JPH07153692A - 半導体基板上に薄膜を成長させる方法および装置 - Google Patents

半導体基板上に薄膜を成長させる方法および装置

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JPH07153692A
JPH07153692A JP5299551A JP29955193A JPH07153692A JP H07153692 A JPH07153692 A JP H07153692A JP 5299551 A JP5299551 A JP 5299551A JP 29955193 A JP29955193 A JP 29955193A JP H07153692 A JPH07153692 A JP H07153692A
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thin film
growth
film
rays
ray
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Takanobu Kamakura
倉 孝 信 鎌
Norihiko Tsuchiya
屋 憲 彦 土
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 1μm以下の極めて薄いヘテロエピタキシャ
ル成長において、成長条件を制御することにより高精度
で薄膜を成長させる。 【構成】 半導体基板の表面に半導体の薄膜を成長させ
る膜成長工程と、前記成長させつつある薄膜にX線を入
射させるX線入射工程と、前記X線の入射に伴って前記
成長中の薄膜から放出される螢光X線を計測する計測工
程と、前記計測工程における計測値に基づいて前記薄膜
の成長条件を制御する制御工程とを備えることを特徴と
する、半導体基板上に薄膜を成長させる方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体基板上に薄膜を成
長させる方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体デバイスの高機能化や高速
化に伴いエピタキシャル成長技術の高度化が求められて
いる。特に、半導体ではこの傾向が顕著で、ヘテロエピ
タキシャル成長技術を駆使したMQWやHEMT構造エ
ピタキシャルウェーハの製造が広く行なわれるようにな
ってきている。これらのエピタキシャル成長膜の特徴
は、多成分元素化と薄膜化にあり、更には残留不純物の
低減化にある。
【0003】このため、薄膜の成長条件の評価や成長後
のウェーハの膜厚の評価などの特性評価は困難を極めて
いる。この中で、成長薄膜の膜厚制御や高純度化は非常
に重要な要素である。
【0004】エピタキシャル成長膜としては、通常、気
相成長が採用されており、大別すると、分子線エピタキ
シャル成長法(MBE)と有機金属化学蒸着法(MOC
VD)とに分けられる。両者の大きな違いは、真空中
(10-6torr)で成長を行なうか、大気圧に近い圧
力で成長を行なうかにある。
【0005】さて、MBE法は研究開発の分野で主とし
て用いられており、有効な成長膜膜厚制御方法である。
この方法は、成膜と同時に、高速の電子線を成長層表面
に入射させ、表面反射回折強度の変化をモニタすること
によって、一原子層毎の成長を感知する方法であり、反
射高速電子線回折(RHEED)法と呼ばれている。
【0006】図4は、このRHEED法による膜厚の測
定例を示す波形図である。この図は、時間と共に変化す
る反射電子線強度を示している。この図において、反射
強度の振動の一周期がちょうど一原子層の成長に相当す
る。したがって、この強度振動の回数を計数することに
よって、成長層の膜厚を知ることが可能である。これに
基づいて成長膜の膜厚制御を行なうことができる。
【0007】一方、MOCVD法においては、通常、大
気圧に近い圧力で成膜が行なわれる。このため、MBE
法のような電子線を用いた成長層の評価および制御は難
しい。そこで次の方法が広く用いられている。即ち、成
長後の膜厚を破壊法、例えば透過電子顕微鏡で断面観察
を行なって膜厚を決定する。その時のエピタキシャル条
件を逆算して成長速度を求め、成長パラメータである時
間や反応ガス流量によって、膜厚を制御する方法であ
