JPH09181138A - 化合物半導体のドーピング特性を実時間で感知する方法 - Google Patents
化合物半導体のドーピング特性を実時間で感知する方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ドーピング濃度及び成長速度の変化をイン−シ
チュで時々刻々把握して、より精密な成長変数の制御が
可能であるドーピング特性を実時間で感知する方法を提
供する。 【解決手段】エピタキシャル成長装置の成長室１００内
部に化合物半導体基板１３０を実装し、反応ガスを注入
して、二種構造の化合物半導体層を成長させるととも
に、成長室１００内の化合物半導体基板１３０の表面に
レーザー装置１０からヘリウム−ネオンレーザー光とダ
イオードレーザー光を同時に走査し、それぞれの反射光
を光検出器２０で検出し、その検出結果をコンピュータ
３０で分析することで、反射されるレーザー光の反射率
とエピ層の屈折率の変化を分析して、成長する化合物半
導体のドーピング濃度と成長速度を実時間で分析する。
チュで時々刻々把握して、より精密な成長変数の制御が
可能であるドーピング特性を実時間で感知する方法を提
供する。 【解決手段】エピタキシャル成長装置の成長室１００内
部に化合物半導体基板１３０を実装し、反応ガスを注入
して、二種構造の化合物半導体層を成長させるととも
に、成長室１００内の化合物半導体基板１３０の表面に
レーザー装置１０からヘリウム−ネオンレーザー光とダ
イオードレーザー光を同時に走査し、それぞれの反射光
を光検出器２０で検出し、その検出結果をコンピュータ
３０で分析することで、反射されるレーザー光の反射率
とエピ層の屈折率の変化を分析して、成長する化合物半
導体のドーピング濃度と成長速度を実時間で分析する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は化合物半導体のドー
ピング特性を感知する方法に関するもので、特にＭＯＣ
ＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）成
長法を用いる半導体エピタキシャル層（以下エピ層と略
称する）の成長時、化合物半導体のドーピング特性を実
時間で感知する方法に関するものである。
ピング特性を感知する方法に関するもので、特にＭＯＣ
ＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）成
長法を用いる半導体エピタキシャル層（以下エピ層と略
称する）の成長時、化合物半導体のドーピング特性を実
時間で感知する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体二種薄膜成長法であるＭＯＣＶＤ
方法を用いてガリウム砒素（ＧａＡｓ）及びインジウム
燐（ＩｎＰ）基板に電子及び光子構造の関連エピ層を成
長させることは、過去多くの研究者により研究されてく
るし、これからもより性能のよい素子を作るために継続
的に研究される展望である。
方法を用いてガリウム砒素（ＧａＡｓ）及びインジウム
燐（ＩｎＰ）基板に電子及び光子構造の関連エピ層を成
長させることは、過去多くの研究者により研究されてく
るし、これからもより性能のよい素子を作るために継続
的に研究される展望である。
【０００３】真性半導体は絶縁体であり、通常の状態で
は電気が通わないから、電気的素子として応用されるた
めには人為的に電気を通じる構成としなければならな
い。
は電気が通わないから、電気的素子として応用されるた
めには人為的に電気を通じる構成としなければならな
い。
【０００４】この方法をドーピング（ｄｏｐｉｎｇ：不
純物添加）といい、ドーピングとは真性半導体に不純物
（ｉｍｐｕｒｉｔｙ）を少量添加して電子（ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ）又は正孔（ｈｏｌｅ）を人為的に生成させる人
工的方法である。
純物添加）といい、ドーピングとは真性半導体に不純物
（ｉｍｐｕｒｉｔｙ）を少量添加して電子（ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ）又は正孔（ｈｏｌｅ）を人為的に生成させる人
工的方法である。
【０００５】電子を生成させる不純物をｎ型不純物とい
い、正孔を生成させる不純物をｐ型不純物という。
い、正孔を生成させる不純物をｐ型不純物という。
【０００６】いずれかの型であっても不純物の濃度によ
って電気伝導度が変わるので、不純物の濃度を調節する
ことは、ドーピングされた半導体エピ層の成長時の基本
となる技術であり、不純物の濃度は成長後に特定方法で
分析することができる。
って電気伝導度が変わるので、不純物の濃度を調節する
ことは、ドーピングされた半導体エピ層の成長時の基本
となる技術であり、不純物の濃度は成長後に特定方法で
分析することができる。
【０００７】真性半導体に高濃度のドーピングを行う場
合、基本的に半導体内部を構成する格子の構造に変化が
起こるため、成長速度と組成及び光学常数が変わると予
想され、これらの変化はその間幾つかの測定法により多
く紹介され、実時間測定法によっても知られているの
で、これらに関する分析内容は本発明に包含させない。
合、基本的に半導体内部を構成する格子の構造に変化が
起こるため、成長速度と組成及び光学常数が変わると予
想され、これらの変化はその間幾つかの測定法により多
く紹介され、実時間測定法によっても知られているの
で、これらに関する分析内容は本発明に包含させない。
【０００８】しかし、成長速度分析において、炭素がド
ーピングされたアルミニウム砒素層の場合、純粋なアル
ミニウム砒素層に比べて成長速度が減少することは知ら
れた事実であるが、これは成長完了後のエピ層全体厚さ
に対する減少のみを言及しただけ、成長速度が成長時間
によって段々減少するという事実はまだ知られていな
い。
ーピングされたアルミニウム砒素層の場合、純粋なアル
ミニウム砒素層に比べて成長速度が減少することは知ら
れた事実であるが、これは成長完了後のエピ層全体厚さ
