JP3536057B2 - 物質層形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物質層形成装置に
関し、さらに詳細には、各種の材料からなる基板上など
に、例えば、半導体や金属などの薄膜や厚膜などのよう
な各種の物質の層を形成する際に用いて好適な物質層形
成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の物質層形成装置として、例えば、
気相成長法を用いて基板としての半導体ウエハー上に物
質層として半導体結晶薄膜を形成するようにした結晶成
長装置が知られている。

【０００３】図１は、上記した従来の物質層形成装置と
しての結晶成長装置の概念構成説明図であり、この結晶
成長装置１００は、ＲＦ加熱コイル１０２により周囲を
覆われた結晶成長反応炉１０４内に、基板としての半導
体ウエハー１０６を支持するとともに当該半導体ウエハ
ー１０６を加熱するためのサセプター１０８が配設され
ている。

【０００４】また、ＲＦ加熱コイル１０２にはＲＦ電源
１１０が接続されており、さらに、ＲＦ電源１１０には
マイクロ・コンピューターにより構成されたＲＦ制御装
置１１２が接続されている。

【０００５】そして、ＲＦ制御装置１１２によって、Ｒ
Ｆ電源１１０はその出力を制御される。即ち、ＲＦ制御
装置１１２によりＲＦ電源１１０からＲＦ加熱コイル１
０２への給電が制御されるものであり、ＲＦ加熱コイル
１０２はＲＦ電源１１０からの給電に応じてサセプター
１０８を加熱することになる。

【０００６】即ち、この結晶成長装置１００において
は、ＲＦ電源１１０からＲＦ加熱コイル１０２への給電
による渦電流誘起加熱により、サセプター１０８が加熱
されるものである。

【０００７】ここで、図２には従来のサセプター１０８
の概念構成斜視図が示されているが、サセプター１０８
は略長方体形状を備えていて、その上面１０８ａには、
半導体ウエハー１０６を配置するための凹形状の保持部
１０８ｂが形成されている。

【０００８】また、サセプター１０８内には、サセプタ
ー１０８の温度をモニターするための熱電対（図示せ
ず）が埋め込まれている。

【０００９】なお、サセプター１０８は、例えば、カー
ボンなどにより形成されているものである。

【００１０】一方、結晶成長反応炉１０４には、半導体
ウエハー１０６上に形成する半導体結晶薄膜の原料とな
る原料ガスやキャリアガスなどの各種のガスを導入する
ためのガス導入孔１０４ａと、結晶成長反応炉１０４内
に導入された各種のガスを排出するためのガス排出孔１
０４ｂとが形成されている。

【００１１】以上の構成において、サセプター１０８の
保持部１０８ｂに配置された半導体ウエハー１０６上に
所望の半導体結晶薄膜を形成するためには、当該所望の
半導体結晶薄膜を形成するために必要な原料となる原料
ガスを、ガス導入孔１０４ａから結晶成長反応炉１０４
内へ供給する。

【００１２】この際に、サセプター１０８内に埋め込ま
れた熱電対（図示せず）のモニターに基づいて、ＲＦ制
御装置１１２により制御されたＲＦ電源１１０からの給
電に応じてＲＦ加熱コイル１０２によってサセプター１
０８が加熱されており、加熱されたサセプター１０８か
らの熱伝導によって、半導体ウエハー１０６も結晶成長
により半導体結晶薄膜を形成するのに最適な温度（以
下、「結晶成長により半導体結晶薄膜を形成するのに最
適な温度」を「最適成長温度」と適宜に称する。）に加
熱されるものである。

【００１３】このため、結晶成長反応炉１０４内に導入
された原料ガスは熱により分解、反応して、半導体ウエ
ハー１０６上に結晶成長により半導体結晶薄膜が形成さ
れることになる。

【００１４】ここで、結晶成長装置１００においては、
結晶成長の際に半導体ウエハー１０６の温度を最適成長
温度に安定に保つようにするために、サセプター１０８
を比較的大型に形成してその熱容量が大きくなるように
し、これによりサセプター１０８の温度の揺らぎを押さ
えて、サセプター１０８からの熱伝導により加熱される
半導体ウエハー１０６の温度が安定になるようにしてい
る。

【００１５】ところで、こうした結晶成長装置１００を
用いて半導体ウエハー１０６上に半導体結晶薄膜を形成
する際には、異なる最適成長温度を持つ複数の半導体結
晶薄膜を交互に形成する場合がある。

【００１６】この場合には、サセプター１０８内に埋め
込まれた熱電対（図示せず）のモニターに応じて、ＲＦ
制御装置１１２によりＲＦ電源１１０の出力を制御し
て、ＲＦ電源１１０からＲＦ加熱コイル１０２への給電
を制御することにより、サセプター１０８の温度を適宜
に変化させる必要があるが、サセプター１０８は熱容量
が大きいためにその温度を急激に変化させることは困難
であり、このため、半導体ウエハー１０６の温度を異な
る最適成長温度に急峻に変化させることも困難であった
（図５参照）。

【００１７】即ち、サセプター１０８が昇温あるいは降
温する際の変化はなだらかであり、かなりの時間を要す
るものであった。

【００１８】従って、結晶成長装置１００において異な
る最適成長温度を持つ複数の半導体結晶薄膜を交互に形
成する際には、半導体ウエハー１０６の温度の切り換え
に時間がかかるため、全体の処理時間が長時間となると
いう問題点があった。

