JP4410529B2 - 膜厚制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、成長中の成長層に光を照射し、その反射光を測定して、その測定結果から成長速度を算出し、設定した膜厚が得られるように成長層の成長時間を調整する膜厚制御方法に関するものである。

半導体レーザや受光素子、高電子移動度トランジスタなどの化合物半導体デバイスにおいて、各層の膜厚はデバイスの光学的・電気的特性を左右する重要なパラメータである。そのため、制御性・再現性良く結晶成長させることがデバイスの開発・量産において重要である。

これに対して、様々な結晶評価法を利用して結晶成長技術の向上が図られている。ＭＯＶＰＥ成長では、偏光解析（エリプソメトリー）や反射スペクトル測定のような光学的手法による結晶成長中の成長層の評価が実施されている。その１つとして、反射光強度の変化を利用して、結晶成長中の成長層の膜厚を算出・制御する方法がある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特開平５−１５２２２１号公報 特開２００２−２６７４１７号公報

しかし、従来の方法は、成長層の下層の構造に応じて反射光強度の変化率と膜厚の関係を予め調べておく必要があるか、また光学定数が既知の材料からなる膜の直上に測定対象膜を成長した場合のみ算出可能であった。即ち、成長層の下層の影響を受けていた。このため、従来の方法は多層構造成長時に適用するのが困難だった。

これに対して、測定対象膜の下層の構造に制限されない膜厚制御方法として、ＭＯＣＶＤ成長中の成長層に光を照射し、その反射光を測定して成長層の成長速度を算出し、所望の膜厚が得られるように成長時間を調整する方法がある。この方法は、成長層の表面での反射光と成長層と下層の界面での反射光によって生じる干渉振動（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ振動）を利用するものである。この干渉振動の周期Ｔと成長速度Ｒｇの関係は数式１のように表される。

ここで、垂直入射の場合であり、λは測定光の波長、ｎは成長層の屈折率である。

この数式１によって成長速度を算出するためには、成長層の屈折率ｎが既知であることが必要となる。ここで、屈折率ｎは材料・温度に依存する値であり、ＧａＡｓやＩｎＰなどの２元混晶やＡｌＧａＡｓなどの基本的な３元混晶については、屈折率ｎが偏光解析などで調べられており、文献等でその値を得ることができる。しかし、３元・４元の混晶材料は組成が複雑で、温度依存性に関するデータも少ない。このように屈折率ｎが未知である結晶の成長速度を算出する場合、偏光解析等の測定を別途実施し、屈折率ｎを求める必要があった。

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、下層の影響を受けず、光学定数が未知の材料でも膜厚を制御することができる膜厚制御方法を得るものである。

本発明に係る膜厚制御方法は、光学定数が既知の材料からなる基準層に光を照射し、反射光を測定して第１の反射光強度を求める工程と、基準層の上に成長中の成長層に光を照射し、反射光を測定して、成長層の表面での反射光と成長層と基準層の界面での反射光によって生じる干渉光の光強度変動の周期、減衰の時定数、干渉光の光強度変動が収束した状態での第２の反射光強度を求める工程と、第２の反射光強度を第１の反射光強度で除算したものが成長層の反射率の二乗を基準層の反射率の二乗で除算したものに等しいという関係式と、基準層の光学定数及び反射率の関係式と、周期、減衰の時定数、成長層の反射率及び成長速度の関係式とから成長速度を求める工程と、この求めた成長速度に基づいて、設定した膜厚が得られるように成長層の成長時間を調整する工程とを有する。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、下層の影響を受けず、光学定数が未知の材料でも膜厚を制御することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る膜厚制御方法について、屈折率ｎや消衰係数κなどの光学定数が既知の材料からなる基準層であるＧａＡｓ層上に、膜厚を制御する成長層としてＡｌＧａＩｎＰ層を成長する場合を例に取って説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る膜厚制御方法を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに従って、本実施の形態に係る膜厚制御方法について説明する。まず、成長させるＡｌＧａＩｎＰ層の膜厚を設定する（ステップＳ１）。

次に、ＧａＡｓ層に光を照射し、反射光を測定する。この測定により、図２に示すような反射光強度の変化が得られ、これから第１の反射光強度である反射光強度Ｉ_ＧａＡｓを求める（ステップＳ２）。