に対する減少のみを言及しただけ、成長速度が成長時間
によって段々減少するという事実はまだ知られていな
い。
【０００９】不純物の濃度を分析する方法としては幾つ
かが知られている。不純物の濃度を測定する方法として
最も多く知られた方法としては、Ｈａｌｌ方法、二次イ
オン質量分析法、ポラロン分析法等がある。
かが知られている。不純物の濃度を測定する方法として
最も多く知られた方法としては、Ｈａｌｌ方法、二次イ
オン質量分析法、ポラロン分析法等がある。
【００１０】Ｈａｌｌ方法はＨａｌｌにより提示された
方法で、磁気場下で電子及び正孔が移動する時、磁気場
による変位程度を電気的に測定して濃度を測定する計算
法として最も広く用いられる方法である。
方法で、磁気場下で電子及び正孔が移動する時、磁気場
による変位程度を電気的に測定して濃度を測定する計算
法として最も広く用いられる方法である。
【００１１】又、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Se
condary Ion Mass Spectrometry）とは、測定しようと
する試片表面にイオンを発射して試片の表面を破壊した
後、この時に発生する二次イオンを検出器で検出してイ
オンの定量を計算する方法である。
condary Ion Mass Spectrometry）とは、測定しようと
する試片表面にイオンを発射して試片の表面を破壊した
後、この時に発生する二次イオンを検出器で検出してイ
オンの定量を計算する方法である。
【００１２】そして、ポラロン方法（Ｐｏｌａｒｏｎ
ｐｒｏｆｉｌｅ）はＨａｌｌ方法に似る電気的測定方法
で、表面の電気容量（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）と電圧
（ｖｏｌｔａｇｅ）を同時に測定して計算する方法であ
り、Ｃ−Ｖ方法ともいう。
ｐｒｏｆｉｌｅ）はＨａｌｌ方法に似る電気的測定方法
で、表面の電気容量（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）と電圧
（ｖｏｌｔａｇｅ）を同時に測定して計算する方法であ
り、Ｃ−Ｖ方法ともいう。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｈａｌ
ｌ方法を用いるためには、成長完了後、測定しようとす
る試片の表面に伝導性材料を被せてから熱処理し、電気
線を連結する等、電極接触のための補助作業が必要であ
り、測定しようとする試片の種類及び不純物の導電型に
よって伝導性材料の選択が異なるため、試片の種類によ
っては電極接触作業が非常に難しい材料が時々ある。
ｌ方法を用いるためには、成長完了後、測定しようとす
る試片の表面に伝導性材料を被せてから熱処理し、電気
線を連結する等、電極接触のための補助作業が必要であ
り、測定しようとする試片の種類及び不純物の導電型に
よって伝導性材料の選択が異なるため、試片の種類によ
っては電極接触作業が非常に難しい材料が時々ある。
【００１４】一方、二次イオン質量分析法は試片に包含
された不純物の相対的量のみ測定できるが、絶対値を知
るためには不純物濃度を知っている基準試料をともに分
析すべきである欠点があるから、知られていない不純物
についての絶対濃度を計算し得ない。又、低濃度の不純
物濃度を検出しにくい。
された不純物の相対的量のみ測定できるが、絶対値を知
るためには不純物濃度を知っている基準試料をともに分
析すべきである欠点があるから、知られていない不純物
についての絶対濃度を計算し得ない。又、低濃度の不純
物濃度を検出しにくい。
【００１５】ところで、ポラロン方法は食刻溶液を使用
して試片の表面を一定厚さに食刻しながら各表面での不
純物濃度を測定する方法であるので、二次イオン質量分
析法と同様に厚さによる不純物濃度の分布を容易に知り
得る利点を有するが、Ｈａｌｌ方法はそうではない。
して試片の表面を一定厚さに食刻しながら各表面での不
純物濃度を測定する方法であるので、二次イオン質量分
析法と同様に厚さによる不純物濃度の分布を容易に知り
得る利点を有するが、Ｈａｌｌ方法はそうではない。
【００１６】又、前述した三つの方法はみんな成長完了
後に分析が可能である方法で、これまでイン−シチュで
成長時のドーピング濃度や成長厚さを測定し得ない。
後に分析が可能である方法で、これまでイン−シチュで
成長時のドーピング濃度や成長厚さを測定し得ない。
【００１７】即ち、前述した従来の方法等は、成長完了
後、電子顕微鏡等を用いて全体成長厚さのみを知り得る
ため、これらを用いた成長速度は事実上平均成長速度で
あるので、成長時にリアルタイムで成長速度を正確に把
握することができず、微細構造の半導体層の成長時、成
長厚さの調節が不正確である問題点がある。
後、電子顕微鏡等を用いて全体成長厚さのみを知り得る
ため、これらを用いた成長速度は事実上平均成長速度で
あるので、成長時にリアルタイムで成長速度を正確に把
握することができず、微細構造の半導体層の成長時、成
長厚さの調節が不正確である問題点がある。
【００１８】従って、本発明は、ＭＯＣＶＤ成長法を用
いる半導体エピ層成長実時間レーザー分析装置を用い
て、ドーピング濃度及び成長速度の変化をイン−シチュ
で時々刻々把握して、より精密な成長変数の制御が可能
であるドーピング特性を実時間で感知する方法を提供す
ることにその目的がある。
いる半導体エピ層成長実時間レーザー分析装置を用い
て、ドーピング濃度及び成長速度の変化をイン−シチュ
で時々刻々把握して、より精密な成長変数の制御が可能
であるドーピング特性を実時間で感知する方法を提供す
ることにその目的がある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明は、化合物半導体のドーピング特性を実時間で
感知する方法において、エピタキシー装置の成長室内部
に化合物半導体基板を実装し異種構造の化合物半導体層
を成長させる際に、該成長室内の化合物半導体基板の成
長表面にレーザー装置から波長が異なる２つのレーザー
光を同時に照射し、反射されるレーザー光の反射率の時