【００１９】また、半導体ウエハー１０６の温度の切り
換えに時間がかかると、半導体ウエハー１０６上に形成
される半導体結晶薄膜の品質が劣化する恐れがあるとい
う問題点があった。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、基板の温度を短
時間で急峻に変化させることができるようにした物質層
形成装置を提供しようとするものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のうち請求項１に記載の発明は、サセプター
の温度を昇温または降温することにより当該サセプター
に配置された基板の温度を適宜に変化させながら、当該
基板上に物質層を形成する物質層形成装置において、基
板を配置する所定の熱容量より小さな第１の熱容量を備
える第１のブロックと、基板を配置しない上記所定の熱
容量より大きな第２の熱容量を備える第２のブロックと
を有して構成され、上記第１のブロックと上記第２のブ
ロックとが所定の間隙を有して離隔して配置され、上記
第１のブロックと上記第２のブロックとは熱輻射により
緩やかに熱的結合されるサセプターと、上記サセプター
を加熱し、パルス状に温度を昇温及び降温可能なＲＦ加
熱コイルと、上記サセプターの上記第１のブロックと上
記第２のブロックとの温度をそれぞれ個別に検出する検
出手段と、上記検出手段の検出結果に基づいて、上記Ｒ
Ｆ加熱コイルが連続加熱するように上記ＲＦ加熱コイル
への給電を制御し、上記ＲＦ加熱コイルの加熱力の大き
さがパルス状に大小変化するように上記ＲＦ加熱コイル
への給電を制御する制御手段とを有し、上記制御手段に
よって、上記検出手段の検出結果に基づいて上記ＲＦ加
熱コイルへの給電が制御され、上記ＲＦ加熱コイルが連
続加熱して定常加熱状態の場合は、上記サセプターの上
記第２のブロックからの熱輻射により上記第１のブロッ
クが加熱されて、系全体が熱輻射による緩い熱的結合を
介して温度制御され、上記ＲＦ加熱コイルの加熱力の大
きさがパルス状に大小変化し、上記ＲＦ加熱コイルの出
力を短時間で急峻に上昇させた場合には、上記サセプタ
ーの上記第１のブロックのみが上記第２のブロックより
先行的に短時間で加熱されて急峻に昇温し、一方、上記
ＲＦ加熱コイルの出力を短時間で急峻に下降させた場合
には、上記サセプターの上記第１のブロックのみが上記
第２のブロックにより先行的に短時間で降温して急峻に
降温し、上記ＲＦ加熱コイルの加熱力の大きさをパルス
状に大小変化させる切り換えタイミングに追随して、上
記サセプターの上記第１のブロックならびに上記第１の
ブロックに配置された上記基板の温度の高さがパルス状
に短時間で高低に変化されるようにしたものである。

【００２２】また、本発明のうち請求項２に記載の発明
は、サセプターの温度を昇温または降温することにより
当該サセプターに配置された基板の温度を適宜に変化さ
せながら、当該基板上に物質層を形成する物質層形成装
置において、基板を配置する所定の熱容量より小さな第
１の熱容量を備える第１のブロックと、基板を配置しな
い上記所定の熱容量より大きな第２の熱容量を備える第
２のブロックとを有して構成され、上記第１のブロック
と上記第２のブロックとが所定の間隙を有して離隔して
配置され、上記第１のブロックと上記第２のブロックと
は熱輻射により緩やかに熱的結合されるサセプターと、
上記サセプターを加熱し、パルス状に温度を昇温及び降
温可能なＲＦ加熱コイルとを有し、上記ＲＦ加熱コイル
が連続加熱して定常加熱状態の場合は、上記サセプター
の上記第２のブロックからの熱輻射により上記第１のブ
ロックが加熱されて、系全体が熱輻射による緩い熱的結
合を介して温度制御され、上記ＲＦ加熱コイルの加熱力
の大きさがパルス状に大小変化し、上記ＲＦ加熱コイル
の出力を短時間で急峻に上昇させた場合には、上記サセ
プターの上記第１のブロックのみが上記第２のブロック
より先行的に短時間で加熱されて急峻に昇温し、一方、
上記ＲＦ加熱コイルの出力を短時間で急峻に下降させた
場合には、上記サセプターの上記第１のブロックのみが
上記第２のブロックにより先行的に短時間で降温して急
峻に降温し、上記ＲＦ加熱コイルの加熱力の大きさをパ
ルス状に大小変化させる切り換えタイミングに追随し
て、上記サセプターの上記第１のブロックならびに上記
第１のブロックに配置された上記基板の温度の高さがパ
ルス状に短時間で高低に変化されるようにしたものであ
る。

【００２３】また、本発明のうち請求項３に記載の発明
は、サセプターの温度を昇温または降温することにより
当該サセプターに配置された基板の温度を適宜に変化さ
せながら、当該基板上に物質層を形成する物質層形成装
置において、基板を配置する所定の熱容量より小さな第
１の熱容量を備える第１のブロックと、基板を配置しな
い上記所定の熱容量より大きな第２の熱容量を備える第
２のブロックと、所定の厚さを備えたスペーサーとを有
して構成され、上記第１のブロックと上記第２のブロッ
クとが上記スペーサーを介して連結され、上記第１のブ
ロックと上記第２のブロックとは熱輻射により緩やかに
熱的結合されるサセプターと、上記サセプターを加熱
し、パルス状に温度を昇温及び降温可能なＲＦ加熱コイ
ルとを有し、上記ＲＦ加熱コイルが連続加熱して定常加
熱状態の場合は、上記サセプターの上記第２のブロック
からの熱輻射により上記第１のブロックが加熱されて、
系全体が熱輻射による緩い熱的結合を介して温度制御さ
れ、上記ＲＦ加熱コイルの加熱力の大きさがパルス状に
大小変化し、上記ＲＦ加熱コイルの出力を短時間で急峻
に上昇させた場合には、上記サセプターの上記第１のブ
ロックのみが上記第２のブロックより先行的に短時間で
加熱されて急峻に昇温し、一方、上記ＲＦ加熱コイルの
出力を短時間で急峻に下降させた場合には、上記サセプ
ターの上記第１のブロックのみが上記第２のブロックに
より先行的に短時間で降温して急峻に降温し、上記ＲＦ
加熱コイルの加熱力の大きさをパルス状に大小変化させ
る切り換えタイミングに追随して、上記サセプターの上
記第１のブロックならびに上記第１のブロックに配置さ
れた上記基板の温度の高さがパルス状に短時間で高低に
変化されるようにしたものである。

