半導体基板温度測定装置およびこれを含む半導体デバイス製造装置、並びに、半導体基板の温度測定方法および半導体デバイスの製造方法
【課題】半導体基板の温度を高精度かつ高い再現性で測定する。
【解決手段】本発明に係る半導体基板温度測定装置を含む半導体デバイス製造装置であるＭＢＥ装置２０は、半導体基板の温度を測定する半導体基板温度測定装置において、基板２において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、基板２の温度を算出する基板温度演算装置１１を備え、基板温度演算装置１１は、散乱光のスペクトル基づき算出した基板２の温度を、基板２のドーパント濃度に基づいて補正する。
【解決手段】本発明に係る半導体基板温度測定装置を含む半導体デバイス製造装置であるＭＢＥ装置２０は、半導体基板の温度を測定する半導体基板温度測定装置において、基板２において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、基板２の温度を算出する基板温度演算装置１１を備え、基板温度演算装置１１は、散乱光のスペクトル基づき算出した基板２の温度を、基板２のドーパント濃度に基づいて補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板温度測定装置およびこれを含む半導体デバイス製造装置、並びに、半導体基板の温度測定方法および半導体デバイスの製造方法に関し、詳細には、半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づき補正する半導体基板温度測定装置およびこれを含む半導体デバイス製造装置、並びに、半導体基板の温度測定方法および半導体デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザー、発光ダイオードに代表される半導体デバイスの製造における半導体結晶の形成方法として、エピタキシャル成長法が広く用いられている。エピタキシャル成長法は、半導体基板上に、半導体材料を結晶化させることにより薄膜を成長させる方法である。その中でも、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、および、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が注目されている。上記の両方法によれば、極めて薄い結晶膜および複雑な多層構造膜を形成することが可能である。
【０００３】
これらエピタキシャル成長法では、半導体基板の表面において結晶成長が行われる。結晶成長の際、上記半導体基板の表面温度は半導体材料原子の吸着および結晶化に大きな影響を与える。つまり、半導体基板の表面温度は、半導体結晶のエピタキシャル成長における重要な条件因子である。したがって、半導体基板の表面温度を正確に、再現性良く測定および制御するための半導体基板の温度測定方法は、結晶成長技術にとって不可欠である。
【０００４】
従来、半導体基板の温度測定方法として種々の方法が開示されている。広く用いられている半導体基板の温度測定法として、（i）熱電対を用いる方法である熱電対法、（ii）赤外線を用いる方法である赤外線法を挙げることができる。
【０００５】
ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法などの半導体基板上に半導体結晶を成長させる装置において、半導体基板の温度を測定するための熱電対法、赤外線法について図８、図９を用いて説明する。
【０００６】
（i）熱電対法
図８は、従来の熱電対法に係る半導体結晶製造装置１００の断面図を示している。半導体結晶製造装置１００には、半導体基板を保持する基板保持装置１０１上に半導体基板１０２が備えられており、さらに、半導体基板１０２を加熱するための加熱ヒータ１０４が、半導体基板１０２の上方に設置されている。また、半導体基板１０２と加熱ヒータ１０４との間であり、半導体基板１０２の中心部分の上方には、半導体基板１０２の温度を測定するための熱電対１０３が設置されている。
【０００７】
この熱電対１０３で測定された温度は、温度調節器１１４に伝えられる。温度調節器１１４は、測定された温度が予め設定された温度になるように、ヒータ電源装置１１５から加熱ヒータ１０４に供給される電力量を調節する。
【０００８】
熱電対法の問題点は、測定される温度と、実際の半導体基板の表面の温度とに生じる誤差が大きいという点である。半導体基板に熱電対を接着させる方法もあるが、半導体基板が損傷する問題があり、半導体デバイスの製造には適用が困難である。
【０００９】
（ii）赤外線法
図９は、従来の赤外線法に係る半導体結晶製造装置２００の断面図を示している。半導体結晶製造装置２００には、半導体基板を保持する基板保持装置２０１ａ上に半導体基板２０２が備えられており、さらに、半導体基板２０２を加熱するための加熱ヒータ２０４が、半導体基板２０２の上方に設置されている。半導体基板２０２の下方に示す矢印の方向には、真空容器２０１ｂの内部に観察窓であるビューポート２０８が備えられている。真空容器２０１ｂの外側には、放射温度計２０９が備えられており、ビューポート２０８を介して、半導体基板２０２から放射される赤外線放射量が測定される。このようにして測定された赤外線放射量を温度に換算することにより、半導体基板２０２の温度が測定される。