る。この他に、SIMSなども破壊法として同様の目的
で用いられている。
【0008】以上のように、気相成長における膜厚制御
としては、成長する毎に膜厚を知得し、所望の膜厚にな
ったら成長を止める直接制御方法と、成長条件を制御し
て所望の膜厚を得る間接制御方法が知られている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従来の薄膜の成長方法
には、それぞれ次のような問題を含んでいる。
【0010】例えば、直接制御方法の場合は、高精度膜
厚制御法とも言われるように、原子層毎の成長をモニタ
することに特長を持った有力な評価法とも言えるが、こ
れにも種々の制約がある。
【0011】第1に、電子線を用いるため、10-6to
rr以上の高真空が必要であり、大気圧に近い圧力条件
で行われる成長の観察は不可能である。
【0012】第2に、表面原子の格子に基づいた回折を
用いているため、歪格子回折像の位置がシフトし、正確
な反射強度を得ることが難しい。
【0013】第3に、反射強度の振動原因が原子オーダ
ーの凹凸にあり、これに起因して次のような種々の問題
がある。即ち、成長膜厚が厚くなるに従い、成長面の平
坦度が低下し、振動強度が減衰する。さらに、基板の方
位のずれによって〔例えば(100)からのオフ角度に
よって〕基板毎に振動強度が減少する。
【0014】第4に、ヘテロ成長の場合、結晶形により
反射回折位置がシフトし、表面再配列のため2次回折像
が現われ、解析像が複雑になる。このため、振動周期の
同定が困難となる。
【0015】このように、直接制御による膜厚制御方法
は適用分野が限られており、工業的な活用は十分にはな
されておらず、研究開発等の限られた分野で活用されて
いるに過ぎない。
【0016】以上のような理由から、工業的な大量生産
を前提とした大容量成長装置では、時間やソース温度等
を制御する間接制御法に基づく膜厚制御法を採用せざる
を得なかった。
【0017】この間接制御方法は、主に0.5μm以上
の膜厚成長で広く用いられる方法である。この方法は、
基板、反応ガス流量、温度等のパラメータに、成長速度
がどのように依存するかを調べる。そして、ある特定の
成長条件を一定にし、しかる後、通常は主に時間を主パ
ラメータとして必要な膜厚の成長を行なっている。とこ
ろが、この方法には、成長速度を求める成長バッチとウ
ェーハ製作のバッチが異なっており、条件出しが難しい
という問題がある。これに着目し、成長速度を求めるた
めに、薄膜成長後の膜厚を断面TEM・SEM等で測定
し、これを成長時間で割った平均成長速度を成長速度と
して用いている。しかし、バッチ毎に種々の要因により
基板表面温度のふらつきや反応ガスの供給のゆらぎが生
じるため、成長速度がふらつき、必ずしも再現性のある
成長が行なわれるとは言い難かった。
【0018】したがって、間接制御方法では、工業的に
は、膜成長後に赤外線干渉法などを用いて膜厚を再評価
し、規格を満足するウェーハの供給を行なっているのが
現状である。しかし、この技術においても特に、0.1
μm以下の薄膜成長の場合やエピタキシャル成長膜の構
造によっては、適している場合と適さない場合があっ
て、一部の限られた分野で用いられているに過ぎない。
【0019】これに対して、間接制御方法で多く用いら
れている技術は破壊評価法であるため、次の成長へのフ
ィードバックが遅くなったり、生産性が落ちたりする要
因ともなっていた。また、この方法では成膜毎のロット
間ばらつきが避けられないため、膜厚の高精度制御とい
う観点からも十分ではなかった。
【0020】上に述べた方法の他、種々の非破壊による
間接膜厚制御方法、例えばレーザ光や水晶振動子を利用
したものなどが知られているが、それぞれに欠点を伴
い、完成された技術とはなっておらず、工業的に実用化
されているものは少ない。
【0021】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的は、高精度に薄膜を成長することのできる方法
および製造装置を得ることにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体基板上に
薄膜を成長させる方法は、半導体基板の表面に半導体の
薄膜を成長させる膜成長工程と、前記成長させつつある