【００２４】

【００２５】

【００２６】従って、本発明のうち請求項１に記載の発
明、本発明のうち請求項２に記載の発明、本発明のうち
請求項３に記載の発明によれば、第１のブロックは熱容
量が小さいので、短時間で加熱されて急峻に昇温される
とともに、短時間で降温されることとなる。このため、
第１のブロックに配置された基板の温度を、短時間で急
峻に変化させることができるようになる。

【００２７】

【００２８】また、本発明のうち請求項４に記載の発明
のように、本発明のうち請求項１、請求項２または請求
項３のいずれか１項に記載の発明において、さらに、上
記第１のブロックに対して光を照射して加熱する光源と
を有するようにしてもよい。

【００２９】ここで、上記光源は、本発明のうち請求項
５に記載の発明のように、パルス状に点灯または消灯す
ることができる。

【００３０】また、本発明のうち請求項６に記載の発明
のように、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項
３、請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の発
明において、上記第１のブロックと上記第２のブロック
とは、カーボンにより形成され、上記第１のブロックの
体積は、上記第２のブロックの体積より小さいものとす
ることができる。

【００３１】また、本発明のうち請求項７に記載の発明
のように、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項
３、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項
に記載の発明において、上記第１のブロックと上記第２
のブロックとは、カーボンにより形成され、上記第１の
ブロックは薄板状に形成され、上記第２のブロックは厚
板状に形成されたものとすることができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明による物質層形成装置の実施の形態の一例に
ついて詳細に説明するものとする。

【００３３】なお、以下に説明する実施の形態において
は、本発明による物質層形成装置を、気相成長法を用い
て基板としての半導体ウエハー上に物質層としての半導
体結晶薄膜を形成する結晶成長装置として実施した場合
について説明する。

【００３４】また、以下における図３乃至図９を参照し
ながらの説明においては、図１乃至図２に示す構成と同
一または相当する構成に関しては、図３乃至図９におい
て図１乃至図２において用いた符号と同一の符号を用い
て示すことにより、その詳細な構成ならびに作用の説明
は省略する。

【００３５】まず、図３には、本発明による物質層形成
装置の第１の実施の形態の概念構成説明図が示されてい
る。この第１の実施の形態は、上記したように、本発明
による物質層形成装置を結晶成長装置として実施したも
のであるが、図１乃至図２に示す結晶成長装置とは、サ
セプターの構成が異なっている。

【００３６】即ち、この第１の実施の形態における結晶
成長装置１０のサセプター１２は、図４に示すように、
第１ブロック１２ａと第２ブロック１２ｂとに分割され
ており、これら第１ブロック１２ａと第２ブロック１２
ｂとがスペーサー１４を介して連結されていて、全体と
して略長方体形状を備えている。なお、第１ブロック１
２ａと第２ブロック１２ｂとスペーサー１４とは、それ
ぞれカーボンなどにより形成されているものである。

【００３７】ここで、サセプター１２についてさらに詳
細に説明すると、第１ブロック１２ａは厚さの薄い薄板
形状（例えば、厚さは１０ｍｍ以下である。）を備えて
おり、第２ブロック１２ｂよりも熱容量が小さくなるよ
うに設定されている。

【００３８】なお、第１ブロック１２ａの上面１２ａａ
には、半導体ウエハー１０６を配置するための凹形状の
保持部１２ａｂが形成されている。

【００３９】また、第１ブロック１２ａ内には、第１ブ
ロック１２ａの温度をモニターするための熱電対（図示
せず）が埋め込まれている。

【００４０】一方、第２ブロック１２ｂは厚さの厚い厚
板形状（例えば、厚さは１５ｍｍ以上である。）を備え
ており、第１ブロック１２ａよりも熱容量が大きくなる
ように設定されている。

【００４１】なお、第１ブロック１２ａと第２ブロック
１２ｂとの大きさは、例えば、第１ブロック１２ａの体
積が第２ブロック１２ｂの体積の３分の１（１／３）以
下程度となるような大きさとすることが好ましい。この
ように、第１ブロック１２ａの体積を第２ブロック１２
ｂの体積の３分の１（１／３）以下程度とすると、第１
ブロック１２ａの熱容量が第２ブロック１２ｂの熱容量
の３分の１（１／３）以下程度の大きさとなる。

【００４２】さらに、スペーサー１４は、所定の厚さｔ
（例えば、厚さは１０ｍｍ以下である。）を備えた四角
柱状体である。

【００４３】そして、第１ブロック１２ａと第２ブロッ
ク１２ｂとの間にスペーサー１４を挟むようにして、第
１ブロック１２ａと第２のブロック１２ｂとスペーサー
１４とを連結するものである。なお、スペーサー１４
は、第１ブロック１２ａ（第２ブロック１２ｂ）の対向
する２つの端辺部に配置される。

【００４４】従って、このサセプター１２においては、
第１ブロック１２ａと第２ブロック１２ｂとが所定の間
隙ｇ（所定の間隙ｇ＝所定の厚さｔ）を有するように離
隔して配置されるものであり、第１ブロック１２ａと第
２ブロック１２ｂとは熱輻射により緩やかに熱的結合さ
れるものである。

【００４５】以上の構成において、サセプター１２の第
１ブロック１２ａの保持部１２ａｂに配置された半導体
ウエハー１０６上に所望の半導体結晶薄膜を形成するた
めには、当該所望の半導体結晶薄膜を形成するために必
要な原料となる原料ガスを、ガス導入孔１０４ａから結
晶成長反応炉１０４内へ供給する。

【００４６】この際に、第１ブロック１２ａ内ならびに
第２ブロック１２ｂ内に埋め込まれた熱電対（図示せ
ず）のモニターに基づいて、ＲＦ制御装置１１２により
制御されたＲＦ電源１１０からの給電に応じて、ＲＦ加
熱コイル１０２によって、サセプター１２の第１ブロッ
ク１２ａおよび第２ブロック１２ｂは加熱されている。