【００１０】
赤外線法については、被処理体（半導体基板）ごとに抵抗値またはドーパント濃度が変化することによって、被処理体ごとの輻射率が変化し、輻射率の変化に起因して放射温度計の測定値と、実際の被処理体の温度との間に誤差が生じる。そのため、基板の正確な温度を測定することが困難である。この問題点を解決するために、例えば、特許文献１に基板温度の補正方法が開示されている。上記基板温度の補正方法は、放射温度計によって測定される基板の温度を、輻射率の変化に基づき補正する方法である。
【００１１】
しかしながら、赤外線法の他の問題点としては、測定する赤外線の量を絶対量で測定するため、ビューポート２０８の汚れによって測定値に誤差が生じる点や、基板保持装置２０１ａ内の加熱源などから放射される光の影響を受ける問題点がある。赤外線法においては、この点が大きなデメリットである。
【００１２】
上述した半導体基板温度の測定方法の問題点を解決する方法として、半導体基板の表面に光を照射し、半導体表面からの反射光または散乱光のスペクトルデータから半導体基板表面の温度を測定する方法が挙げられる。
【００１３】
具体例として、特許文献２には、半導体基板表面に光を照射し、半導体基板の表面からの反射光強度を測定して反射スペクトルデータを求め、反射スペクトルデータから推定される半導体基板のバンドギャップと、予め蓄積された半導体基板材料のバンドギャップに関する温度依存性の既知データとを照合して、半導体基板表面の温度を求める基板表面温度の測定方法が開示されている。
【００１４】
さらに、特許文献３には、半導体基板表面に光を照射し、その光の半導体基板表面における散乱光を測定してスペクトルデータを求め、この散乱光のスペクトルデータと半導体基板材料のバンドギャップに起因する吸収波長の温度特性に基づく既知データとを照合して、半導体基板表面の温度を求める温度測定方法が示されている。特許文献３の温度測定方法は、特許文献２より簡易な光学系であり、より高い精度の基板温度測定を実現することが可能である。
【００１５】
特許文献２および３に開示された基板温度の測定方法では、共にスペクトル分析から得られる波長の値に基づき温度測定が行われる。そのため、ビューポートの汚れ、真空容器内の加熱装置などからの光などの外乱の影響を受けにくく、測定温度には誤差が生じにくいという利点がある。
【００１６】
また、温度に敏感な半導体基板のバンドギャップの温度依存性データを使用するため、測定精度が高くなる。このため、上述した電対法および赤外線法よりも高精度で、再現性が高い基板温度測定を実現している。
【特許文献１】特開平９−２４６２００号公報（平成９年９月１９日公開）
【特許文献２】特開平２−２１２７２５号公報（平成２年８月２３日公開）
【特許文献３】特開２００６−１８９２６１号公報（平成１８年７月２０日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上記従来の反射光または散乱光のスペクトル分析による半導体基板の温度測定方法では、正確な半導体基板の表面温度を測定することが困難であるという問題点を有している。
【００１８】
具体的に説明すると、発明者らの調査により、従来の反射光または散乱光のスペクトル分析による半導体基板の温度測定方法では、輻射率の変化によって測定温度の誤差は生じないものの、半導体基板のドーパント濃度に依存して、測定される半導体基板温度において許容し難い誤差が生じることが確認された。
【００１９】
一方、半導体デバイスの製造工程で使用される半導体基板は、１つの半導体結晶（インゴット）を所望のサイズに切り出して加工する方法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法などで一枚ずつ結晶成長させる方法などで製造されているが、半導体基板ごとのドーパント濃度は一定ではなく、ある程度のばらつきがあることが知られている。
【００２０】
このため、半導体デバイスの量産製造工程などで結晶成長装置に導入される半導体基板のドーパント濃度が一定でないため、上述した基板温度測定において測定される半導体基板ごとに測定された半導体基板の温度に誤差が生じる。すなわち、温度測定の精度、再現性が共に悪化するために、高品質な半導体結晶を高い歩留りで製造することは困難となってしまう。
【００２１】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、半導体基板の温度を高精度かつ高い再現性で測定することができる半導体基板温度測定装置およびこれを含む半導体デバイス製造装置、並びに、半導体基板の温度測定方法および半導体デバイスの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の半導体基板温度測定装置は、上記課題を解決するために、半導体基板の温度を測定する半導体基板温度測定装置において、半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、半導体基板の温度を算出する基板温度演算手段を備え、基板温度演算手段は、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正することを特徴としている。