薄膜にX線を入射させるX線入射工程と、前記X線の入
射に伴って前記成長中の薄膜から放出される螢光X線を
計測する計測工程と、前記計測工程における計測値に基
づいて前記薄膜の成長条件を制御する制御工程と、を備
えるものとして構成される。
【0023】本発明の半導体基板上に薄膜を成長させる
装置は、薄膜成長対象としての半導体基板を収納するチ
ャンバーを有し、そのチャンバー内に収納した前記半導
体基板の表面に半導体の薄膜を成長させる、膜成長手段
と、前記半導体基板上に成長しつつある前記半導体の薄
膜にX線を入射させる、X線射出手段と、前記X線の入
射に伴って前記成長中の薄膜から射出される螢光X線を
検出し、その螢光X線の強度を時間との関係で計測す
る、螢光X線検出計測手段と前記計測手段からの計測値
に基づいて前記膜成長手段を調節する、制御手段とを備
えるものとして構成される。
【0024】
【作用】薄膜成長過程にある薄膜の表面に例えば全反射
条件でX線を入射させ、その結果として薄膜表面から放
出される蛍光X線の強度を計測し、この計測結果に基づ
いて薄膜の成長条件を制御し、薄膜の膜厚を制御する。
【0025】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。
【0026】図1は本発明の一実施例に係る製造装置の
概略構成図であり、特にGaAs系HEMT構造エピタ
キシャル成長を行わせる場合を例示するものである。図
において示すように、真空チャンバー1はコントローラ
17により制御される排気系2により10-11 torr
台のレベルまで真空引きが可能とされる。真空チャンバ
ー1内にはクヌードセンセル3a、3b、3c、3dが
配設され、Ga、As、Al、Siの供給を可能として
いる。ウェーハ支持部4は加熱ヒータ5を内蔵しウェー
ハ6を加熱しながらこれを支持する。ちなみに、ウェー
ハ支持部4には、それを真空チャンバー1に対してプラ
スマイナス1°程度の傾角をつけられるように、図示し
ない回転機構が付加されている。この支持部4は、コン
トローラ14により角度制御される。コントローラ16
により制御されるX線源7は、タングステンターゲット
の回転陰極タイプのもので、30keVX300mAの
能力を有する。X線源7からのX線はコリメータ8、モ
ノクロメータ9からBe製の窓部10を介してウェーハ
6の表面に導入される。ちなみに、X線源7、コリメー
タ8、モノクロメータ9を内蔵するX線発生室30は、
10-6torr以下の減圧状態に真空引きされている。
ディテクタ11は、ウェーハ6の表面で反射するX線の
全反射条件を設定するために使用される。SSD12
は、X線の入射に伴いウェーハ6の表面から放射される
蛍光X線を計測するための固体撮像素子等の半導体検出
器であり、ディテクタ11と共に、コントローラ13に
接続される。ちなみに、コントローラ14はコントロー
ラ13と接続され、ウェーハ支持部4の角度の制御によ
る全反射条件設定のために用いられる。コントローラ1
5は、クタードタンセル3a、3b、3c、3dに接続
されており、SSD12で受けた蛍光X線の強度に基づ
いて分子線の供給、停止を行なう。メインコントローラ
18は、コントローラ13、14、15、16、17を
制御し、ウェーハ6上の薄膜の成長を自動制御する。
【0027】次に、図2のGaAs系HEMT構造模式
図に従って、図1の装置を用いたエピタキシャル成長に
よる薄膜の成長方法について説明する。
【0028】先ず、ウェーハ支持部4によって半絶縁性
GaAsウェーハ(SI−GaAs)6を支持する。次
に、コントローラ17により排気系2を動作させ、真空
チャンバー1内部を10-11 torr台まで真空引きす
る。この後、加熱ヒータ5によりウェーハ6を加熱し、
自然酸化膜を蒸発させる。これと同時に、コントローラ
16を制御してX線源7からX線を放射させる。このX
線を、コリメータ8、モノクロメータ9、窓部10を介
してウェーハ6の中央部に導く。ウェーハ6の表面で反
射したX線を、窓部10を介して、ディテクタ11でX
線の反射強度を測定する。ディテクタ11の測定結果は
コントローラ13に与えられる。コントローラ13は、
コントローラ14によるウェーハ支持部の回転に基づい
てX線の全反射条件を見付ける。
【0029】GaAsに対するX線の全反射角度は0.
