JP2007123628A

JP2007123628A - 半導体製造方法及びサテライト

Info

Publication number: JP2007123628A
Application number: JP2005315165A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Hanamaki; 吉彦花巻
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-17
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: CN1956151B; CN1956151A; US20070099355A1; DE102006043991A1; JP4844086B2

Abstract

【課題】基板上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する際に、その薄膜の組成の面内分布を均一化する。
【解決手段】サテライトに基板をセットする工程と、サテライトを通じて基板に熱エネルギーを供給しながら、基板上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する工程とを有し、サテライトとして、基板を載置する平坦なサテライト本体と基板の外周部を固定する外周固定部とを有し、外周固定部が基板の外周部の３６０°全周ではなく一部のみに接触するものを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する際に、その薄膜の組成の面内分布を均一化することができる半導体製造方法、及びその際に用いるサテライトに関するものである。

ＩｎＰ基板やＧａＡｓ基板上に化合物半導体を結晶成長することで半導体レーザ等の半導体光素子が製造される。化合物半導体として、代表的にはII族原子とIV族原子が結合したII−IV族化合物半導体と、III族原子とＶ族原子が結合したIII−Ｖ族化合物半導体がある。そして、複数のII・III族原子とIV・Ｖ族原子が結合した様々な組成の混晶化合物半導体が存在する。混晶化合物半導体として、例えばＺｎＭｇＳＳｅ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓＰ，ＺｎＳＳｅ，ＧａＰＮ，ＧａＮＡｓなどがある。

これらの混晶化合物半導体をＩｎＰ基板やＧａＡｓ基板上に結晶成長するプロセスとして、有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD）がある。このＭＯＣＶＤでは、まず、結晶成長を行う基板をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にあるサテライトにセットする。このサテライトは基板と接触しており、このサテライトを通じて基板に熱エネルギーを加え、基板の温度（成長温度）を例えば７００℃にして結晶成長を行う。

また、原材料として、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ），トリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），フォスフィン（ＰＨ_３），アルシン（ＡｓＨ_３），シラン（ＳｉＨ_４），ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）などを反応炉内に供給する。そし、これらの原材料を熱エネルギーにより熱分解し、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｓ，Ｐからなる化合物半導体を基板上に結晶成長していく。この際、原材料のガス流量をマスフローコントローラにより調整することで各層の組成を調整する。

ここで、図１４は、従来のサテライトに基板がセットされた状態を示す上面図であり、図１５は、図１４のＡ−Ａ´における断面図である。従来のサテライト１１には、基板１２が脱落しないように基板の外周部を固定する外周固定部１１ｃが、基板１２の外周部の３６０°全周に接触するように設けられている。

しかし、従来の結晶成長装置ではサテライトから基板へ均一に熱エネルギーを供給することが難しく、基板端部の方が基板中心部よりも温度が高くなることがわかっている（例えば、非特許文献１参照）。

Journal of Cystal Growth Vol. 266 P340-P346

混晶化合物半導体においてII・III族原子とIV・Ｖ族原子の組成比は成長温度に非常に敏感である。このため、基板面内に温度分布がある状態で結晶成長を行うと、その温度分布を反映した組成分布が基板面内に生じてしまう。この傾向はII・III族原子よりもIV・Ｖ族原子の方が顕著である。このため、例えばＶ族原子を２種類有するＩｎＧａＡｓＰの成長では、基板面内の温度分布を反映した結果、基板端部の方が基板中心部よりもＰの組成比が大きくなり、光学バンドギャップが大きくなる。従って、この半導体を光素子の活性層に用いると、光素子の発光波長に基板面内分布が生じてしまい、期待される発光波長の条件を満たせなくなるという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、基板上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する際に、その薄膜の組成の面内分布を均一化することができる半導体製造方法、及びその際に用いるサテライトを得るものである。

本発明に係る半導体製造方法は、サテライトに基板をセットする工程と、サテライトを通じて基板に熱エネルギーを供給しながら、基板上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する工程とを有し、サテライトとして、基板を載置する平坦なサテライト本体と基板の外周部を固定する外周固定部とを有し、外周固定部が基板の外周部の３６０°全周ではなく一部のみに接触するものを用いる。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、基板上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する際に、その薄膜の組成の面内分布を均一化することができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る半導体製造方法について図面を参照しながら説明する。