【００２３】
上記の発明によれば、散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正することができる。すなわち、半導体基板のドーパント濃度に起因する温度誤差の影響を軽減し、半導体基板の温度を高精度かつ高い再現性で測定することができる半導体基板温度測定装置を提供することができる。
【００２４】
本発明の半導体基板温度測定装置は、基板温度演算手段が、予め測定された、半導体基板のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度との相関関係を蓄積したデータベース機構を備え、上記基板温度演算手段は、上記基板温度演算手段にて、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記データベース機構に蓄積された相関関係に基づいて補正することが好ましい。
【００２５】
上記の発明によれば、予めデータベース機構に上記相関関係を蓄積することができ、上記相関関係に基づき半導体基板の温度を補正することができる。散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記相関関係に基づき容易に補正することが可能となる。
【００２６】
本発明の半導体基板温度測定装置は、上記半導体基板のドーパント濃度と半導体基板のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度とが、半導体基板の温度を測定する温度において予め測定されたことが好ましい。
【００２７】
これにより、上記相関関係は、半導体基板の温度を測定する温度において予め測定された温度に係るものとなる。このため、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記相関関係に基づき、さらに正確に補正することが可能となる。
【００２８】
本発明の半導体基板温度測定装置は、上記基板温度演算手段は、上記基板温度演算手段にて、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記データベース機構に蓄積された相関関係から算出した温度に一致させるように補正することが好ましい。
【００２９】
上記基板温度演算手段は、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、相関関係から算出した温度に一致させるように補正するので、より一層正確に補正された半導体基板の温度を得ることができる。
【００３０】
本発明の半導体デバイス製造装置は、半導体基板に半導体結晶を成長させることによって半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造装置において、上記半導体基板温度測定装置を含むことが好ましい。
【００３１】
上記半導体デバイス製造装置は上記半導体基板温度測定装置を含むため、半導体基板の温度を高精度で測定でき、半導体基板上において半導体結晶の成長に適した温度条件で半導体デバイスを製造できる半導体デバイス製造装置を提供することができる。
【００３２】
本発明の半導体基板の温度測定方法は、上記課題を解決するために、半導体基板の温度を測定する半導体基板の温度測定方法において、半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、半導体基板の温度を算出する基板温度算出工程を含み、上記基板温度算出工程は、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、上記半導体基板のドーパント濃度に基づき補正することを特徴としている。
【００３３】
上記の発明によれば、散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正することができる。すなわち、半導体基板のドーパント濃度に起因する温度誤差の影響を軽減し、半導体基板の温度を高精度かつ高い再現性で測定することができる半導体基板の温度測定方法を提供することができる。
【００３４】
また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、半導体基板に半導体結晶を成長させることによって半導体デバイスを製造する半導体デバイスの製造方法において、上記半導体基板の温度測定方法によって測定した温度に基づき、上記半導体基板を加熱することが好ましい。
【００３５】
これにより、上記半導体基板の温度測定方法によって半導体基板の温度を高精度で測定できるので、半導体基板上において半導体結晶の成長に適した温度条件で半導体デバイスを製造することが可能である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の半導体基板温度測定装置は、以上のように、基板温度演算手段が、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正するものである。
【００３７】
