JP6430337B2 - 気相成長方法および気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、気相成長方法および気相成長装置に関する。

ＬＥＤ(Light Emitting diode)やパワー半導体などの電子デバイスの作製には、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、シリコン基板等の単結晶基板上にＧａＮ、ＳｉＣなどの化合物半導体の単結晶薄膜を成長させるエピタキシャル成長技術が用いられる。

エピタキシャル成長技術に使用される成膜装置では、常圧または減圧に保持された成膜室の内部にウエハを載置する。そして、このウエハを加熱しながら成膜室内に、成膜のための原料となるガスを供給すると、ウエハの表面で原料ガスの熱分解反応および水素還元反応が起こり、ウエハ上にエピタキシャル膜が成膜される。

ウエハ上に高品質で、均一な膜厚で膜質の膜を堆積させるためには、ウエハの温度を正確に制御する必要がある。このため、放射温度計を用いてウエハの温度を測定し、加熱手段の出力を制御している（例えば、特許文献１参照）。

放射温度計は、物体から放射される赤外光や可視光の強度を測定して物体の温度を測定する。放射温度計は、ある程度以上の膜厚のある膜がウエハ上に形成されている場合には、その表面温度を正確に測定できるが、薄膜の場合、薄膜の表面から放射される赤外光や可視光と、薄膜の下地層から放射される赤外光や可視光とが干渉する薄膜干渉が生じてしまい、正確な温度を測定できなくなる。

薄膜干渉が生じると、放射率が変動するため、赤外光を入射しその反射率と放射率から温度補正を行うことで、温度測定精度を向上させることができる。ところが、このような温度補正を行う放射率補正温度計は非常に高価であるにもかかわらず、表面状態に依存する反射率を用いるため十分な精度が得られていないのが実情である。このため、薄膜干渉が生じうる状況下でも、放射率補正温度計を用いずに、高品質の膜成長ができる手法が求められている。

特開２００３−１３３２４８号公報

本発明が解決しようとする課題は、放射温度計の薄膜干渉の影響を受けずに、薄膜を含む複数の膜を高品質で成膜可能な気相成長方法および気相成長装置を提供することである。

一実施形態では、加熱手段により基板を加熱しながら前記基板上に原料ガスを供給して、気相成長により異なる複数の膜を順次形成する気相成長方法であって、
前記複数の膜のうち、前記基板上に形成された膜の総膜厚が閾値に達するまでは、前記複数の膜のそれぞれにおいて前記加熱手段を所定の出力となるように維持する出力一定制御にて前記膜の成長を行い、
前記総膜厚が前記閾値に達した後は、前記基板の温度を放射温度計で測定して、その測定温度が所定温度になるように前記加熱手段の出力を制御する温度フィードバック制御にて前記膜の成長を行う気相成長方法が提供される。
また、他の一実施形態では、基板の上面に気相成長反応により成膜を行う反応室と、
前記反応室にガスを供給するガス供給部と、
前記基板の裏面側から、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記基板の上面の上方に配置されて、前記基板の温度を測定する放射温度計と、
前記加熱手段の出力を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記基板上に成長された前記総膜厚が閾値に達するまでは、前記加熱手段を所定の出力に維持する出力一定制御を行い、前記閾値に達した後は、前記基板の温度を前記放射温度計で測定して、その測定温度が所定温度になるように前記加熱手段の出力を制御する温度フィードバック制御を行う気相成長装置が提供される。

本発明の一態様によれば、放射温度計の薄膜干渉の影響を受けずに、薄膜を含む複数の膜を高品質で成膜できる。

本実施形態による気相成長装置１００の概略構成を示す図。 ３種類の膜の成膜を行う際の放射温度計１４０にて測定される温度変化を示すグラフ。 ３種類の膜の成膜を行う際のヒータ１２０の出力を示すグラフ。 図１の気相成長装置１００内の制御部１０が行う気相成長処理の手順の一例を示すフローチャート。

図１は本実施形態による気相成長装置１００の概略構成を示す図である。本実施形態では、成膜処理を行う基材としてシリコン基板、具体的にはシリコンウエハ（以下、単にウエハと呼ぶ）１０１を用い、このウエハ１０１上に複数の膜を成膜する例を説明する。なお、ウエハはシリコンに限定されるものではなく、サファイアや、ＧａＮ、ＳｉＣなどの基板を用いることができる。図１は、支持台１０２にウエハ１０１を載置した状態を示している。図１の気相成長装置１００は、支持台１０２に載置されたウエハ１０１上に、エピタキシャル膜を形成するための原料となる複数種類の原料ガスを供給し、ウエハ１０１上で気相成長反応させて成膜を行う。