【００４７】ここで、サセプター１２においては、ＲＦ
加熱コイル１０２の連続加熱による定常加熱状態におい
ては、第２ブロック１２ｂからの熱輻射により第１ブロ
ック１２ａが加熱されて、系全体が熱輻射という弱い熱
的結合を介して温度制御されることとなり、「従来の技
術」の項において説明した従来のサセプターと同様な温
度安定性を備えているものである。

【００４８】こうしたサセプター１２の第１ブロック１
２ａからの熱伝導によって、半導体ウエハー１０６も最
適成長温度に加熱されることになる。

【００４９】このため、結晶成長反応炉１０４内に導入
された原料ガスは熱により分解、反応されて、半導体ウ
エハー１０６上に結晶成長により半導体結晶薄膜が形成
されることになる。

【００５０】ここで、この結晶成長装置１０を用いて半
導体ウエハー１０６上に異なる最適成長温度を持つ複数
の半導体結晶薄膜を交互に形成するために、第１ブロッ
ク１２ａ内ならびに第２ブロック１２ｂ内に埋め込まれ
た熱電対（図示せず）のモニターに基づいて、ＲＦ制御
装置１１２によりＲＦ電源１１０の出力を制御して、Ｒ
Ｆ電源１１０からＲＦ加熱コイル１０２への給電を制御
することにより、サセプター１２の第１ブロック１２ａ
および第２ブロック１２ｂの温度を一旦比較的低温状態
に保持するものとする。

【００５１】そして、その後に、再びＲＦ制御装置１１
２によりＲＦ電源１１０の出力を制御して、ＲＦ電源１
１０からＲＦ加熱コイル１０２への給電を制御すること
により、ＲＦ加熱コイル１０２の出力を短時間で急峻に
上昇させた場合には、サセプター１２に関しては熱容量
の小さな第１ブロック１２ａのみが先行的に短時間で加
熱されて急峻に昇温されることとなり、熱容量の大きな
第２ブロック１２ｂは「従来の技術」の項において説明
した従来のサセプターと同様にゆっくり昇温されること
になる。

【００５２】このため、第１ブロック１２ａのみがその
温度を短時間で急激に昇温させ、これにより半導体ウエ
ハー１０６の温度を異なる最適成長温度に短時間で急峻
に変化させることができるようになる（図５参照）。

【００５３】即ち、第１ブロック１２ａが昇温する際の
変化は短時間かつ急峻であり、「従来の技術」の項にお
いて説明した従来のサセプターと比較すると、格段に短
い時間で第１ブロック１２ａを昇温することができるも
のである。

【００５４】一方、第１ブロック１２ａを急激に短時間
で昇温した後において、第２ブロック１２ｂの温度がそ
れほど上昇しないうちに、再びＲＦ制御装置１１２によ
りＲＦ電源１１０の出力を制御して、ＲＦ電源１１０か
らＲＦ加熱コイル１０２への給電を制御することによ
り、ＲＦ加熱コイル１０２の出力を短時間で急峻に下降
させた場合には、第２ブロック１２ｂの温度がそれほど
上昇していなくて第１ブロック１２ａへの熱輻射が弱い
ことと、第１ブロック１２ａの熱容量が小さいことか
ら、第１ブロック１２ａのみが先行的に短時間で降温さ
れることとなり、第１ブロック１２ａのみがその温度を
短時間で急激に降温させ、これにより半導体ウエハー１
０６の温度を異なる最適成長温度に短時間で急峻に変化
させることができるようになる（図５参照）。

【００５５】即ち、第１ブロック１２ａが降温する際の
変化も短時間かつ急峻であり、「従来の技術」の項にお
いて説明した従来のサセプターと比較すると、格段に短
い時間で第１ブロック１２ａを降温することができる。

【００５６】従って、ＲＦ制御装置１１２によりＲＦ電
源１１０の出力の大きさをパルス状に大小交互に切り換
えて、ＲＦ加熱コイル１０２の加熱力の大きさをパルス
状に大小変化させることにより、こうした切り換えタイ
ミングに極めて追従するようにして、第１ブロック１２
ａならびに半導体ウエハー１０６の温度の高さをパルス
状に短時間で高低に変化させることができるものであ
る。

【００５７】なお、第１ブロック１２ａならびに半導体
ウエハー１０６の温度制御を行う際には、上記したよう
に第１ブロック１２ａと第２ブロック１２ｂとにはそれ
ぞれ熱電対（図示せず）が埋め込まれているので、これ
らの熱電対をそれぞれ個別にモニターすることにより第
１ブロック１２ａと第２ブロック１２ｂとの温度をそれ
ぞれ個別に検出し、その検出結果に基づいてＲＦ制御装
置１１２によりＲＦ電源１１０の出力を制御して、適宜
の温度制御を行うようにすればよい。

【００５８】次に、図６には、本発明による物質層形成
装置の第２の実施の形態の概念構成説明図が示されてい
る。この第２の実施の形態による結晶成長装置２０は、
第１ブロック１２ａならびに半導体ウエハー１０６を加
熱する加熱手段として、ＲＦ加熱コイル１０２に加え
て、光を照射する外部加熱用光源たる光源２２を設ける
ようにしたものである。

【００５９】この光源２２は、点灯／消灯制御装置２４
によって、その点灯ならびに消灯が制御されるものであ
る。

【００６０】なお、光源２４としては、例えば、レーザ
ーやランプなどを用いることができる。

【００６１】従って、この結晶成長装置２０において
は、第１ブロック１２ａならびに半導体ウエハー１０６
の温度を短時間で急激に昇温させる際に、点灯／消灯制
御装置２４の制御によって光源２２を点灯すると、その
光源２２の光照射に伴う熱エネルギーが相乗されること
によって、第一の実施の形態の場合よりも第１ブロック
１２ａならびに半導体ウエハー１０６を一層短時間で昇
温させることができる。

【００６２】なお、上記した第１の実施の形態ならびに
第２の実施の形態においては、第１ブロック１２ａは熱
容量が小さい分、温度安定性は低下することになるが、
量子井戸などの薄膜形成時における瞬時の温度変化が必
要とされる際には、そうした温度の不安定性は薄膜形成
に大きな影響を与えることはない。