まず、図１に示すように、サテライト１１に基板１２をセットする。図２は図１のＡ−Ａ´における断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ´における断面図である。サテライト１１は、基板１２を載置する平坦なサテライト本体１１ａと、基板１２の外周部を固定する外周固定部１１ｂとを有する。図１では外周固定部１１ｂは、４つのツメからなる。そして、外周固定部１１ｂは、基板１２の外周部の３６０°全周ではなく一部のみに接触する。また、サテライト１１はサセプタ上に設けられ回転する。

次に、サテライト１１を通じて基板１２に熱エネルギーを供給しながら、基板１２上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する。

具体的には、表１に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、Ｓｉが添加されたｎ型ＧａＡｓ又はＡ１ＧａＡｓからなるバッファー層、ｎ型Ａ１ＧａＩｎＰからなるクラッド層、不純物が添加されていないＩｎＧａＰからなるガイド層、ＧａＡｓＰからなる活性層、不純物が添加されていないＩｎＧａＰガイド層、Ｚｎが添加されたＰ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、Ｐ型ＩｎＧａＰからなるＢＤＲ（Band Discontinuity Redaction）層、ＧａＡｓからなるコンタクト層を順番に成長する。

図４は、完成した半導体レーザの一例を示す斜視図である。ｎ型基板１上にｎ型バッファー層２、ｎ型クラッド層３、量子井戸構造４、ｐ型コンタクト層５、ｐ型キャップ層６が形成され、ｐ型コンタクト層５とｐ型キャップ層６の両側にｎ型電流ブロック層７が形成されている。そして、ｎ型基板１の下側にｎ型電極８、ｐ型キャップ層６の上側にｐ型電極９が形成されている。

図５は、本発明の実施の形態１に係るサテライトを用いて成長した半導体光素子の活性層のＰＬ（Photoluminescence）波長分布であり、図６は、従来のサテライトを用いて成長した半導体光素子の活性層のＰＬ波長分布である。これらの図は、中心波長に対する相対波長を示している。この結果から、従来のサテライトを用いた場合に比べ、本実施の形態に係るサテライトを用いた場合は、波長分布が１０ｎｍ程度改善しており、半導体光素子の活性層の組成の面内分布を均一化することができることが分かる。

よって、上記のように外周固定部が基板の外周部の３６０°全周ではなく一部のみに接触するサテライトを用いることで、基板上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する際に、その薄膜の組成の面内分布を均一化することができる。これにより、１つの基板から発光波長（発振波長）が同じ半導体光素子を多数作製することができるため、半導体光素子の作製歩留まりが向上する。

ただし、サテライト上に基板を固定し、かつサテライト周囲の基板温度を実効的に下げるためには、外周固定部が基板の外周部の１０〜８０％、より好ましくは１０％〜４０％に接触するようにする必要がある。

また、図１はツメが４つの場合を示しているがこれは一例であり、図７に示すようにツメの数が３つの場合や、図８に示すようにツメの数が５つの場合や、図９に示すようにツメの数が６つの場合や、図１０に示すようにツメの数が７つの場合や、図１１に示すようにツメの数が８つの場合であってもよい。即ち、サテライトとして、外周固定部が３〜８個のツメからなるものを用いることができる。これは、２個ではウェハをサテライト上に固定することができず、９個以上ではサテライト周囲の温度を実効的に下げることができないからである。

サテライト本体は一般的にカーボン（炭素）で作製され、外周固定部はサテライト本体を切削することで形成される。また、ツメが全くない平坦なサテライト本体に外周固定部としてネジを取り付けることでサテライトを形成してもよい。これにより、サテライト本体を平坦なものにすることができるため、サテライトの量産に有利となる。この場合、ネジとして、円柱型又は四角柱型のものを用いることができる。そして、ネジの材質は、サテライトとカーボン、Ｓｉ０_２（石英）又はＢＮ（窒化ボロン）の何れかを用いることができる。また、ネジ部の長さはサテライトの厚みより短く、ネジ頭はサテライトの外周部厚と同じにする。

なお、上記の例では、ＧａＡｓＰを活性層に有する半導体光素子を例に挙げて説明したが、例えばＺｎＭｇＳＳｅ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓＰ，ＺｎＳＳｅ，ＧａＰＮ，ＧａＮＡｓなどのＶ族元素又はIV族元素を２種以上有する混晶化合物半導体を活性層に用いた半導体光素子全般に本発明を適用することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、サテライトとして、静電チャック又は真空吸着により基板を固定するものを用いる。これにより、サテライト本体を平坦なものにすることができるため、サテライトの量産に有利となる。