気相成長装置１００は、ウエハ１０１上で気相成長をさせてエピタキシャル膜を成膜する反応室であるチャンバ１０３と、制御部１０と、ガス供給部１３３と、ガスバルブ１３５と、排気機構１２８とを備えている。なお、図１では、気相成長装置１００を構成する主要部材を図示しており、図示していない部材が気相成長装置１００に具備されている場合もありうる。

チャンバ１０３の内部には、ウエハ１０１を載置する支持台１０２と、支持台１０２を回転させる回転部１０４と、回転部１０４の内部に配置される加熱手段としてのヒータ１２０と、支持台１０２の上方に配置されるシャワープレート１２４と、が設けられている。

支持台１０２には、例えばリング状のホルダが用いられるが、開口部のない円板状のサセプタを用いてもよい。

支持台１０２は、回転部１０４の上部に取り付けられており、回転部１０４の回転とともに回転する。支持台１０２には座ぐりが設けられており、この座ぐりでウエハ１０１の外周部を安定に支持することができる。支持台１０２は、高温下にさらされることから、例えば、等方性黒鉛やＳｉＣの基材表面にＣＶＤ（化学気相成長）法によって高耐熱で高純度のＳｉＣを被覆して構成される。

回転部１０４は、円筒部１０４ａと、円筒部１０４ａの底部に接合された回転軸１０４ｂとを有する。上述した支持台１０２は、円筒部１０４ａの上部に設けられている。回転軸１０４ｂは、不図示のモータにて回転駆動される。回転軸１０４ｂが回転すると、円筒部１０４ａも回転軸１０４ｂと一体に回転し、円筒部１０４ａに設けられた支持台１０２も回転する。よって、支持台１０２の上にウエハ１０１が載置されていれば、ウエハ１０１を回転させることができる。

円筒部１０４ａの内部には、ヒータ１２０が設けられている。ヒータ１２０は例えば抵抗加熱ヒータである。ヒータ１２０は、カーボンやＳｉＣの基材表面に高純度のＳｉＣを被覆して構成されたものでもよい。ヒータ１２０は、回転軸１０４ｂ内に設けられた略円筒状の石英製のシャフト１０８の内部を通る配線１０９によって給電され、ウエハ１０１をその裏面から加熱する。配線１０９は制御部１０に接続されており、制御部１０がヒータ１２０の出力（加熱パワー）を制御する。加熱手段としては、ヒータ１２０でなく、加熱ランプ等を用いてもよい。

シャフト１０８の内部には、基板昇降手段として図示されない昇降ピンが配置されている。昇降ピンの下端は、シャフト１０８の下部に設けられた図示されない昇降装置まで伸びている。そして、その昇降装置を動作させて昇降ピンを上昇または下降させることができる。この昇降ピンは、ウエハ１０１のチャンバ１０３内への搬入とチャンバ１０３外への搬出の時に使用される。昇降ピンはウエハ１０１を下方から支持し、持ち上げて支持台１０２から引き離す。そして、ウエハ１０１の搬送用ロボット（図示されない）との間でウエハ１０１の受け渡しを行う。

気相成長装置１００のチャンバ１０３の上部には、シャワープレート１２４が設けられている。シャワープレート１２４は、エピタキシャル膜を形成するための複数種類の原料ガスをそれぞれチャンバ１０３内で整流し、ガス噴出孔１２９を介して、ウエハ１０１の表面に向けてシャワー状に供給する。

シャワープレート１２４は、所定の厚みを持った板状の形状を有する。シャワープレート１２４は、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属材料を用いて構成することができる。シャワープレート１２４の内部には、ガス流路が設けられており、複数種類のガスが混合されて、ガス噴出口１２９を介してチャンバ１０３内のウエハ１０１に供給される。シャワープレート１２４には、後述する温度測定を行うための石英窓（図示せず）が設けられている。なお、シャワープレート１２４にガス流路を複数設け、複数種類のガスを分離したままチャンバ１０３内のウエハ１０１に供給してもよい。