【００６３】また、通常の定常状態による薄膜形成の際
には、上記したように、第１ブロック１２ａは第２ブロ
ック１２ｂとの熱輻射による熱的結合により温度制御さ
れるので、十分な温度安定性を得ることができる。

【００６４】ここで、上記した各実施の形態を用いて、
実際に半導体の結晶成長させる場合の処理について説明
する。

【００６５】まず、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ系量子井戸
構造を形成する場合について、図７を参照しながら説明
する。

【００６６】即ち、緑色ＬＥＤや青色ＬＥＤなどの活性
層に利用されるＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの取り込み率の確
保のために、ＩｎＧａＮ層よりもバンドエネルギーが大
きなＧａＮ層ならびにＡｌＧａＮ層よりかなり低温で結
晶成長させる必要がある。即ち、ＩｎＧａＮ層の最適成
長温度は、ＧａＮ層ならびにＡｌＧａＮ層のそれよりも
かなり低温である。

【００６７】さらに、ＩｎＧａＮ層に関しての結晶成長
後における昇温プロセスは、量子井戸層、障壁層間の原
子の相互拡散を誘発するため望ましくない。

【００６８】このため、従来には、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ
層の結晶成長に最適な温度で結晶成長は行われ、キャリ
ア閉じ込め層たるＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層に対しては決
して最適な成長温度で結晶成長が行われてはいなかっ
た。

【００６９】従って、従来においては、キャリア閉じ込
め層として、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｙ＜ｘ）なる最適成
長温度が低いキャリア閉じ込め層を用いるか、最適温度
をはずしてＧａＮあるいはＡｌＧａＮによりキャリア閉
じ込め層を結晶成長させるといった手法をとらざるを得
なかった。

【００７０】しかしながら、キャリア閉じ込め層として
Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｙ＜ｘ）を用いる場合には、組成
変化の度合いが少ないために閉じ込めエネルギー差が少
なく温度特性が悪化し、また、キャリア閉じ込め層とし
てＧａＮあるいはＡｌＧａＮを用いる場合には、結晶品
質が悪化し所望の特性を出せないという問題を生じてい
る。

【００７１】ところが、上記した第１の実施の形態ある
いは第２の実施の形態を用いて、基板の温度制御を瞬時
に行う場合には、高温における滞在時間が上記した従来
の手法より格段に短くなり、量子井戸層、障壁層間の原
子の相互拡散が抑制でき、所望の構造が保たれた形でな
おかつ最適成長温度が実現でき高品質化が望める。

【００７２】次に、Ｍｇドーピング層を形成する場合に
ついて、図８を参照しながら説明する。

【００７３】即ち、Ｍｇによるｐ型ドーピングにはＣｐ
_２Ｍｇという有機金属ガスが用いられる。この分解を促
進するには比較的高温の成長条件が要求されるが、一般
的にＬＥＤ、レーザーなどの発光素子では、既に下地に
ＩｎＡｌＧａＮ系量子井戸構造が存在する。そのため、
量子井戸構造内での原子の相互拡散を抑制する必要があ
り、Ｍｇドープ層の成長温度を十分に上げることができ
ない。

【００７４】従来においては、成長後ポストアニールと
いった形で、昇温プロセスを経てデバイス化するのだ
が、上記した第１の実施の形態あるいは第２の実施の形
態を用いて、基板の温度制御を結晶成長中において瞬時
に行う場合には、ポストアニールのプロセスを行う必要
がなくなるとともに、ｐ型層の高品質化を図ることがで
きるようになる。

【００７５】次に、本願出願人が特願平１１−３５４５
６３号「半導体層の形成方法」として出願した、ＧａＮ
などのＩＩＩ族窒化物半導体の貫通転移を抑制する転移
抑制物質であるＴＥＳｉを供給する場合について、図９
を参照しながら説明する。

【００７６】即ち、本願出願人が特願平１１−３５４５
６３号「半導体層の形成方法」として出願したように、
ＩＩＩ族窒化物半導体の貫通転位を抑制するには、転移
抑制物質たるＴＥＳｉの供給量の制御を非常に厳密に行
う必要がある。

【００７７】ところで、下地層の成長温度と同じ温度で
ＴＥＳｉが供給されると、ＴＥＳｉの温度による分解を
経てＳｉが結晶表面に取り込まれることとなってしま
う。

【００７８】しかしながら、基板上におけるＳｉの取り
込み量の微妙な違いが面分布として生じると、結晶品質
の安定を妨げることになる。

【００７９】こうした基板上におけるＳｉの取り込み量
の違いが面分布として生じないようにするためには、い
ったん低温（例えば、６００℃以下)まで基板温度を下
げてＴＥＳｉを吸着させるようにすればよい。この場合
には、Ｓｉは１個のエチル基がくっついた状態で基板表
面に吸着し、このエチル基のせいでＳｉが２モノレイヤ
ー以上付着しないという現象（自己終端作用）が起こ
る。この状態から、基板温度を上昇させると、残留して
いたエチル基がはずれてＳｉの１モノレイヤー吸着が完
了する。しかし、昇温プロセスに時間がかかると、下地
層より窒素の脱離が生じ結晶の品質が著しく劣化してし
まう。

【００８０】ところが、上記した第１の実施の形態ある
いは第２の実施の形態を用いて、基板の昇温プロセスを
瞬時に行う場合には、この窒素抜けを防ぎながらＴＥＳ
ｉの分解を促すので、結晶の品質を保持したまま高度に
転位抑制物質の吸着量を均質に制御することが可能とな
る。

【００８１】なお、上記した実施の形態は、以下の
（１）乃至（１１）に説明するように変形することがで
きる。

【００８２】（１）上記した実施の形態においては、本
発明による物質層形成装置を結晶成長装置として実施し
た場合について説明したが、これに限られるものではな
いことは勿論であり、基板の温度を適宜に変化させなが
ら当該基板上に物質層を形成する各種の装置、例えば、
分子線エピタキシー装置、ハイドライド気相エピタキシ
ー装置などとして実施してもよいことは勿論である。