間変化を計測することで、成長する化合物半導体のドー
ピング濃度と成長速度を実時間で分析するものであっ
て、前記２つのレーザー光のうち一方は、前記成長層に
よって吸収される波長を少なくとも備えることを特徴と
する。
の本発明は、化合物半導体のドーピング特性を実時間で
感知する方法において、エピタキシー装置の成長室内部
に化合物半導体基板を実装し異種構造の化合物半導体層
を成長させる際に、該成長室内の化合物半導体基板の成
長表面にレーザー装置から波長が異なる２つのレーザー
光を同時に照射し、反射されるレーザー光の反射率の時
間変化を計測することで、成長する化合物半導体のドー
ピング濃度と成長速度を実時間で分析するものであっ
て、前記２つのレーザー光のうち一方は、前記成長層に
よって吸収される波長を少なくとも備えることを特徴と
する。
【００２０】より具体的には、本発明は、エピタキシー
装置の成長室内部に化合物半導体基板を実装し反応ガス
を注入して二種構造（異種構造）の化合物半導体層を成
長させるとともに、該成長室内の化合物半導体基板の成
長表面にレーザー装置からヘリウム−ネオンレーザー光
とダイオードレーザー光とを同時に走査し、反射される
レーザー光の反射率とエピ層での屈折率の変化を分析し
て、成長する化合物半導体のドーピング濃度と成長速度
を実時間で分析することを特徴とする。
装置の成長室内部に化合物半導体基板を実装し反応ガス
を注入して二種構造（異種構造）の化合物半導体層を成
長させるとともに、該成長室内の化合物半導体基板の成
長表面にレーザー装置からヘリウム−ネオンレーザー光
とダイオードレーザー光とを同時に走査し、反射される
レーザー光の反射率とエピ層での屈折率の変化を分析し
て、成長する化合物半導体のドーピング濃度と成長速度
を実時間で分析することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１（Ａ）は本発明で使用される
実時間反射率測定装置を説明するための概略図である。
実時間反射率測定装置を説明するための概略図である。
【００２２】同図に示すように、本発明に使用されたレ
ーザー装置１０はヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レー
ザー装置とダイオードレーザー装置とからなり、それぞ
れ０．６３２８μｍ（可視光領域）と１．５３μｍ（赤
外線領域）の波長のレーザービームを発生する。
ーザー装置１０はヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レー
ザー装置とダイオードレーザー装置とからなり、それぞ
れ０．６３２８μｍ（可視光領域）と１．５３μｍ（赤
外線領域）の波長のレーザービームを発生する。
【００２３】化合物半導体層が成長する間、外部から成
長室１００に同時に発射された二つのレーザービームは
成長室１００の一側のガラス窓１１０を介して内部の化
合物半導体基板１３０の表面に入射され反射されて他側
のガラス窓１２０を透過し検出器２０により検出され
る。この検出結果はコンピューター３０に入力されて分
析される。
長室１００に同時に発射された二つのレーザービームは
成長室１００の一側のガラス窓１１０を介して内部の化
合物半導体基板１３０の表面に入射され反射されて他側
のガラス窓１２０を透過し検出器２０により検出され
る。この検出結果はコンピューター３０に入力されて分
析される。
【００２４】図１（Ｂ）は成長室１００に内部に実装さ
れた化合物半導体基板１３０上にアルミニウム砒素層１
４０とガリウム砒素層１５０が順次成長することを示す
断面図である。
れた化合物半導体基板１３０上にアルミニウム砒素層１
４０とガリウム砒素層１５０が順次成長することを示す
断面図である。
【００２５】本実施形態では、化合物半導体基板１３０
としてのガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上に先ずアルミ
ニウム砒素（ＡｌＡｓ）層１４０が成長し、その上に再
びガリウム砒素層１５０が成長するものとする。
としてのガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上に先ずアルミ
ニウム砒素（ＡｌＡｓ）層１４０が成長し、その上に再
びガリウム砒素層１５０が成長するものとする。
【００２６】各エピ層の厚さは数μｍであり、この程度
の厚さでも十分に化合物半導体基板１３０のドーピング
特性を分析することが可能である。
の厚さでも十分に化合物半導体基板１３０のドーピング
特性を分析することが可能である。
【００２７】図２及び図３は成長室１００でエピ層が成
長する間、レーザー反射信号の反射率変化を成長時間に
よって示すグラフである。
長する間、レーザー反射信号の反射率変化を成長時間に
よって示すグラフである。
【００２８】図２は純粋アルミニウム砒素層１４０及び
ガリウム砒素層１５０の成長中の反射率を示し、図３は
これに炭素が約１０19個／ｃｍ3添加されたエピ層の成
長中の反射率を示す。
ガリウム砒素層１５０の成長中の反射率を示し、図３は
これに炭素が約１０19個／ｃｍ3添加されたエピ層の成
長中の反射率を示す。
【００２９】各図には二つのレーザーに対する反射率を
同時に示す。成長段階は３段階に分けられ、まず基板の
温度を成長温度に上昇させ品質よい緩衝層（Ｂｕｆｆｅ
ｒｌａｙｅｒ）が成長する成長準備段階（ステップＩ）
と、アルミニウム砒素層１４０が成長するII段階と、ガ
リウム砒素が成長するIII段階とに分けられ、各段階は
ほぼ同時に順次進行した。
同時に示す。成長段階は３段階に分けられ、まず基板の
温度を成長温度に上昇させ品質よい緩衝層（Ｂｕｆｆｅ
ｒｌａｙｅｒ）が成長する成長準備段階（ステップＩ）
と、アルミニウム砒素層１４０が成長するII段階と、ガ
リウム砒素が成長するIII段階とに分けられ、各段階は
ほぼ同時に順次進行した。
【００３０】図４は図３に示すグラフのＩ段階アルミニ
ウム砒素層１４０のヘリウム−ネオンレーザーに対する
反射信号（ａ）を詳細に示す図面で、本発明で紹介する