各ガス流路はガス管１３１の一端と接続されている。ガス管１３１の他端は、ガスボンベ等で構成されたガス供給部１３３に接続されており、ガスバルブ１３５の開度に応じた流量のガスが流れる。ガスバルブ１３５の開度は制御部１０により制御される。ガス管１３１及びガス供給部１３３は複数設けられており、それぞれ異なるガスに対応している。

チャンバ１０３の下部には、反応後の上記複数種類のガス等を排気するためのガス排気部１２５が複数設けられている。ガス排気部１２５は、調整バルブや真空ポンプ等からなる排気機構１２８に接続されている。

チャンバ１０３の上部には、温度測定部としての放射温度計１４０が設けられている。放射温度計１４０は、シャワープレート１２４に設けられた図示されていない石英窓およびガス噴出孔１２９に設けられた石英窓を介してウエハ１０１の表面温度を測定する。放射温度計１４０の測定結果は制御部１０に送信される。なお、放射温度計１４０で測定する波長としては、例えば９００ｎｍが選択されるが、それ以外の波長域の赤外線、可視光線などでもかまわない。

制御部１０は、ガスバルブ１３５に接続されており、各ガスの供給量や供給タイミングを制御する。また、制御部１０は、排気機構１２８に接続されており、チャンバ１０３内を所望の圧力に調整する。さらに、制御部１０は、放射温度計１４０が測定したウエハ１０１の表面温度を取得する。また、制御部１０は、回転部１０４の駆動制御を行う。

また、制御部１０は、ヒータ１２０の出力を制御する。制御部１０は、放射温度計１４０の測定結果が所定値となるようにヒータ１２０の出力を制御する“温度フィードバック制御”と、放射温度計１４０の測定結果によらずヒータ１２０の出力を一定に維持する“出力一定制御”の２つの出力制御方式を備えている。制御部１０は、これら２つの出力制御方式を切り替えながら、ウエハ１０１上への成膜を行う。

本実施形態による気相成長装置１００は、ウエハ１０１上への種々の膜の成膜に利用できるが、以下では、一例として、ウエハ１０１上にＡｌＮ／ＡｌＧａＮ膜を成膜し、その上に、ＧａＮ膜を成膜し、さらにその上に、Ｉｎ(Indium)を含むＭＱＷ（Multiple Quantum Well）層を形成する場合を説明する。ＭＱＷ層は例えば、所定波長の光を発光させる活性層として用いられる。また、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ膜は、例えばＧａＮ膜のバッファ層として用いられる。

バッファ層としてのＡｌＮ／ＡｌＧａＮ膜はいずれも薄膜であり、各膜とも膜厚が１μｍ未満であることが多い。例えば、ウエハ１０１上に最初にＡｌＮ／ＡｌＧａＮ膜を形成し、続いて、ＧａＮ膜を成膜する場合、ＧａＮ膜を成膜し始めるときのウエハ１０１上の膜厚が１μｍ未満であれば、制御部１０は、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ膜とＧａＮ膜とを成膜する際には、ヒータ１２０の出力を一定に維持する”出力一定制御”にて各膜の成膜を行う。

ＧａＮ膜を成膜し終わった段階で、ウエハ１０１からの膜厚が２μｍを超えたとすると、放射温度計１４０にて膜表面の温度を正しく測定できる可能性が高い。そこで、制御部１０は、放射温度計１４０にて測定した温度をモニタしながらヒータ１２０の出力を制御する“温度フィードバック制御”にてＭＱＷ膜を成膜する。

図２Ａは上述した３種類の膜の成膜を行う際の放射温度計１４０にて測定される温度変化を示すグラフ、図２Ｂは上述した３種類の膜の成膜を行う際のヒータ１２０の出力を示すグラフである。図２Ａの横軸は時間［ｔ］、縦軸は温度［℃］である。図２Ｂの横軸は時間［ｔ］、縦軸はヒータ１２０の出力［％］である。

図２Ａからわかるように、ウエハ１０１上に最初に成膜されるＡｌＮ／ＡｌＧａＮ膜は、その膜厚が１μｍ未満であるため、放射温度計１４０では、薄膜干渉により正確な温度を測定できず、測定温度が小刻みに変動してしまう。そこで、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ膜を成膜している間は、図２Ｂのように、ヒータ１２０の出力が一定に制御される。