【００８３】（２）上記した実施の形態においては、サ
セプター１２の第１ブロック１２ａ、サセプター１２の
第２ブロック１２ｂならびにスペーサー１４はカーボン
により形成されるものとしたが、これに限られるもので
はないことは勿論であり、サセプター１２の第１ブロッ
ク１２ａ、サセプター１２の第２ブロック１２ｂならび
にスペーサー１４を、それぞれ適宜の材料、例えば、高
融点金属材料であるタングステン、モリブデン、タンタ
ルなどにより形成してもよいことは勿論である。

【００８４】（３）上記した実施の形態においては、サ
セプター１２の第１ブロック１２ａとサセプター１２の
第２ブロック１２ｂとスペーサー１４とをそれぞれ別体
として形成して連結するようにしたが、これに限られる
ものではないことは勿論であり、サセプター１２の第１
ブロック１２ａとサセプター１２の第２ブロック１２ｂ
とスペーサー１４とを一体成形してもよいし、また、サ
セプター１２の第１ブロック１２ａあるいはサセプター
１２の第２ブロック１２ｂのいずれかにスペーサー１４
を突出形成するようにして、スペーサー１４を突出形成
されたサセプター１２の第１ブロック１２ａあるいはサ
セプター１２の第２ブロック１２ｂと、スペーサー１４
を突出形成されていないサセプター１２の第１ブロック
１２ａあるいはサセプター１２の第２ブロック１２ｂと
を、それぞれ連結するようにしてもよい。

【００８５】（４）上記した実施の形態においては、サ
セプター１２はスペーサー１４を介して第１ブロック１
２ａと第２ブロック１２ｂとが所定の間隙を有して連結
されるようにしたが、これに限られるものではないこと
は勿論であり、スペーサー１４を用いることなしに、外
部の支持部材によって第１ブロック１２ａと第２ブロッ
ク１２ｂとを所定の間隙を有して支持するようにしても
よい。サセプター１４は、要するに、基板を配置する所
定の熱容量より小さな熱容量の第１ブロック１２ａと、
基板を配置しない所定の熱容量より大きな熱容量の第２
ブロック１２ｂとが、所定の間隙を有するように離隔し
て配置され、第１ブロック１２ａと第２ブロック１２ｂ
との間が熱輻射により弱く熱結合をしているようになさ
れていればよい。

【００８６】また、第１ブロック１２ａの熱容量の基準
となる所定の熱容量と、第２ブロック１２ｂの熱容量の
基準となる所定の熱容量とは、それぞれ同一の値であっ
てもよいし、それぞれ異なる値であってよいが、これら
所定の熱容量は、装置の規模によって適宜に変化するも
のである。

【００８７】なお、第１ブロック１２ａの熱容量の基準
となる所定の熱容量とは、第１ブロック１２ａを所望の
短時間で急峻に昇温ならびに降温可能なほどの熱容量で
ある。

【００８８】一方、第２ブロック１２ｂの熱容量の基準
となる所定の熱容量とは、第２ブロック１２ｂを所望の
短時間で急峻に昇温ならびに降温可能なほどの熱容量で
もよいが、第２ブロック１２ｂを所望の時間（例えば、
第１ブロック１２ａが急峻に昇温ならびに降温する時間
よりも長い時間である。）で昇温ならびに降温可能なほ
どの熱容量であることが好ましい。

【００８９】（５）上記した実施の形態においては、サ
セプター１２の第１ブロック１２ａとサセプター１２の
第２ブロック１２ｂとを同一の材料により形成し、第１
ブロック１２ａを薄板状に形成するとともに第２ブロッ
ク１２ｂを厚板状に形成して、第１ブロック１２ａを第
２ブロック１２ｂよりも薄く形成して小型化することに
より、第１ブロック１２ａの体積が第２ブロック１２ｂ
の体積よりも小さくなるようにしてそれぞれの体積を異
ならせ、これにより第１ブロック１２ａの熱容量を第２
ブロック１２ｂの熱容量よりも小さくしたが、これに限
られるものではないことは勿論であり、材料を適宜に選
択することにより、第１ブロック１２ａの熱容量を第２
ブロック１２ｂの熱容量よりも小さくするようにしても
よい。

【００９０】この場合には、第２ブロック１２ｂの材料
としてカーボンを用いれば、第１ブロック１２ａの材料
として、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル
などを用いればよい。

【００９１】また、この際にも、第１ブロック１２ａの
熱容量の基準となる所定の熱容量と、第２ブロック１２
ｂの熱容量の基準となる所定の熱容量とは、それぞれ同
一の値であってもよいし、それぞれ異なる値であってよ
いが、これら所定の熱容量は、装置の規模によって適宜
に変化するものである。

【００９２】なお、第１ブロック１２ａの熱容量の基準
となる所定の熱容量とは、第１ブロック１２ａを所望の
短時間で急峻に昇温ならびに降温可能なほどの熱容量で
ある。

【００９３】一方、第２ブロック１２ｂの熱容量の基準
となる所定の熱容量とは、第２ブロック１２ｂを所望の
短時間で急峻に昇温ならびに降温可能なほどの熱容量で
もよいが、第２ブロック１２ｂを所望の時間（例えば、
第１ブロック１２ａが急峻に昇温ならびに降温する時間
よりも長い時間である。）で昇温ならびに降温可能なほ
どの熱容量であることが好ましい。

【００９４】（６）上記した実施の形態においては、サ
セプター１２は全体として略長方体形状として形成した
が、これに限られるものではないことは勿論であり、サ
セプター１２は全体として種々の形状（例えば、略立方
体形状、略円柱体形状など）として形成してもよい。