それゆえ、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、上記半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正するので、半導体基板の温度をより高精度かつ高い再現性で測定することができるという効果を奏する。
【００３８】
また、本発明の半導体基板の温度測定方法は、半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、上記半導体基板の温度を算出する上記基板温度算出工程を含む半導体基板の温度測定方法において、上記基板温度算出工程において算出された上記半導体基板の温度を、上記半導体基板のドーパント濃度に基づき補正する方法である。
【００３９】
それゆえ、上記基板温度算出工程において算出された上記半導体基板の温度を、上記半導体基板のドーパント濃度に基づき補正するので、半導体基板の温度をより高精度かつ高い再現性で測定することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
（実施の形態１）
＜半導体基板温度測定装置＞
本発明の一実施形態について図１ないし図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。図１は、本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を有するＭＢＥ装置の全体構成図を示している。図１に示すＭＢＥ装置２０は、本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を含んでおり、半導体基板（以下適宜「基板」と省略する）の表面に半導体材料の結晶をエピタキシャル成長させるものである。なお、基板２の「表面」とは、図１においては基板２の下端面であり、「裏面」はその逆側の面となる。
【００４１】
図１に示すＭＢＥ装置２０は、真空容器１の内部上方に、基板２を保持するマニピュレータ３を備えている。また、マニピュレータ３の内部には、基板２を加熱するための加熱ヒータ４が備えられている。さらに、ＭＢＥ装置２０は、真空容器１の外部に、加熱ヒータ４の電源であるヒータ電源装置５およびヒータ電源装置５の温度を調節する温度制御装置１４を備えている。
【００４２】
マニピュレータ３は複数の基板２に均一に分子線を照射させるため、矢印Ａの方向に示すように回転する構成となっている。
【００４３】
基板２は、半導体結晶を成長させるために一般的に用いられる材質で形成されていればよく、特に限定されるものではない。なお、基板２は円形であり、６枚がマニピュレータ３に備えられているが、形状および枚数についても特に限定されるものではない。このように複数の基板２が備えられることによって、複数の基板２に複数の半導体結晶を同時に形成できる。
【００４４】
加熱ヒータ４は、ヒータ電源装置５からの電力供給を受けて発熱し、基板２を加熱するものである。加熱ヒータ４の制御については詳細に後述する。
【００４５】
真空容器１の下部の２箇所には、真空容器１の内部を光学的に観測するためのビューポート６およびビューポート８が備えられている。
【００４６】
なお、図示しないが、基板２には、半導体結晶の材料の分子線が照射される構成となっており、分子線が照射される面、すなわち、基板２の表面に半導体結晶が成長することとなる。
【００４７】
また、図示しないが、ＭＢＥ装置２０は図１に示す部材以外にも、エピタキシャル成長に必要となる、分子線セル、セルシャッター、半導体基板温度測定装置以外の真空計などの各種計測装置および排気装置等を備えている。
【００４８】
また、ＭＢＥ装置２０は以下で説明する本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を備えている。半導体基板温度測定装置は、基板２に向けて光を照射する光源装置７、基板２に照射された光が基板２によって散乱されて生じた散乱光を検出する検出装置９、検出装置９によって検出された散乱光のスペクトル分析を行うスペクトル分析器１０、このスペクトル分析器の結果から基板温度を算出する基板温度演算手段である基板温度演算装置１１、基板温度を算出する際に使用するデータを保管するデータベース機構であるデータベース装置１２、および、ＭＢＥ装置２０に導入された基板２のドーパント濃度を入力する入力装置１３を備えている。
【００４９】
具体的に以下に説明する。半導体基板温度測定装置を構成する光源装置７がビューポート６を介して、真空容器１の外側に設置されている。光源装置７は、基板２の表面に光を照射できるものであればよい。基板２の温度を測定する際に光源装置７から基板２に向けて照射される光としては、例えば、白色光を用いることができる。上記光は、基板２の表面およびマニピュレータ３の基板保持面上において所定の大きさのスポットを形成するように、光源装置７の備える光学系により集光される。上記スポットの大きさは、基板２の温度測定における位置分解能に影響を及ぼすので、できるだけ小さいことが好ましい。
【００５０】
なお、光源装置７の設置位置としては、基板２の表面に向けて、光を照射できる位置、すなわち、基板２が備えられている位置よりも下側の位置に備えられていればよい。光源装置７は、基板２の法線方向に対して傾いた方向から基板２に対して照射光を照射できるように真空容器１の外側に設けられている。