次に、ＡｌＧａＩｎＰ層の結晶成長を開始し、成長中のＡｌＧａＩｎＰ層に光を照射し、反射光を測定する。この時、図３に示すように、光源１１から照射された測定光１２がＡｌＧａＩｎＰ層１４の表面、及び、ＡｌＧａＩｎＰ層１４とＧａＡｓ層１３の界面でそれぞれ反射される。そして、それぞれの反射光１５，１６が鏡１７で反射された後、ＡｌＧａＩｎＰ層１４の表面で反射されて測定器１８で測定される。このような光学配置で測定を行っているため、試料表面での反射を２回考慮している。なお、実際の測定では測定光は結晶表面に対してほぼ垂直に入射される。

この測定により、図４に示すような反射光強度の変化が得られる。そして、反射光強度の干渉振動（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ振動）を数式２で近似し、数式２のパラメータである干渉振動の周期Ｔ_ｆ、減衰の時定数Ｔ_ｄ、干渉振動が収束した状態での反射光強度Ｉ_{ＡｌＧａＩｎＰ}を求める（ステップＳ３）。

ここで、Ａ，Φは所定の値を有し、Ｂは第２の反射光強度であるＩ_{ＡｌＧａＩｎＰ}であり、ｔは成長時間である。

次に、以下の数式３〜数式６からなる連立方程式を解いて、ＡｌＧａＩｎＰの成長速度Ｒｇを求める（ステップＳ４）。

ここで、Ｒ_ＧａＡｓはＧａＡｓの反射率で、Ｒ_{ＡｌＧａＩｎＰ}はＡｌＧａＩｎＰ層の反射率である。そして、数式６により、ＡｌＧａＩｎＰ層の反射光強度Ｉ_{ＡｌＧａＩｎＰ}をＧａＡｓ層の反射光強度Ｉ_ＧａＡｓで規格化することができる。また、既知の値であるＧａＡｓの屈折率ｎ及び消衰係数κを数式５に代入することでＲ_ＧａＡｓが導かれる。そして、測定の際に用いた光の波長λ、測定により求めたＩ_ＧａＡｓ、Ｉ_{ＡｌＧａＩｎＰ}、Ｔ_ｆ、Ｔ_ｄを数式３〜６に代入して連立方程式を解く。即ち、第２の反射光強度を第１の反射光強度で規格化し、周期、減衰の時定数、第２の反射光強度及び成長速度の関係式から成長速度を求める。

次に、求められた成長速度Ｒｇに基づいて、ステップＳ１で設定した膜厚が得られるようにＡｌＧａＩｎＰ層の成長時間Ｔ_{ｇｒｏｗｔｈ}を調整する（ステップＳ５）。

以上説明した膜厚制御方法により、光学定数が未知の材料でも膜厚を制御することができる。また、干渉振動が収束した反射光強度を光学定数が既知の材料の強度で規格化して成長速度を算出するため、下層の影響を受けない。そのため、多層構造成長時にも適用できる。

なお、規格化の基準となるＧａＡｓ層が、成長層であるＡｌＧａＩｎＰ層の下層である場合を例にとって説明したが、本実施の形態は、下層の影響を受けないため、ＡｌＧａＩｎＰ層の下層がＧａＡｓ層である場合に限らず適用することができる。

本発明の実施の形態に係る膜厚制御方法を示すフローチャートである。 ＧａＡｓ層における反射光強度の変化を示す図である。 成長膜表面及び成長膜と下層膜との界面での反射光の干渉を示す模式図である。 ＡｌＧａＩｎＰ層における反射光強度の変化を示す図である。

符号の説明

１２ 測定光
１３ ＧａＡｓ層
１４ ＡｌＧａＩｎＰ層
１５，１６ 反射光
Ｓ１〜Ｓ５ 膜厚制御方法の各ステップ

Claims (1)

1. 光学定数が既知の材料からなる基準層に光を照射し、反射光を測定して第１の反射光強度を求める工程と、
   前記基準層の上に成長中の成長層に光を照射し、反射光を測定して、前記成長層の表面での反射光と前記成長層と前記基準層の界面での反射光によって生じる干渉光の光強度変動の周期、減衰の時定数、干渉光の光強度変動が収束した状態での第２の反射光強度を求める工程と、
   前記第２の反射光強度を前記第１の反射光強度で除算したものが前記成長層の反射率の二乗を前記基準層の反射率の二乗で除算したものに等しいという関係式と、前記基準層の前記光学定数及び前記反射率の関係式と、前記周期、前記減衰の時定数、前記成長層の反射率及び成長速度の関係式とから成長速度を求める工程と、
   この求めた成長速度に基づいて、設定した膜厚が得られるように前記成長層の成長時間を調整する工程とを有することを特徴とする膜厚制御方法。

Images