分析方法のために拡大して示す図面である。各図面に関
する詳細な説明は後述する。
ウム砒素層１４０のヘリウム−ネオンレーザーに対する
反射信号（ａ）を詳細に示す図面で、本発明で紹介する
分析方法のために拡大して示す図面である。各図面に関
する詳細な説明は後述する。
【００３１】本発明の実施形態による化合物半導体のド
ーピング特性感知法を図面に基づいて説明すると次のよ
うである。
ーピング特性感知法を図面に基づいて説明すると次のよ
うである。
【００３２】図１に示す実時間測定装置を用いてＭＯＣ
ＶＤ方法でエピ層を成長させながら、図２及び図３のａ
及びｂのようなレーザー反射信号を時間による関数で得
ることができる。
ＶＤ方法でエピ層を成長させながら、図２及び図３のａ
及びｂのようなレーザー反射信号を時間による関数で得
ることができる。
【００３３】この際に、周期的に現れる反射信号の周期
をＴとし、レーザーの波長をλとすると、次のような関
係式が得られる。
をＴとし、レーザーの波長をλとすると、次のような関
係式が得られる。
【００３４】Ｔ＝λ／（２ｎＧ） ・・・（数１） ここで、ｎは成長するエピ層の有効屈折率（effective
index of refractionrate）であり、Ｇはエピ層の成長
速度を示す。
index of refractionrate）であり、Ｇはエピ層の成長
速度を示す。
【００３５】エピ層の成長速度Ｇは成長後に電子顕微鏡
等で測定するが、ここでは成長速度の変化のみを扱うの
で正確な値は知る必要がない。
等で測定するが、ここでは成長速度の変化のみを扱うの
で正確な値は知る必要がない。
【００３６】即ち、上記数１によると、レーザー反射信
号の周期Ｔと成長速度Ｇは逆比例の関係にあるので、信
号の周期Ｔが大きくなるほどに成長速度は減少すること
が分かる。又、測定波長が大きくなるほどに周期が大き
くなることも分かる。
号の周期Ｔと成長速度Ｇは逆比例の関係にあるので、信
号の周期Ｔが大きくなるほどに成長速度は減少すること
が分かる。又、測定波長が大きくなるほどに周期が大き
くなることも分かる。
【００３７】図２及び図３に示す反射信号のうち、レー
ザー装置１０で１．５３μｍ波長を有するダイオードレ
ーザーによる反射信号（ｂ）の周期が０．６３２８μｍ
波長を有するヘリウム−ネオンレーザーによる反射信号
（ａ）の周期より大きい理由がまさにそれである。
ザー装置１０で１．５３μｍ波長を有するダイオードレ
ーザーによる反射信号（ｂ）の周期が０．６３２８μｍ
波長を有するヘリウム−ネオンレーザーによる反射信号
（ａ）の周期より大きい理由がまさにそれである。
【００３８】まず、図２は純粋アルミニウム砒素層１４
０及びガリウム砒素層１５０の成長時間による反射率を
示す。
０及びガリウム砒素層１５０の成長時間による反射率を
示す。
【００３９】成長前準備段階（ステップＩ）を経過しア
ルミニウム砒素層１４０が成長する時（ステップII）、
レーザービームは成長するエピ層の表面で一部反射して
光検出器２０に入り、一部は成長するエピ層を透過して
ガリウム砒素基板１３０に到達してから再度反射されて
光検出器２０に入る。
ルミニウム砒素層１４０が成長する時（ステップII）、
レーザービームは成長するエピ層の表面で一部反射して
光検出器２０に入り、一部は成長するエピ層を透過して
ガリウム砒素基板１３０に到達してから再度反射されて
光検出器２０に入る。
【００４０】従って、アルミニウム砒素層１４０の表面
で反射されたレーザービームと、透過後ガリウム砒素基
板１３０の表面で反射されたビームは経路差（ｐａｔｈ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）が生じ、波動法則により位相
差による干渉が起こる。
で反射されたレーザービームと、透過後ガリウム砒素基
板１３０の表面で反射されたビームは経路差（ｐａｔｈ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）が生じ、波動法則により位相
差による干渉が起こる。
【００４１】この際に、アルミニウム砒素層１４０に形
成されるエピ層の厚さが増加して二つのビームの位相差
が同じ地点に至る場合、二つのビームは補強干渉が起こ
るので反射されたビームの強度が最大になり、位相差が
正反対である地点では相殺干渉が起こるので反射信号
（ａ，ｂ）の強度が最少になり、結局最大、最少が繰り
返される周期的反射信号が生ずる。
成されるエピ層の厚さが増加して二つのビームの位相差
が同じ地点に至る場合、二つのビームは補強干渉が起こ
るので反射されたビームの強度が最大になり、位相差が
正反対である地点では相殺干渉が起こるので反射信号
（ａ，ｂ）の強度が最少になり、結局最大、最少が繰り
返される周期的反射信号が生ずる。
【００４２】勿論、第２、第３の反射及び透過が内部で
再び起こるので、実際検出器が感知する信号はずっと複
雑であるが、とにかく干渉により反射信号は周期的傾向
を現す。
再び起こるので、実際検出器が感知する信号はずっと複
雑であるが、とにかく干渉により反射信号は周期的傾向
を現す。
【００４３】同様に、III段階であるガリウム砒素層１
５０の場合にも同じであるが、ただ反射及び透過の現象
がより複雑だというだけである。
５０の場合にも同じであるが、ただ反射及び透過の現象
がより複雑だというだけである。
【００４４】もし、エピ層で吸収がある場合、反射信号
の振幅は段々と減少し、一定厚さ以上では透過されたビ
ームが戻って来ないため、それ以上、干渉による周期は
現れない。
の振幅は段々と減少し、一定厚さ以上では透過されたビ
ームが戻って来ないため、それ以上、干渉による周期は
現れない。
【００４５】一般に、光学的吸収はエピ層のエネルギー
ギャップがレーザービームのエネルギーより小さい時に
起こり、エピ層のエネルギーギャップは温度が上昇する
ほどに小さくなる。
ギャップがレーザービームのエネルギーより小さい時に
起こり、エピ層のエネルギーギャップは温度が上昇する
ほどに小さくなる。
【００４６】図２において、１．５３μｍによる反射信