【００５１】
検出手段である検出装置９は、ビューポート８を介して、真空容器１の外側に設置されている。検出装置９は、基板２において散乱した散乱光のスペクトルを検出するためのものである。ここで、本実施の形態において、「基板２において散乱した散乱光」とは、基板２の表面でのみ散乱された光だけでなく、上述した基板２の内部において散乱され、基板２の表面を通過した光をも含む。また、検出装置９とスペクトル分析手段であるスペクトル分析器１０とが接続されている。
【００５２】
さらに、スペクトル分析器１０とコンピュータ１５とが接続されている。コンピュータ１５は、基板温度演算手段である基板温度演算装置１１、データベース機構であるデータベース装置１２、基板２のドーパント濃度データを基板温度演算装置１１に入力する入力装置１３およびヒータ電源装置に制御信号を出力する温度制御装置１４を備えている。
【００５３】
スペクトル分析器１０は、コンピュータ１５内の基板温度演算装置１１と接続されている。基板温度演算装置１１は、基板２の温度を、スペクトル分析器１０によって分析されたスペクトル結果に基づき算出する構成を有している。さらに、基板温度演算装置１１は算出された基板２の温度を補正する構成をも有している。このように、基板温度演算装置は、２つの構成を有しているが、基板２の温度を補正する構成のみを、例えば基板温度補正装置として、別個の装置とする構成であってもよい。
【００５４】
データベース装置１２および入力装置１３は、基板温度演算装置１１とそれぞれ接続されている。データベース装置１２には、基板２のドーパント濃度のデータ、および、基板温度演算装置１１が基板２の温度を測定する温度において予め測定された、基板２のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の基板２において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された基板２の温度との相関関係を示す相関データが蓄積されている。基板２の温度が補正される際、上記相関データはデータベース装置１２から基板温度演算装置１１に送信される。
【００５５】
入力装置１３としては、キーボード、タッチパネル、マウスなど任意の入力装置を選択することが可能である。また、入力装置１３は他のコンピュータ等との通信ユニットとすることも可能である。その場合、基板温度演算装置１１を他のデータベース、コンピュータシステムなどと接続し、通信によって各種のデータを、データベース装置１２から基板温度演算装置１１へ送信するよう入力することも可能である。
【００５６】
温度制御装置１４は、基板温度演算装置１１にて、補正された基板２の温度情報に基づいて、補正された基板２の温度に、実際の基板２の温度を近づけるよう制御演算を行い、ヒータ電源装置５を制御する制御信号をヒータ電源装置５に出力する。制御信号を受け取ったヒータ電源装置５は、受け取った制御信号に基づいて加熱ヒータ４へ調節された電力を供給する。これにより、加熱ヒータ４によって、基板２が加熱される温度が調節される。
【００５７】
なお、上記の基板温度演算装置１１、データベース装置１２および温度制御装置１４はハードウェアで構成してもよいし、コンピュータ上で動作するソフトウェアとして構成してもよい。本実施の形態においては、基板温度演算装置１１、データベース装置１２および温度制御装置１４は一つのコンピュータ１５上にソフトウェアで構成されているとする。
【００５８】
また、図示しないが、ＭＢＥ装置２０には、熱電対式の半導体基板温度測定装置が備えられている。マニピュレータ３に基板２が備えられていない場合、散乱光を検出する半導体基板温度測定装置が使用できないので、加熱ヒータ４の制御が、熱電対からの温度フィードバックによって行われる。
【００５９】
＜半導体基板の温度測定方法＞
以下、具体例として、図１に示すＭＢＥ装置２０を用い、上記半導体基板温度の測定方法について説明する。
【００６０】
＜データベース作成工程＞
本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法では、スペクトル検出工程の前段として、データベース作成工程が行われる。具体的には、基板温度演算装置１１が基板２の温度を測定する温度において予め測定された、基板２のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の基板２において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された基板２の温度との相関関係を作成する工程である（以下、「そのドーパント濃度の基板２において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された基板２の温度」を適宜、「基準温度」と称する）。
【００６１】
図２は、データベース作成工程を示すフローチャートである。まず、図１に図示されたＭＢＥ装置２０において、ステップ１として、半導体結晶の成長を実施する複数の基板２について基板２ごとによって異なるドーパント濃度の分布の幅を確認する。（以下適宜、「ステップ」を「Ｓ」と略す）。基板２のドーパント濃度を測定する方法としては、Ｃ-Ｖ測定などの方法を用いることができる。
