これについては質量輸送のみ
ならず温度のふるまいについても当てはまる。 図５は反応器全体にわたる温度分布を示す。モデル内の温度分布および仮定な
いし仮説（Annahme）の双方について記述しており、更に測定のためにアクセス
できない位置が検出されている。 図６は更なる詳細を示し、本発明の反応器または温度および反応チャンバシス
テムのほとんどすべての部品（部材）に関連する熱モデルを示す。
【００５５】 図７は本発明の温度管理システムによって製造されるＩｎＧａＮ／ＧａＮの量
子井戸の光学的特性を示している。 単一井戸（ＳＱＷ）に対する３.１７ｅＶにおけるＧａＩｎＮの値およびマル
チポテンシャル井戸（ＭＱＷ）に対し３.２０ｅＶにおけるＧａＩｎＮの値につ
いて注目されたい。
子井戸の光学的特性を示している。 単一井戸（ＳＱＷ）に対する３.１７ｅＶにおけるＧａＩｎＮの値およびマル
チポテンシャル井戸（ＭＱＷ）に対し３.２０ｅＶにおけるＧａＩｎＮの値につ
いて注目されたい。
【００５６】 図８は、本発明のシステムで得られる組成の一様性または均一性を示す。 図９は、本発明で得られるドーピングの一様性または均一性を示す図である。
【００５７】 図１０は放出波長によって表示した、反応チャンバの上部側における温度Ｔに
依存したＮの混入を示すグラフである。 ここでは反応チャンバＴ７の上面の温度が上昇するにつれ、Ｎの混入率も低減
される。
依存したＮの混入を示すグラフである。 ここでは反応チャンバＴ７の上面の温度が上昇するにつれ、Ｎの混入率も低減
される。
【００５８】 図１１はパーセントで表示されたこれまでの構造体を製造するプロセス中の温
度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ７、Ｔ８およびＴ９の測定された変化（推移）を示す。 本実施例に対応し、製造のためのプロセスシーケンスで特定される温度プロフ
ィルが得られる。
度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ７、Ｔ８およびＴ９の測定された変化（推移）を示す。 本実施例に対応し、製造のためのプロセスシーケンスで特定される温度プロフ
ィルが得られる。
【図１】 反応チャンバ内の再循環ループおよび測定ポイントの略図である
。
。
【図２】 温度Ｔ３に対するＩｎＧａＮのうちのＩｎ混入率の温度依存性を
示す。
示す。
【図３】 ヘテロＧａＮ／ＩｎＧａＮを製造するための温度Ｔ３およびＴ７ の温度プロフィルを示す。
【図４】 反応器における質量輸送のモデルの図である。
【図５】 反応器における、考えられる温度分布を示す。
【図６】 本発明の温度および反応チャンバシステムの熱モデルを示す。
【図７】 本発明の温度管理システムで製造されるＩｎＧａＮ／ＧａＮの量
子井戸の光学的性質を示す。
子井戸の光学的性質を示す。
【図８】 本発明のシステムで得られる組成の均一性または一様性を示す。
【図９】 本発明のシステムで得られるドーピングにおける均一性および一
様性を示す。
様性を示す。
【図１０】 放出波長で表示された、反応チャンバの上面の温度Ｔ７に応じ
たＮの混入率を示す。
たＮの混入率を示す。
【図１１】 ヘテロ構造体の製造プロセス中における温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ７ 、Ｔ８およびＴ９の測定を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 プロッツマン、ハリー ドイツ連邦共和国 Ｄ−52064 アーヘン ズュートシュトラーセ 53 (72)発明者 ユルゲンセン、ホルガー ドイツ連邦共和国 Ｄ−52072 アーヘン ラートハウスシュトラーセ 43ｄ (72)発明者 シェーン、オリファー ドイツ連邦共和国 Ｄ−52134 ヘルツォ ーゲンラート ブルックナーシュトラーセ 47−49 (72)発明者 シュミッツ、ディートマー ドイツ連邦共和国 Ｄ−52072 アーヘン ロンヴェーク 41 Ｆターム(参考） 4K030 BA38 BB14 CA04 DA05 FA10 HA12 HA13 JA05 JA09 JA10 LA15 5F045 AB10 AB12 AB14 AB17 AB18 AD08 AD09 AD10 AD11 AD12 AD13 AD14 AD15 AD16 AD17 AD18 DA55 DP03 EM10 GB05 GB17
Claims (34)
- 【請求項１】 ＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ（ここでＡ、Ｂ、ＣはII族またはIII