号（ｂ）の振幅が二つのエピ層で、時間にかかわらず減
らない理由は、エピ層のエネルギーギャップがレーザー
のエネルギーよりずっと大きいからである。
号（ｂ）の振幅が二つのエピ層で、時間にかかわらず減
らない理由は、エピ層のエネルギーギャップがレーザー
のエネルギーよりずっと大きいからである。
【００４７】しかし、０．６３２８μｍの波長を有する
ヘリウム−ネオンレーザーによる反射信号（ａ）は事情
が異なる。
ヘリウム−ネオンレーザーによる反射信号（ａ）は事情
が異なる。
【００４８】成長のIII段階であるガリウム砒素層１５
０の場合、当該レーザーのエネルギーよりエネルギーギ
ャップが小さいため、反射信号は吸収により振幅が段々
減少し、約７番目ピークで干渉信号が消えることが分か
る。
０の場合、当該レーザーのエネルギーよりエネルギーギ
ャップが小さいため、反射信号は吸収により振幅が段々
減少し、約７番目ピークで干渉信号が消えることが分か
る。
【００４９】反面、アルミニウム砒素層１４０はエネル
ギーギャップがレーザーのエネルギーに殆ど同等である
ので、減る程度はガリウム砒素層１５０に比べてずっと
小さい。
ギーギャップがレーザーのエネルギーに殆ど同等である
ので、減る程度はガリウム砒素層１５０に比べてずっと
小さい。
【００５０】図３でのように、炭素が約１０19個／ｃｍ
3程度（原子数対比約０．１％に当たる濃度である）で
ドーピングされたエピ層を同方法で分析した結果、異様
な様相を現す。
3程度（原子数対比約０．１％に当たる濃度である）で
ドーピングされたエピ層を同方法で分析した結果、異様
な様相を現す。
【００５１】まず１．５μｍのダイオードレーザーによ
る反射信号（ｂ）を調べると、先の図２とは異なり反射
信号の振幅が段々減少することが分かる。即ち、吸収が
起こったことが分かる。
る反射信号（ｂ）を調べると、先の図２とは異なり反射
信号の振幅が段々減少することが分かる。即ち、吸収が
起こったことが分かる。
【００５２】そして、０．６３２８μｍの波長を有する
ヘリウム−ネオンレーザーによる反射信号（ａ）はその
信号の減少度が図２に比べて大きくなったことが分か
る。信号の減少度は定量的に計算し得るもので、図４で
説明する。
ヘリウム−ネオンレーザーによる反射信号（ａ）はその
信号の減少度が図２に比べて大きくなったことが分か
る。信号の減少度は定量的に計算し得るもので、図４で
説明する。
【００５３】図２と図３のさらに他の差異点は、信号の
周期Ｔが一般的にドーピングされた場合に比較して増加
していることであり、これは成長速度が減少することを
いうもので、新しい事実ではない。
周期Ｔが一般的にドーピングされた場合に比較して増加
していることであり、これは成長速度が減少することを
いうもので、新しい事実ではない。
【００５４】成長速度Ｇが減少する理由は、炭素ドーピ
ング原料である四塩化炭素（ＣＣ１4）が成長室の運送
ガスである水素（Ｈ2）と反応して塩酸（ＨＣｌ）を生
成し、この塩酸がエピ層を食刻して成長を妨害するため
であるという学説が現在定説となっている。
ング原料である四塩化炭素（ＣＣ１4）が成長室の運送
ガスである水素（Ｈ2）と反応して塩酸（ＨＣｌ）を生
成し、この塩酸がエピ層を食刻して成長を妨害するため
であるという学説が現在定説となっている。
【００５５】しかし、反射信号を詳細に調べると、０．
６３２８μｍのヘリウム−ネオンレーザーによるアルミ
ニウム砒素層１４０の反射信号（ａ）で二番目ピークの
周期が一番目ピークの周期より大きいことが分かり、成
長後半部ではその差がさらに大きくなることが分かる。
６３２８μｍのヘリウム−ネオンレーザーによるアルミ
ニウム砒素層１４０の反射信号（ａ）で二番目ピークの
周期が一番目ピークの周期より大きいことが分かり、成
長後半部ではその差がさらに大きくなることが分かる。
【００５６】これは成長速度が時間によって減速するこ
とを意味し、図２ではなかった現象であり、これまで公
知されなかった事実である。
とを意味し、図２ではなかった現象であり、これまで公
知されなかった事実である。
【００５７】図４は図３のII段階のアルミニウム砒素層
１４０の０．６３２８μｍのヘリウム−ネオンーレーザ
ーに対する反射信号（ａ）を詳細に示すもので、本発明
で紹介する分析方法のために拡大して示した。
１４０の０．６３２８μｍのヘリウム−ネオンーレーザ
ーに対する反射信号（ａ）を詳細に示すもので、本発明
で紹介する分析方法のために拡大して示した。
【００５８】反射信号の減少度を定量的に計算すること
は、吸収係数を計算することに等しい。
は、吸収係数を計算することに等しい。
【００５９】レーザービームがエピ層内部へ入射し、一
定距離の光路ｐだけ移動した後の地点でのビームの強度
が指数関数的に減少し、この地点でのビーム強度は次の
ような数式で表現される。
定距離の光路ｐだけ移動した後の地点でのビームの強度
が指数関数的に減少し、この地点でのビーム強度は次の
ような数式で表現される。
【００６０】 ｛Ｉmax(p)−Ｉmin.(p)｝＝｛Ｉmax(o)−Ｉmin.(o)｝exp(−αｐ） ・・・（数２） ここで、ｐはビームが移動した距離で、エピ層の厚さに
関連する距離である。
関連する距離である。
【００６１】Ｉmax(p)とＩmin.(p)はそれぞれｐ地点で
の反射信号の最大値及び最小値のみを連結した関数値で
あり、Ｉmax(o)とＩmin.(o)は表面での最大値及び最小
値を示し、吸収が全くされない場合での反射強度に対応
する。なお、本実施形態において反射されたレーザービ
ーム強度は、図２〜４の縦軸に示されている任意単位の
反射率（reflectivity）として示されている。また、本
実施形態では、｛Ｉmax(p)−Ｉmin.(p)｝と｛Ｉmax(o)
−Ｉmin.(o)｝との比から、上記数２の右辺のｅｘｐ項
を求めるもので、これら２項の絶対値を求めるものでは
ない。
の反射信号の最大値及び最小値のみを連結した関数値で
あり、Ｉmax(o)とＩmin.(o)は表面での最大値及び最小
値を示し、吸収が全くされない場合での反射強度に対応
する。なお、本実施形態において反射されたレーザービ