18°程度である。このため、ウェーハ支持部4の支持
体の傾斜は微小でよい。
【0030】さて、図中のθを決定するために、X線と
の平行条件および全反射条件を測定し、ウェーハ支持部
4の初期設定を行なう。この後、0.05°程度にθを
設定し、蛍光X線計測用のSSD12でウェーハ6の表
面から放出される蛍光X線をカウントする。この検討に
おいては、O2 等の軽元素の測定を可能にするために、
SSD12に取り付けるべきBe製の窓を外して、長波
長側での吸収を極力抑制している。また、装置全体が超
高真空中であるため蛍光X線の散乱が少なく感度は向上
している。
【0031】次に、蛍光X線分析から酸素のKα線
(0.53eV)の減少を確認した後、つまり自然酸化
膜除去が終了した後、気相成長を開始する。また、これ
と同時に洗浄工程等の前処理で、ウェーハ6上に付着し
たZnやCu等の重金属を取り除き、それらの重金属が
検出されないことを確認しておく、必要があるのは言う
までもない。
【0032】次に、アンドープGaAsの薄膜20を5
000オングストローム程度形成する。この成長はホモ
エピタキシャル成長であるこのため、膜厚制御はできな
いものの、成長中の表面を絶えず分析していることか
ら、クヌードセンセル3a、3b、3c、3d等より不
純物の混入等があった場合にこれを感知できる。このた
め、重金属汚染された不良エピタキシャルウェーハの発
生を未然に防止できるという効果がある。
【0033】そして、実際の膜厚制御は成長膜間により
行なうことになる。
【0034】そして、アンドープAl0.3 Ga0.7 As
の薄膜21を30オングストローム程度成長させる。こ
の成長と共にAlKαのスペクトル(1.49eV)が
見えてくる。このスペクトル強度が例えば5CPS(c
ounts per second)になるまで成長を
行なう。ただし、このカウント数は一例であり、装置内
や各ユニットの幾何学的配置およびSSD12の感度等
により若干異なる。また、この強度と膜厚の関係は従来
の方法と同様に破壊法を用いて較正するのが望ましい。
ちなみに、図3は、AlGaAs膜厚と蛍光X線(Al
Kα線)の相関関係を示す断面TEMによる膜厚特性図
である。図3からも明らかなように、両者の相関係数
は、0.998と非常によい一致を見ることがわかっ
た。
【0035】次に、第3層のSiドープ5×1018at
/cm3 −Al0.3 Ga0.7 Asの薄膜22の成長を行
なう。この時のモニタ蛍光X線はSiを主、Alを従と
した。その結果、先と同様に、SiKα(1.7eV)
の強度は成長と同時に増し、約10CPSの強度で40
0オングストロームの膜厚相当となった。また、同時に
計測したAlのKαはAlGaAs中のSiのドーピン
グ効率を補正するために採用された蛍光ラインである。
この構造および濃度の場合は、SiとAlの比は、5×
10-4となる。この値から両者の実測値がずれた場合は
Siドーピング量の過不足を表わし、この成長バッチを
中止する等の対応をとる。
【0036】さらに、第4層のSiドープ5×1018
t/cm3 、n−GaAs層に対応する薄膜23を2
00オングストローム程度まで成長させる。本成長では
AlKαを主、SiKαを従とし、各々の強度および相
対比を測定する。今度は、GaAs層の成長に伴い、A
lKαの強度が減少する。この減少で強度が1CPS程
度になったら成長を止める。これは、以下のことを反映
するものである。即ち、全反射条件でX線を入射させて
も一部のX線はGaAs層下のAlGaAs層まで到達
し、Alの蛍光X線を発生させる。このため、GaAs
層が厚くなるに従い、到達量が減少し、カウント数は少
なくなる。また、先程と同様SiKαとAlKαの比に
対しても、同じことがいえることはもちろんである。
【0037】以上述べたように、各層の成長毎に主要構
成元素の蛍光X線をモニタすることによって、成長膜厚
に比例した強度および強度変化が得られる。したがっ
て、この量を目安に成長の停止制御を行なえば、高精度
な膜厚制御が可能になる。また、1つのポイントとして
全反射条件の近傍で測定を行なうことから、この条件で
のX線の侵入深さに対応した深さ、つまり膜厚の評価が
できる。SiおよびGaAs等では、その深さは数10
オングストロームから数1000オングストロームであ
る。このため、これにた膜厚の制御ができる。また、数
100オングストロームの膜厚測定においてはWLβX
線の非弾性錯乱による感度低下が生じない。このため、
特に高精度測定が可能である。
【0038】なお、この方法は他の装置、例えばMOC
VD装置等に組み込んでも応用することが可能である。
つまり、本発明の方法はX線を用いるために大気圧下で
もMBE装置と同様の結果を得ることができる。
【0039】また、上記実施例ではHEMT構造エピタ
キシャル成長に適用した場合を例示したが、本発明は極
めて薄いヘテロ成長膜全般に適用することが可能であ