また、次に成膜されるＧａＮ膜も薄膜干渉により、図２Ａに示すように、放射温度計１４０にて測定される温度は多少変動してしまう。ただし、２つの膜を合わせた膜厚は、徐々に大きくなり、やがて２μｍを超えるため、ＧａＮ膜の成膜が終わる頃には、放射温度計１４０にて測定される温度もかなり安定する。ＧａＮ膜を成膜している最中に、成膜の制御手法を変更するのは容易ではないため、ＧａＮ膜を成膜している間も、図２Ｂに示すように、ヒータ１２０の出力が一定に制御される。

ヒータ１２０の出力を一定に制御する際には、どの膜を成膜する場合にも、ヒータ１２０の出力をそれぞれの膜で一定になるように制御する。この場合、例えば、下層のＡｌＮ／ＡｌＧａＮ膜が形成された後、原料ガスの供給を止め、放射温度計による測定値が形成されるＧａＮ膜の成膜温度となるように出力を変動させ、ＧａＮ膜の原料ガスを供給して膜を形成する直前に、ヒータ１２０の出力をサンプリングし、その平均値に設定してもよい。

図２Ｂの例では、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ膜の成膜時のヒータ１２０の出力と、ＧａＮ膜の成膜時のヒータ１２０の出力とを相違させているが、いずれの膜の成膜時も、ヒータ１２０の出力は一定にしている。なお、図２Ｂのヒータ１２０出力は一例であり、成膜する膜の種類や膜厚により、所定の出力に調整される。

ＧａＮ膜を成膜し終わった段階で、ウエハ１０１上の膜厚が２μｍを超えるため、放射温度計１４０により測定される温度の測定精度は高くなり、図２Ａに示すように、温度はほとんど変動しなくなる。そこで、ＭＱＷ膜を成膜する段階では、“温度フィードバック制御”を行う。これにより、図２Ｂに示すように、ヒータ１２０の出力は必ずしも一定ではなくなるものの、ウエハ１０１表面の温度が予め定めた温度になるようにして成膜を行うことができる。これにより、理想的な温度条件を維持した状態で、成膜を行うことができ、膜厚や膜の品質を均一化することができる。

例えば、ＭＱＷ膜内にＩｎがより多く取り込まれると、発光波長が長くなり、取り込まれるＩｎの量が少ないと、発光波長が短くなることが知られている。よって、ＭＱＷ膜を成膜する際には、シャワープレート１２４からＩｎを含むガスをチャンバ１０３内に流す必要がある。ところが、ガス流量が変わると、ウエハ１０１上の熱の伝達が変化し、これによって、ウエハ１０１表面の温度が微妙に変化して、ＭＱＷ膜内に取り込まれるＩｎの量が変化してしまう。したがって、ウエハ１０１表面の温度を放射温度計１４０で正確に測定し、測定された温度に応じて、ヒータ１２０の出力を微調整することで、ＭＱＷ膜内に取り込まれるＩｎの量を均一化することができる。これにより、ＭＱＷ膜にて発光される光の波長のずれを抑制できる。

図３は図１の気相成長装置１００内の制御部１０が行う気相成長処理の手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、ウエハ１０１を支持台１０２に載置した後の処理手順を示している。

初期状態では、膜厚が２μｍ未満であることから、制御部１０は、ヒータ１２０の出力を一定に維持する”出力一定制御”を行う（ステップＳ１）。

次に、制御部１０は、膜厚が所定の閾値（例えば２μｍ）を超えたか否かを判定する（ステップＳ２）。このステップＳ２では、例えば、ステップＳ１で設定したヒータ１２０の出力値、ヒータ１２０の加熱時間、シャワープレート１２４からチャンバ１０３内に流すガス流量、およびガスの種類などにより判定する。あるいは、過去に行った成膜条件を参照して、膜厚が２μｍを超えたか否かを判定してもよい。あるいは、膜厚測定器などにより、膜厚を実際に計測してもよい。

ステップＳ２で、まだ膜厚が２μｍを超えていないと判定されると、ステップＳ１に戻って、ヒータ１２０の出力を一定に制御して、新たな膜の成膜を行う。このとき、新たな膜の種類や膜厚により、シャワープレート１２４からチャンバ１０３内に流すガスの種類やガス流量を設定する。また、ヒータ１２０の出力は一定にするものの、膜の種類や膜厚により、直前の膜形成時とは異なるヒータ１２０出力値を設定してもよい。