ーム強度は、図２〜４の縦軸に示されている任意単位の
反射率（reflectivity）として示されている。また、本
実施形態では、｛Ｉmax(p)−Ｉmin.(p)｝と｛Ｉmax(o)
−Ｉmin.(o)｝との比から、上記数２の右辺のｅｘｐ項
を求めるもので、これら２項の絶対値を求めるものでは
ない。
【００６２】係数αが正の吸収係数を意味する。即ち、
αが大きくなるほどにビームの強度が急に低下し、０で
あるとビームの強度は低下しなく、一定であることを意
味する。
αが大きくなるほどにビームの強度が急に低下し、０で
あるとビームの強度は低下しなく、一定であることを意
味する。
【００６３】本発明は、上記吸収係数αの値が不純物濃
度によって変わることに着眼したものであり、この吸収
係数αの変化を調べることで、ドーピング濃度の測定を
可能とするものである。
度によって変わることに着眼したものであり、この吸収
係数αの変化を調べることで、ドーピング濃度の測定を
可能とするものである。
【００６４】不純物はエピ層のエネルギーバンド内部で
一定エネルギー準位を形成し、結果的にレーザービーム
のエネルギーがエピ層のエネルギーバンドより低くても
この不純物エネルギー準位にかかって吸収が起こるもの
である。
一定エネルギー準位を形成し、結果的にレーザービーム
のエネルギーがエピ層のエネルギーバンドより低くても
この不純物エネルギー準位にかかって吸収が起こるもの
である。
【００６５】不純物濃度が高くなるほどに吸収が大きく
なり、本発明を確認するため、炭素ドーピング濃度を半
分に減らした結果、レーザー反射信号は中間程度の吸収
を現した。
なり、本発明を確認するため、炭素ドーピング濃度を半
分に減らした結果、レーザー反射信号は中間程度の吸収
を現した。
【００６６】このように、本発明の利点は、成長途中、
非破壊検査で不純物の濃度を実時間ですぐ明かすことが
できることにある反面、厚さによる不純物濃度の分布は
明かすことができない欠点があり、低濃度の不純物は感
知されない。
非破壊検査で不純物の濃度を実時間ですぐ明かすことが
できることにある反面、厚さによる不純物濃度の分布は
明かすことができない欠点があり、低濃度の不純物は感
知されない。
【００６７】一方、図４の反射信号でピーク周期を気を
付けて調べると、第１ピークの周期Ｔ１が第２、第３ピ
ークの周期より短く、この差は段々大きくなって、第１
１ピークの周期Ｔ１１に至ると、約３０％まで短いこと
が分かる。
付けて調べると、第１ピークの周期Ｔ１が第２、第３ピ
ークの周期より短く、この差は段々大きくなって、第１
１ピークの周期Ｔ１１に至ると、約３０％まで短いこと
が分かる。
【００６８】これは成長初期に比べて成長が進行される
ほどに成長速度が段々減少することを意味し、本発明の
方法以外では、全く感知されない現象である。
ほどに成長速度が段々減少することを意味し、本発明の
方法以外では、全く感知されない現象である。
【００６９】なお、上記実施形態ではヘリウム−ネオン
レーザーとダイオードレーザーとを用いた場合について
説明したが、本発明で用いることができるレーザーの種
類はこれらに限定されるものではない。例えばエピタキ
シャル成長される薄膜試料のエネルギーバンドと用いる
レーザービームのエネルギーとを考慮して、上述したよ
うな吸収されやすい波長と吸収がほとんど起こらない波
長との２つの大きく異なる波長のレーザービームを用い
る構成としても良い。
レーザーとダイオードレーザーとを用いた場合について
説明したが、本発明で用いることができるレーザーの種
類はこれらに限定されるものではない。例えばエピタキ
シャル成長される薄膜試料のエネルギーバンドと用いる
レーザービームのエネルギーとを考慮して、上述したよ
うな吸収されやすい波長と吸収がほとんど起こらない波
長との２つの大きく異なる波長のレーザービームを用い
る構成としても良い。
【００７０】
【発明の効果】以上説明したように、従来の不純物濃度
分析法は、実験後、破壊及び非破壊検査で、一定の事前
準備段階を経た後に分析が可能であったが、本発明によ
れば、実験途中に即時不純物のドーピング特性を知るこ
とができるので、ドーピング濃度の正確な調節が可能で
あって、素子の特性を向上させることができ、生産性を
増大させることができる。
分析法は、実験後、破壊及び非破壊検査で、一定の事前
準備段階を経た後に分析が可能であったが、本発明によ
れば、実験途中に即時不純物のドーピング特性を知るこ
とができるので、ドーピング濃度の正確な調節が可能で
あって、素子の特性を向上させることができ、生産性を
増大させることができる。
【００７１】さらに、本発明によれば、成長速度の加速
及び減速を感知し得るので、より精度よくエピ層を調節
して良質の化合物半導体層を形成させることができる。
及び減速を感知し得るので、より精度よくエピ層を調節
して良質の化合物半導体層を形成させることができる。
【図１】図１（Ａ）：本発明に使用される実時間反射率
測定装置の概略構成を示す構成図である。図１（Ｂ）は
Ａの成長室内の試料を拡大した図である。
測定装置の概略構成を示す構成図である。図１（Ｂ）は
Ａの成長室内の試料を拡大した図である。
【図２】ドーピングされなかったエピ層の成長時間によ
るレーザー反射信号の反射率を示すグラフである。
るレーザー反射信号の反射率を示すグラフである。
【図３】ドーピングされたエピ層の成長時間によるレー
ザー反射信号の反射率を示すグラフである。
ザー反射信号の反射率を示すグラフである。
【図４】ヘリウム−ネオンレーザーで測定したドーピン
グされたアルミニウム砒素層の反射信号の反射率を示す
グラフである。
グされたアルミニウム砒素層の反射信号の反射率を示す
グラフである。
１０ レーザー装置 ２０ 検出器 ３０ コンピューター １００ 成長室 １１０ ガラス窓 １２０ ガラス窓 １３０ 半導体基板 １４０ アルミニウム砒素層 １５０ ガリウム砒素層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジンホン リー 大韓民国、ソウル、カンナムク、ヨクサム ドン 817−14 (72)発明者 スンウー チョイ 大韓民国、デェジョン、ユソンク、ジュン ミンドン、エキスポ アパートメント 103−208