り、更に他の分野への応用も可能であることは言うまで
もない。
【0040】以上のように、本発明の実施例には以下に
列挙するような優れた特長を有する。
【0041】第1に、電子線を用いていないため、大気
圧下での膜厚測定が可能である。
【0042】第2に、レーザ光等の光の干渉、回折を利
用していないため、数10オングストロームから数10
00オングストロームの膜厚制御が可能である。
【0043】第3に、非破壊でその場観察できる直接測
定法であるため、成長条件による膜厚ばらつきが極めて
少ない。
【0044】第4に、電気的に測定しているのではない
ため、キャリア濃度、キャリアタイプにとらわれずに測
定が可能である。
【0045】第5に、蛍光X線を用いることから、基板
以外の元素をエピタキシャル成長に取り込まれる不純物
として同定、定常化が可能となり、高品質化が可能とな
る。
【0046】このように、本発明の実施例によれば、従
来破壊法によってしか評価できなかったヘテロ構造エピ
タキシャル成長や多層エピタキシャル等での膜厚の評価
が可能となると共にこれに基づく成膜方法を得ることが
できる。また、HEMT、BHT、HBT等の新生デバ
イスからMQWを利用したレーザ等まで幅広く適用可能
であり、そのエピタキシャル成長の高品質化に寄与する
ことで、産業上のメリットが非常に大きい。
【0047】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、薄
膜の成長を制御して、ヘテロ成長薄膜を工業的に高精度
なものとして、高品質で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る製造装置の概略構成図
である。
【図2】図1の構成により成長させる薄膜によるGaA
s系HEMT構造の模式図である。
【図3】図1の構成により得られるAlGaAs膜厚と
蛍光X線(AlKα線)の相関関係を示す断面TEMに
よる膜厚特性図である。
【図4】RHEED法による膜厚の測定例を示す波形図
である。
【符号の説明】
1 真空チャンバー 2 排気系 3a、3b、3c、3d クヌードセンセル 4 ウェーハ支持部 5 加熱ヒータ 6 ウェーハ 7 X線源 8 コリメータ 9 モノクロメータ 10 窓部 11 ディテクタ 12 SSD 13、14、15、16、17 コントローラ 18 メインコントローラ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板の表面に半導体の薄膜を成長さ
    せる膜成長工程と、 前記成長させつつある薄膜にX線を入射させるX線入射
    工程と、 前記X線の入射に伴って前記成長中の薄膜から放出され
    る螢光X線を計測する計測工程と、 前記計測工程における計測値に基づいて前記薄膜の成長
    条件を制御する制御工程と、を備えることを特徴とす
    る、半導体基板上に薄膜を成長させる方法。
  2. 【請求項2】前記X線入射工程における前記X線の入射
    条件は、全反射条件に設定されている、請求項1に記載
    の方法。
  3. 【請求項3】薄膜成長対象としての半導体基板を収納す
    るチャンバーを有し、そのチャンバー内に収納した前記
    半導体基板の表面に半導体の薄膜を成長させる、膜成長
    手段と、 前記半導体基板上に成長しつつある前記半導体の薄膜に
    X線を入射させる、X線射出手段と、 前記X線の入射に伴って前記成長中の薄膜から射出され
    る螢光X線を検出し、その螢光X線の強度を時間との関
    係で計測する、螢光X線検出計測手段と前記計測手段か
    らの計測値に基づいて前記膜成長手段を調節する、制御
    手段と、を備えることを特徴とする、半導体基板上に薄
    膜を成長させる装置。
JP5299551A 1993-11-30 1993-11-30 半導体基板上に薄膜を成長させる方法および装置 Pending JPH07153692A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5299551A JPH07153692A (ja) 1993-11-30 1993-11-30 半導体基板上に薄膜を成長させる方法および装置
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Applications Claiming Priority (1)

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JP5299551A JPH07153692A (ja) 1993-11-30 1993-11-30 半導体基板上に薄膜を成長させる方法および装置

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