【００９５】（７）上記した実施の形態においては、サ
セプター１２の第１ブロック１２ａとサセプター１２の
第２ブロック１２ｂとを同一の材料により形成し、第１
ブロック１２ａを薄板状に形成するとともに第２ブロッ
ク１２ｂを厚板状に形成するようにしてそれぞれの厚さ
を変化させて、第１ブロック１２ａの厚さを第２ブロッ
ク１２ｂの厚さよりも薄く形成して小型化することによ
り、第１ブロック１２ａの体積が第２ブロック１２ｂの
体積よりも小さくなるようにしてそれぞれの体積を異な
らせ、これにより第１ブロック１２ａの熱容量を第２ブ
ロック１２ｂの熱容量よりも小さくしたが、これに限ら
れるものではないことは勿論である。

【００９６】即ち、第１ブロック１２ａの厚さと第２ブ
ロック１２ｂの厚さとを同一の厚さとするが、第１ブロ
ック１２ａの縦方向や横方向の長さを第２ブロック１２
ｂの縦方向や横方向の長さより小さくすることにより、
第１ブロック１２ａの体積が第２ブロック１２ｂの体積
よりも小さくなるようにしてそれぞれの体積を異なら
せ、これにより第１ブロック１２ａの熱容量を第２ブロ
ック１２ｂの熱容量よりも小さくしてもよい。

【００９７】また、第１ブロック１２ａの厚さならびに
縦方向や横方向の長さを、第２ブロック１２ｂの厚さな
らびに縦方向や横方向の長さより小さくすることによ
り、第１ブロック１２ａの体積が第２ブロック１２ｂの
体積よりも小さくなるようにしてそれぞれの体積を異な
らせ、これにより第１ブロック１２ａの熱容量を第２ブ
ロック１２ｂの熱容量よりも小さくしてもよい。

【００９８】（８）上記した実施の形態においては、ス
ペーサー１２は、第１ブロック１２ａ（第２ブロック１
２ｂ）の対向する２つの端辺部にのみ配置したが、これ
に限られるものではないことは勿論であり、例えば、第
１ブロック１２ａ（第２ブロック１２ｂ）の４つの端辺
部にスペーサー１２をそれぞれ配置してもよいし、ま
た、第１ブロック１２ａ（第２ブロック１２ｂ）の４つ
の角部に小型のスペーサー１２をそれぞれ配置してもよ
い。

【００９９】（９）上記した実施の形態においては、加
熱手段としてＲＦ加熱コイルを用いた渦電流誘起加熱法
の手法を用いたが、これに限られるものではないことは
勿論であり、加熱手段としては、例えば、抵抗加熱法な
どの手法を用いてもよい。

【０１００】（１０）上記した第２の実施の形態におい
ては、サセプターならびに半導体ウエハーの加熱手段と
してＲＦ加熱コイルと光源との両方を備えるようにした
が、これに限られるものではないことは勿論であり、Ｒ
Ｆ加熱コイルを備えることなく光源のみを備えるように
してもよい。

【０１０１】なお、ＲＦ加熱コイルを備えないようにし
た場合には、当然のことながら、ＲＦ電源やＲＦ電源を
制御するＲＦ制御装置も設ける必要はない。

【０１０２】（１１）上記した実施の形態ならびに上記
（１）乃至（１０）に示す変形例は、適宜に組み合わせ
るようにしてもよい。

【０１０３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、基板の温度を短時間で急峻に変化させるこ
とができるようにした物質層形成装置を提供することが
できるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の物質層形成装置としての結晶成長装置の
概念構成説明図である。

【図２】従来のサセプターの概念構成斜視図である。

【図３】本発明による物質層形成装置の第１の実施の形
態の概念構成説明図である。

【図４】本発明におけるサセプターの概念構成斜視図で
ある。

【図５】サセプターの温度変化を示す模式図である。

【図６】本発明による物質層形成装置の第２の実施の形
態の概念構成説明図である。

【図７】ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ系量子井戸構造を形成
する際のシーケンスを示す説明図である。