ステップＳ２で膜厚が２μｍを超えたと判定されると、“温度フィードバック制御”を行う（ステップＳ３）。すなわち、ステップＳ３では、放射温度計１４０で測定された温度をモニタして、ウエハ１０１表面の温度が予め定めた温度になるように、ヒータ１２０の出力を調整しながら、新たな膜の成膜を行う。成膜した各膜の膜厚の合計値が２μｍを超えた後は、各膜の成膜は、ステップＳ３と同様の“温度フィードバック制御”にて行う。よって、成膜したい膜の数に応じて、ステップＳ３の処理を繰り返すことになる。

上述した実施形態では、ウエハ１０１上に成膜された膜の膜厚が２μｍ以上であれば、“温度フィードバック制御”を行っているが、この閾値２μｍは単なる一例であり、例えば３μｍ以上４μｍ以下としてもよい。用いられる放射温度計１４０により、最適な閾値を設定することが望ましい。

このように、本実施形態では、ウエハ１０１上に成膜された膜の膜厚が閾値以下の場合には、ヒータ１２０の出力を一定に制御して成膜を行い、膜厚が閾値を超えると、放射温度計１４０で測定される温度が正確であると判断して、その温度を用いた“温度フィードバック制御”を行う。これにより、膜厚が閾値以下の場合には、正確な温度の検出が困難な放射温度計１４０の測定温度を用いずに成膜を行うため、薄膜干渉による放射温度計１４０の測定値への影響を受けない。そして、放射温度計１４０の測定温度が信頼できる膜厚になると、放射温度計１４０の測定温度を用いて“温度フィードバック制御”を行うため、ウエハ１０１表面の温度が変動するような状況下でも所定の温度にヒータ１２０の出力を制御することができ、、本来意図した通りの組成、成膜速度で成膜を行うことができる。

これにより、本実施形態によれば、薄膜干渉が起きる状況下でも、高価で信頼性に欠ける放射率補正温度計を用いて放射率を補正することなく、薄膜干渉の影響を回避して、高品質の成膜を行うことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 制御部、１００ 気相成長装置、１０１ 基板、１０２ サセプタ、１０３ チャンバ、１０４ 回転部、１０８ シャフト、１０９ 配線、１２０ ヒータ、１２４ シャワープレート、１２５ ガス排気部、１２８ 排気機構、１２９ ガス噴出孔、１３１ ガス管、１３３ ガス供給部、１３５ ガスバルブ、１４０ 放射温度計

Claims (5)

1. 加熱手段により基板を加熱しながら前記基板上に原料ガスを供給して、気相成長により異なる複数の膜を順次形成する気相成長方法であって、
   前記複数の膜のうち、前記基板上に形成された膜の総膜厚が閾値に達するまでは、前記複数の膜のそれぞれにおいて前記加熱手段を所定の出力となるように維持する出力一定制御にて前記膜の成長を行い、
   前記総膜厚が前記閾値に達した後は、前記基板の温度を放射温度計で測定して、その測定温度が所定温度になるように前記加熱手段の出力を制御する温度フィードバック制御にて前記膜の成長を行う気相成長方法。
2. 前記総膜厚が前記閾値に達するまでは、前記加熱手段の出力を、前記複数の膜のいずれかを形成する直前にサンプリングされた前記加熱手段の出力の平均値に維持する請求項１に記載の気相成長方法。
3. 前記総膜厚が前記閾値に達するまでは、前記加熱手段の出力を、膜ごとに、前記加熱手段の出力を個別に設定して、設定した出力を各膜の成膜期間中は維持する請求項１に記載の気相成長方法。
4. 前記閾値は、２μｍ以上の値である請求項１乃至３のいずれかに記載の気相成長方法。
5. 基板の上面に気相成長反応により成膜を行う反応室と、
   前記反応室にガスを供給するガス供給部と、
   前記基板の裏面側から、前記基板を加熱する加熱手段と、
   前記基板の上面の上方に配置されて、前記基板の温度を測定する放射温度計と、
   前記加熱手段の出力を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記基板上に成長された前記総膜厚が閾値に達するまでは、前記加熱手段を所定の出力に維持する出力一定制御を行い、前記閾値に達した後は、前記基板の温度を前記放射温度計で測定して、その測定温度が所定温度になるように前記加熱手段の出力を制御する温度フィードバック制御を行う気相成長装置。

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