Claims (6)
- 【請求項１】化合物半導体のドーピング特性を実時間で
感知する方法において、 エピタキシー装置の成長室内部に化合物半導体基板を実
装し反応ガスを注入して二種構造の化合物半導体層を成
長させるとともに、該成長室内の化合物半導体基板の成
長表面にレーザー装置からヘリウム−ネオンレーザー光
とダイオードレーザー光とを同時に走査し、反射される
レーザー光の反射率とエピ層での屈折率の変化を分析し
て、成長する化合物半導体のドーピング濃度と成長速度
を実時間で分析することを特徴とする化合物半導体のド
ーピング特性を実時間で感知する方法。 - 【請求項２】請求項１において、 前記成長速度ＧはＧ＝λ／２ｎＴにより算出され、λは
レーザーの波長、ｎは成長するエピ層の屈折率、Ｔは反
射レーザー光の強度変化の周期であることを特徴とする
化合物半導体のドーピング特性を実時間で感知する方
法。 - 【請求項３】請求項１において、 前記二種構造の化合物半導体層はアルミニウム砒素層と
ガリウム砒素層とを形成する２段階のエピタキシャル成
長工程により形成されることを特徴とする化合物半導体
のドーピング特性を実時間で感知する方法。 - 【請求項４】請求項２において、 前記成長速度はヘリウム−ネオンレーザー又はダイオー
ドレーザーのいずれかを用いて測定されることを特徴と
する化合物半導体のドーピング特性を実時間で感知する
方法。 - 【請求項５】請求項１において、 前記ドーピング特性は成長するエピ層のレーザー光の吸
収係数により測定されることを特徴とする化合物半導体
のドーピング特性を実時間で感知する方法。 - 【請求項６】化合物半導体のドーピング特性を実時間で
感知する方法において、 エピタキシー装置の成長室内部に化合物半導体基板を実
装し異種構造の化合物半導体層を成長させる際に、該成
長室内の化合物半導体基板の成長表面にレーザー装置か
ら波長が異なる２つのレーザー光を同じに照射し、反射
されるレーザー光の反射率の時間変化を計測すること
で、成長する化合物半導体のドーピング濃度と成長速度
を実時間で分析するものであって、 前記２つのレーザー光のうち一方は、前記成長層によっ
て吸収される波長を少なくとも備えることを特徴とする
化合物半導体のドーピング特性を実時間で感知する方
法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR95-52674 | 1995-12-20 | ||
| KR1019950052674A KR970053234A (ko) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | 화합물 반도체의 도핑특성을 실시간으로 감지하는 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09181138A true JPH09181138A (ja) | 1997-07-11 |
Family
ID=19441852
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23415796A Pending JPH09181138A (ja) | 1995-12-20 | 1996-09-04 | 化合物半導体のドーピング特性を実時間で感知する方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5705403A (ja) |
| JP (1) | JPH09181138A (ja) |
| KR (1) | KR970053234A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005121482A (ja) * | 2003-10-16 | 2005-05-12 | Mitsubishi Electric Corp | 膜厚制御方法 |
| US10619996B2 (en) | 2015-10-08 | 2020-04-14 | Nuflare Technology, Inc. | Vapor phase growth rate measuring apparatus, vapor phase growth apparatus, and growth rate detection method |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW359864B (en) * | 1997-03-13 | 1999-06-01 | United Microelectronics Corp | Method for detecting dosage of polysilicon implantation |
| US6208154B1 (en) * | 1998-08-10 | 2001-03-27 | Advanced Micro Devices, Inc. | Method of determining the doping concentration across a surface of a semiconductor material |
| GB0516477D0 (en) * | 2005-08-11 | 2005-09-14 | Optical Reference Systems Ltd | Apparatus for measuring semiconductor physical characteristics |
| US20100041220A1 (en) * | 2008-08-12 | 2010-02-18 | Advanced Micro Devices, Inc. | Methods for uniformly optically annealing regions of a semiconductor substrate |