ここで、静電チャックとは、サテライトの上に誘電体層を設け、サテライトと基板の間に電圧を印加し、基板とサテライトとの間に発生するカで基板をサテライト上に固定するものである。なお、静電チャックの技術は広く知られているが、これをＭＯＣＶＤ装置に応用した例は見られない。

本発明の実施の形態１に係るサテライトに基板がセットされた状態を示す上面図である。図１のＡ−Ａ´における断面図である。図１のＢ−Ｂ´における断面図である。完成した半導体レーザの一例を示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係るサテライトを用いて成長した半導体光素子の活性層のＰＬ波長分布である。従来のサテライトを用いて成長した半導体光素子の活性層のＰＬ波長分布である。外周固定部が３つのツメからなる場合のサテライトを示す上面図である。外周固定部が５つのツメからなる場合のサテライトを示す上面図である。外周固定部が６つのツメからなる場合のサテライトを示す上面図である。外周固定部が７つのツメからなる場合のサテライトを示す上面図である。外周固定部が８つのツメからなる場合のサテライトを示す上面図である。円柱型のネジを示す斜視図である。四角柱型のネジを示す斜視図である。従来のサテライトに基板がセットされた状態を示す上面図である。図１４のＡ−Ａ´における断面図である。

符号の説明

１１サテライト
１１ａサテライト本体
１１ｂ外周固定部
１２基板

Claims

サテライトに基板をセットする工程と、
前記サテライトを通じて前記基板に熱エネルギーを供給しながら、前記基板上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する工程とを有し、
前記サテライトとして、前記基板を載置する平坦なサテライト本体と前記基板の外周部を固定する外周固定部とを有し、前記外周固定部が前記基板の外周部の３６０°全周ではなく一部のみに接触するものを用いることを特徴とする半導体製造方法。
前記サテライトとして、前記外周固定部が前記基板の外周部の１０〜８０％に接触するものを用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造方法。
前記サテライトとして、前記外周固定部が３〜８個のツメからなるものを用い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方法。
前記サテライトとして、前記外周固定部が前記サテライト本体を切削することで形成されたものを用いることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体製造方法。
前記サテライトとして、前記サテライト本体に前記外周固定部としてネジが取り付けられたものを用いることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体製造方法。
前記ネジとして、円柱型又は四角柱型のものを用いることを特徴とする請求項５に記載の半導体製造方法。
前記ネジとして、材質がカーボン、石英、又は窒化ボロンの何れかからものを用いることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体製造方法。
サテライトに基板をセットする工程と、
前記サテライトを通じて前記基板に熱エネルギーを供給しながら、前記基板上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する工程とを有し、
前記サテライトとして、前記基板を静電チャック又は真空吸着により固定するものを用いることを特徴とする半導体製造方法。
結晶成長時に基板がセットされ、前記基板上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する際に前記基板に熱エネルギーを供給するサテライトであって、
前記基板を載置する平坦なサテライト本体と前記基板の外周部を固定する外周固定部とを有し、
前記外周固定部が前記基板の外周部の３６０°全周ではなく一部のみに接触することを特徴とするサテライト。
前記外周固定部が前記基板の外周部の１０〜８０％に接触することを特徴とする請求項９に記載のサテライト。
前記外周固定部が３〜８個のツメからなることを特徴とする請求項９又は１０に記載のサテライト。
前記外周固定部が前記サテライト本体を切削することで形成されていることを特徴とする請求項９〜１１の何れか１項に記載のサテライト。
前記サテライト本体に前記外周固定部としてネジが取り付けられていることを特徴とする請求項９〜１２の何れか１項に記載のサテライト。
前記ネジは、円柱型又は四角柱型であることを特徴とする請求項１３に記載のサテライト。
前記ネジは、材質がカーボン、石英、又は窒化ボロンの何れかであることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のサテライト。
結晶成長時に基板がセットされ、前記基板上にＶ族元素又はIV族元素を２種類以上有する混晶化合物半導体薄膜を有機金属気相成長法により成膜する際に前記基板に熱エネルギーを供給するサテライトであって、
前記基板を静電チャック又は真空吸着により固定することを特徴とするサテライト。