【図８】Ｍｇドーピング層を形成する際のシーケンスを
示す説明図である。

【図９】窒化ガリウムの貫通転移を抑制する転移抑制物
質であるＴＥＳｉを供給する際のシーケンスを示す説明
図である。

【符号の説明】

１０、２０、１００ 結晶成長装置 １２、１０８ サセプター １２ａ 第１ブロック １２ｂ 第２ブロック １２ａａ、１０８ａ 上面 １２ａｂ、１０８ｂ 保持部 １４ スペーサー ２２ 光源 ２４ 点灯／消灯制御装置 １０２ ＲＦ加熱コイル １０４ 結晶成長反応炉 １０４ａ ガス導入孔 １０４ｂ ガス排出孔 １０６ 半導体ウエハー １１０ ＲＦ電源 １１２ ＲＦ制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2001−135582（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−277885（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−315263（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−145123（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サセプターの温度を昇温または降温する
   ことにより該サセプターに配置された基板の温度を適宜
   に変化させながら、該基板上に物質層を形成する物質層
   形成装置において、 基板を配置する所定の熱容量より小さな第１の熱容量を
   備える第１のブロックと、基板を配置しない前記所定の
   熱容量より大きな第２の熱容量を備える第２のブロック
   とを有して構成され、前記第１のブロックと前記第２の
   ブロックとが所定の間隙を有して離隔して配置され、前
   記第１のブロックと前記第２のブロックとは熱輻射によ
   り緩やかに熱的結合されるサセプターと、 前記サセプターを加熱し、パルス状に温度を昇温及び降
   温可能なＲＦ加熱コイルと、 前記サセプターの前記第１のブロックと前記第２のブロ
   ックとの温度をそれぞれ個別に検出する検出手段と、 前記検出手段の検出結果に基づいて、前記ＲＦ加熱コイ
   ルが連続加熱するように前記ＲＦ加熱コイルへの給電を
   制御し、前記ＲＦ加熱コイルの加熱力の大きさがパルス
   状に大小変化するように前記ＲＦ加熱コイルへの給電を
   制御する制御手段とを有し、 前記制御手段によって、前記検出手段の検出結果に基づ
   いて前記ＲＦ加熱コイルへの給電が制御され、 前記ＲＦ加熱コイルが連続加熱して定常加熱状態の場合
   は、前記サセプターの前記第２のブロックからの熱輻射
   により前記第１のブロックが加熱されて、系全体が熱輻
   射による緩い熱的結合を介して温度制御され、 前記ＲＦ加熱コイルの加熱力の大きさがパルス状に大小
   変化し、前記ＲＦ加熱コイルの出力を短時間で急峻に上
   昇させた場合には、前記サセプターの前記第１のブロッ
   クのみが前記第２のブロックより先行的に短時間で加熱
   されて急峻に昇温し、一方、前記ＲＦ加熱コイルの出力
   を短時間で急峻に下降させた場合には、前記サセプター
   の前記第１のブロックのみが前記第２のブロックにより
   先行的に短時間で降温して急峻に降温し、前記ＲＦ加熱
   コイルの加熱力の大きさをパルス状に大小変化させる切
   り換えタイミングに追随して、前記サセプターの前記第
   １のブロックならびに前記第１のブロックに配置された
   前記基板の温度の高さがパルス状に短時間で高低に変化
   されるものである物質層形成装置。
2. 【請求項２】 サセプターの温度を昇温または降温する
   ことにより該サセプターに配置された基板の温度を適宜
   に変化させながら、該基板上に物質層を形成する物質層
   形成装置において、 基板を配置する所定の熱容量より小さな第１の熱容量を
   備える第１のブロックと、基板を配置しない前記所定の
   熱容量より大きな第２の熱容量を備える第２のブロック
   とを有して構成され、前記第１のブロックと前記第２の
   ブロックとが所定の間隙を有して離隔して配置され、前
   記第１のブロックと前記第２のブロックとは熱輻射によ
   り緩やかに熱的結合されるサセプターと、 前記サセプターを加熱し、パルス状に温度を昇温及び降
   温可能なＲＦ加熱コイルとを有し、 前記ＲＦ加熱コイルが連続加熱して定常加熱状態の場合
   は、前記サセプターの前記第２のブロックからの熱輻射
   により前記第１のブロックが加熱されて、系全体が熱輻
   射による緩い熱的結合を介して温度制御され、 前記ＲＦ加熱コイルの加熱力の大きさがパルス状に大小
   変化し、前記ＲＦ加熱コイルの出力を短時間で急峻に上
   昇させた場合には、前記サセプターの前記第１のブロッ
   クのみが前記第２のブロックより先行的に短時間で加熱
   されて急峻に昇温し、一方、前記ＲＦ加熱コイルの出力
   を短時間で急峻に下降させた場合には、前記サセプター
   の前記第１のブロックのみが前記第２のブロックにより
   先行的に短時間で降温して急峻に降温し、前記ＲＦ加熱
   コイルの加熱力の大きさをパルス状に大小変化させる切
   り換えタイミングに追随して、前記サセプターの前記第
   １のブロックならびに前記第１のブロックに配置された
   前記基板の温度の高さがパルス状に短時間で高低に変化
   されるものである物質層形成装置。
3. 【請求項３】 サセプターの温度を昇温または降温する
   ことにより該サセプターに配置された基板の温度を適宜
   に変化させながら、該基板上に物質層を形成する物質層
   形成装置において、 基板を配置する所定の熱容量より小さな第１の熱容量を
   備える第１のブロックと、基板を配置しない前記所定の
   熱容量より大きな第２の熱容量を備える第２のブロック
   と、所定の厚さを備えたスペーサーとを有して構成さ
   れ、前記第１のブロックと前記第２のブロックとが前記
   スペーサーを介して連結され、前記第１のブロックと前
   記第２のブロックとは熱輻射により緩やかに熱的結合さ
   れるサセプターと、 前記サセプターを加熱し、パルス状に温度を昇温及び降
   温可能なＲＦ加熱コイルとを有し、 前記ＲＦ加熱コイルが連続加熱して定常加熱状態の場合
   は、前記サセプターの前記第２のブロックからの熱輻射
   により前記第１のブロックが加熱されて、系全体が熱輻
   射による緩い熱的結合を介して温度制御され、 前記ＲＦ加熱コイルの加熱力の大きさがパルス状に大小
   変化し、前記ＲＦ加熱コイルの出力を短時間で急峻に上
   昇させた場合には、前記サセプターの前記第１のブロッ
   クのみが前記第２のブロックより先行的に短時間で加熱
   されて急峻に昇温し、一方、前記ＲＦ加熱コイルの出力
   を短時間で急峻に下降させた場合には、前記サセプター
   の前記第１のブロックのみが前記第２のブロックにより
   先行的に短時間で降温して急峻に降温し、前記ＲＦ加熱
   コイルの加熱力の大きさをパルス状に大小変化させる切
   り換えタイミングに追随して、前記サセプターの前記第
   １のブロックならびに前記第１のブロックに配置された
   前記基板の温度の高さがパルス状に短時間で高低に変化
   されるものである物質層形成装置。
4. 【請求項４】 請求項１、請求項２または請求項３のい
   ずれか１項に記載の物質層形成装置において、さらに、
   前記第１のブロックに対して光を照射して加熱する光源
   とを有するものである物質層形成装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の物質層形成装置におい
   て、 前記光源は、パルス状に点灯または消灯するものである
   物質層形成装置。
6. 【請求項６】 請求項１、請求項２、請求項３、請求項
   ４または請求項５のいずれか１項に記載の物質層形成装
   置において、 前記第１のブロックと前記第２のブロックとは、カーボ
   ンにより形成され、 前記第１のブロックの体積は、前記第２のブロックの体
   積より小さいものである物質層形成装置。
7. 【請求項７】 請求項１、請求項２、請求項３、請求項
   ４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の物
   質層形成装置において、 前記第１のブロックと前記第２のブロックとは、カーボ
   ンにより形成され、 前記第１のブロックは薄板状に形成され、 前記第２のブロックは厚板状に形成されたものである物
   質層形成装置。