族の元素を示し、Ｎは窒素を示し、ＭはＶ族またはVI族の元素を示し、Ｘ、Ｙ、
Ｚ、Ｖ、Ｗは、化合物内の各元素のモル比を示す）の形態の窒素を含む半導体結
晶材料を気相組成および一連の気相を用いて製造する方法であって、 反応器内の他のプロセスパラメータの変化を考慮しながら、ダイナミックな熱
プロセスを制御するように複数秒の範囲内（im Sekundenbereich）の温度変化プ
ロフィルに従って絶対温度および／または入口の温度Ｔ１、チャンバの壁の温度
Ｔ２、主ウェーハ支持体の温度Ｔ３、回転する個々のウェーハ支持体の温度Ｔ４ 、ガスの出口の温度Ｔ５、ガス混合システムの温度Ｔ６、反応チャンバの上面の
温度Ｔ７および加熱システムの温度Ｔ８のうちの少なくとも２つを制御し、材料
の特性を選択的に発生することを特徴とする、窒素を含む半導体結晶材料の製造
方法。 - 【請求項２】 ガスの凝縮温度よりも低くなるように温度Ｔ１を制御し、ア
ダクト化合物が形成されるのを防止するように温度を正しく調節することを特徴
とする、請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 温度Ｔ３に等しくなるように、温度Ｔ２を精密に制御するこ
とを特徴とする、制御する１または２記載の方法。 - 【請求項４】 温度Ｔ３を定数として制御し、更に毎分２５０℃までの必要
な再現可能な温度変化で１６００℃まで制御することを特徴とする、請求項１〜
３のいずれかに記載の方法。 - 【請求項５】 ０.１℃の精度で温度Ｔ３に極めて精密に相関化するように
温度Ｔ４を制御することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。 - 【請求項６】 温度Ｔ４およびＴ３よりも低く温度Ｔ５を制御することを特
徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。 - 【請求項７】 Ｔ１よりも小さい定数として温度Ｔ６を制御することを特徴
とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。 - 【請求項８】 温度Ｔ７を定数として、更にＴ３に相関化するように、制御
することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。 - 【請求項９】 温度Ｔ８を定数として、更にＴ３に相関化するように、制御
することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１０】 温度に依存したガス流量の変化を更に制御することを特徴
とする、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１１】 反応チャンバにおける温度に依存した全圧力変化を更に制
御することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１２】 反応チャンバにおける温度に依存した主なキャリアガスの
変化を更に制御することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法
。 - 【請求項１３】 製造プロセスにおける温度に依存した中断を更に制御する
ことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１４】 IV族の半導体、III−Ｖ族の半導体、酸化物または温度お
よびプロセスガスに耐えられる任意のその他の材料の機械的支持体に、製造すべ
き半導体材料をコーティングすることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか
に記載の方法。 - 【請求項１５】 ライン、ドットの施工により、表面処理工程により、また
は表面を他の材料または材料製品で部分的に被覆することにより、電気機械的支
持体を前処理することを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１６】 前処理したＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ材料を２段階で被覆する
ことを特徴とする、請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１７】 温度制御した注入を行うことを特徴とする、請求項１〜１
６のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１８】 ＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ（ここでＡ、Ｂ、ＣはII族または