| US8415620B2 (en) * | 2010-01-11 | 2013-04-09 | International Business Machines Corporation | Determining doping type and level in semiconducting nanostructures |
| KR102303973B1 (ko) | 2014-12-22 | 2021-09-23 | 삼성전자주식회사 | 박막 형성 장치 및 이를 이용한 박막 형성 방법 |
| DE112019001752T5 (de) * | 2018-04-02 | 2020-12-24 | Applied Materials, Inc. | Inline-Kammermetrologie |
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|---|---|---|---|---|
| US4812650A (en) * | 1987-09-08 | 1989-03-14 | Varian Associates, Inc. | Growth rate monitor for molecular beam epitaxy |
| JPH0751478B2 (ja) * | 1989-11-24 | 1995-06-05 | 新技術事業団 | 化合物結晶のエピタキシャル成長方法 |
| US5166080A (en) * | 1991-04-29 | 1992-11-24 | Luxtron Corporation | Techniques for measuring the thickness of a film formed on a substrate |
| DE4017440C2 (de) * | 1990-05-30 | 1994-02-10 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Messung der Schichtdicke und des Brechungsindex einer dünnen Schicht auf einem Substrat und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
| US5091320A (en) * | 1990-06-15 | 1992-02-25 | Bell Communications Research, Inc. | Ellipsometric control of material growth |
| US5232547A (en) * | 1992-07-01 | 1993-08-03 | Motorola, Inc. | Simultaneously measuring thickness and composition of a film |
| US5277747A (en) * | 1992-09-15 | 1994-01-11 | Bell Communications Research, Inc. | Extraction of spatially varying dielectric function from ellipsometric data |
| JP3064693B2 (ja) * | 1992-09-15 | 2000-07-12 | 新日本無線株式会社 | 多層膜の結晶成長のその場観察方法 |
| US5456205A (en) * | 1993-06-01 | 1995-10-10 | Midwest Research Institute | System for monitoring the growth of crystalline films on stationary substrates |
| US5552327A (en) * | 1994-08-26 | 1996-09-03 | North Carolina State University | Methods for monitoring and controlling deposition and etching using p-polarized reflectance spectroscopy |
-
1995
- 1995-12-20 KR KR1019950052674A patent/KR970053234A/ko not_active Application Discontinuation
-
1996
- 1996-08-13 US US08/696,092 patent/US5705403A/en not_active Expired - Lifetime
- 1996-09-04 JP JP23415796A patent/JPH09181138A/ja active Pending
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|---|---|---|---|---|
| JP2005121482A (ja) * | 2003-10-16 | 2005-05-12 | Mitsubishi Electric Corp | 膜厚制御方法 |
| US10619996B2 (en) | 2015-10-08 | 2020-04-14 | Nuflare Technology, Inc. | Vapor phase growth rate measuring apparatus, vapor phase growth apparatus, and growth rate detection method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5705403A (en) | 1998-01-06 |
| KR970053234A (ko) | 1997-07-31 |
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|---|---|---|---|
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