III族の元素を示し、Ｎは窒素を示し、ＭはＶ族またはVI族の元素を示し、Ｘ、
Ｙ、Ｚ、Ｖ、Ｗは化合物内の各元素のモル比を示す）の形態の窒素を含む半導体
結晶材料を気相組成および一連の気相の使用の下に製造するための温度管理およ
び反応チャンバシステムにおいて、 反応器内の他のプロセスパラメータの変化を考慮しながら、ダイナミックな熱
プロセスを制御するように少なくとも複数秒の範囲内（im Sekundenbereich）の
温度変化プロフィルに従って絶対温度および／または入口の温度Ｔ１、チャンバ
の壁の温度Ｔ２、基本ウェーハ支持体の温度Ｔ３、回転する個々のウェーハ支持
体の温度Ｔ４、ガスの出口の温度Ｔ５、ガス混合システムの温度Ｔ６、反応チャ
ンバの上面の温度Ｔ７および加熱システムの温度Ｔ８のうちの少なくとも２つを
制御し、材料の特性を選択的に発生することを特徴とする、窒素を含む半導体結
晶材料を製造するための温度管理および反応チャンバシステム。 - 【請求項１９】 ガスの凝縮温度よりも低くなるように温度Ｔ１を制御し、
アダクト化合物が形成されるのを防止するように温度を正しく調節するためのコ
ントローラを特徴とする、請求項１８記載の温度管理および反応チャンバシステ
ム。 - 【請求項２０】 温度Ｔ３に等しくなるように、温度Ｔ２を精密に制御する
ためのコントローラを特徴とする、請求項１８または１９記載の温度管理および
反応チャンバシステム。 - 【請求項２１】 温度Ｔ３を定数として制御し、更に毎分２５０℃（まで）
の必要な再現可能な温度変化で１６００℃まで制御するためのコントローラを特
徴とする、請求項１８〜２０のいずれかに記載の温度管理および反応チャンバシ
ステム。 - 【請求項２２】 ０.１℃の精度で温度Ｔ３に極めて精密に相関化するよう
に温度Ｔ４を制御するためのコントローラを特徴とする、請求項１８〜２１のい
ずれかに記載の温度管理および反応チャンバシステム。 - 【請求項２３】 温度Ｔ４およびＴ３よりも低く温度Ｔ５を制御するための
コントローラを特徴とする、請求項１８〜２２のいずれかに記載の温度管理およ
び反応チャンバシステム。 - 【請求項２４】 Ｔ１よりも低く定数として温度Ｔ６を制御するためのコン
トローラを特徴とする、請求項１８〜２３のいずれかに記載の温度管理および反
応チャンバシステム。 - 【請求項２５】 定数として、更にＴ３に相関化するように、温度Ｔ７を制
御するためのコントローラを特徴とする、請求項１８〜２４のいずれかに記載の
温度管理および反応チャンバシステム。 - 【請求項２６】 定数として、更にＴ３に相関化するように、温度Ｔ８を制
御するためのコントローラを特徴とする、請求項１８〜２５のいずれかに記載の
温度管理および反応チャンバシステム。 - 【請求項２７】 温度に依存したガス流量の変化を更に制御するためのコン
トローラを特徴とする、請求項１９〜２６のいずれかに記載の温度管理および反
応チャンバシステム。 - 【請求項２８】 反応チャンバにおける温度に依存したガス全圧の変化を更
に制御するためのコントローラを特徴とする、請求項１８〜２７のいずれかに記
載の温度管理および反応チャンバシステム。 - 【請求項２９】 反応チャンバにおける温度に依存した主キャリアガスの変
化を更に制御するためのコントローラを特徴とする、請求項１８〜２８のいずれ
かに記載の温度管理および反応チャンバシステム。 - 【請求項３０】 温度に依存した製造プロセスの中断を更に制御するための
コントローラを特徴とする、請求項１８〜２９のいずれかに記載の温度管理およ
び反応チャンバシステム。 - 【請求項３１】 IV族の半導体、III−Ｖ族の半導体、酸化物または温度お
よびプロセスガスに耐えられる任意のその他の材料の機械的支持体に、製造すべ
き半導体材料をコーティングするための装置を特徴とする、請求項１８〜３０の
いずれかに記載の温度管理および反応チャンバシステム。 - 【請求項３２】 ライン、ドットの施工により、表面処理工程により、また
は表面を他の材料または材料成分で部分的に被覆することにより、電気機械的支
持体をあらかじめ処理するための手段を特徴とする、請求項１８〜３１のいずれ
かに記載の温度管理および反応チャンバシステム。 - 【請求項３３】 前処理したＡＸＢＹＣＺＮＶＭＷ材料を２段階でコーティ
ングするための手段を特徴とする、請求項１８〜３２のいずれかに記載の温度管
理および反応チャンバシステム。 - 【請求項３４】 温度制御された注入器を特徴とする、請求項１８〜３３の
いずれかに記載の温度管理および反応チャンバシステム。
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