【００６２】
なお、本実施の形態において、「ドーパント濃度」とは、Ｓ１や、後述するスペクトル検出工程におけるように、ドーパント濃度を測定する際の所定範囲において測定されたドーパント濃度を示すものである。ドーパント濃度の測定は、基板のドーパント濃度を平均した値を用いるため、複数回行われることが望ましいが、測定の簡略化のため１回のみなされてもかまわない。
【００６３】
さらに、確認したドーパント濃度の分布に対して、何点かドーパント濃度を抽出する。この抽出はドーパント濃度の分布の中から等間隔にて抽出を行うことが望ましいが、それ以外にもドーパント濃度の分布を考慮して、ドーパント濃度と温度との近似曲線が容易に引けるようなドーパント濃度を抽出してもよい。
【００６４】
Ｓ２として、抽出したドーパント濃度に対応する基板２を抽出する。その後、Ｓ３として、上記抽出した基板２を図１に示すＭＢＥ装置２０に導入して、結晶成長時の温度近傍で温度測定を行う。このときの加熱ヒータ４の温度は、マニピュレータ３に備えられている熱電対によって制御される。基板２が結晶成長時の温度付近で加熱されている状態となった後、熱電対法によって基板２の温度を測定する。すなわち、この時点の温度は、基板温度演算装置１１が基板２の温度を測定する温度であるといえる。この時点での熱電対の設定温度を温度域Ｔとする。この温度測定は赤外線法によって測定してもよい。さらに、ドーパント濃度が異なる他の基板２全てについても同様に基板２の温度を測定する。
【００６５】
なお、半導体結晶を成長させる際、複数の温度域を使用する場合は、複数の温度域について基板２の温度測定を行うことが望ましい。
【００６６】
Ｓ４において、Ｓ３において測定された測定結果を、基板２のドーパント濃度と基板２の基準温度との相関関係として取得する。
【００６７】
Ｓ５において、Ｓ４における相関関係を分析してドーパント濃度から温度補正を行うため、以下に示す式１を得る。
【００６８】
【数１】
【００６９】
ここで、δＴｎは温度補正値、ｆ（Ｄｎ，Ｔ）は基板Ｎのドーパント濃度Ｄｎと温度との測定を行っている温度域Ｔの関数とする。
【００７０】
Ｓ６において、式１の結果は、基板温度を補正する際に用いられる相関データが蓄積されるデータベース装置１２に保管され、後述する基板温度補正工程において使用される。
【００７１】
＜スペクトル検出工程＞
スペクトル検出工程は、基板２において散乱した散乱光のスペクトルを検出する工程である。散乱光のスペクトルを検出するため、まず、基板２に光源装置７から光が射出される。この光としては白色光を用いている。上記光は、ビューポート６を介して真空容器１の内部に入り、基板２の表面に光が照射される。検出装置９は、基板２の法線方向における真空容器１下部の外側に設けられており、ビューポート８を介して、基板２における散乱光が検出装置９に入る。
【００７２】
また、基板２に照射された光のうち、鏡面反射されなかった光の一部は、上記基板２の内部に進行することとなる。基板２の内部は、基板内で最も面粗度が大きく散乱確率が大きいため、上記光は、基板２の内部で散乱された後、上記基板表面を再び通過し、様々な方向に進行する。
【００７３】
このように基板２の内部を通過する間に、基板２を構成する半導体のバンドギャップに相当する波長以下の光はこの基板２内に吸収され、吸収されなかった波長成分の光のみが、上述のように、散乱光として基板２の表面を通過し進行する。基板２において散乱した散乱光の一部は、ビューポート８を通り、検出装置９において検出される。
【００７４】
複数の基板２は、それぞれ回転しているため、順に基板２ごとの散乱光のスペクトルが検出される。ＭＢＥ装置２０に導入されている基板２の中でＮ番目の基板に光源装置７からの照射光が当たっている時、検出装置９はＮ番目の基板２に照射された光の散乱光を検出する。
【００７５】
＜スペクトル分析工程＞
スペクトル分析工程では、検出した上記散乱光のスペクトルを分析する散乱光の分析を行う。スペクトル分析手段は、スペクトル分析器１０を用いて行うことができる。スペクトル分析のデータはスペクトル分析器１０で吸収波長の数値に変換され基板温度演算装置１１へ送られる。
【００７６】
＜基板温度算出工程＞
基板温度算出工程では基板２の温度を算出する。基板温度算出工程は、コンピュータ１５の内部で実行されることができる。まず、基板温度演算装置１１によって、基板温度演算の第１段階として、従来と同様に予め記録されている吸収波長と基板温度の相関より基板温度を計算する。
【００７７】
すなわち、散乱光のスペクトル分析に基づく、半導体基板の温度測定方法は、上記散乱光のエネルギーギャップに起因する波長値に基づいて、基板２を構成する半導体材料のバンドギャップの大きさを算出することによって行えばよい。
【００７８】
ここで、半導体材料のバンドギャップの大きさは基板２の半導体材料の温度に依存するので、上記半導体材料の温度によって散乱光の吸収波長が変化する。したがって、上記吸収波長と温度との相関を予めコンピュータ１５内に記録しておき、この相関および得られた吸収波長の値から、基板２の温度を算出することができる。
【００７９】
しかし、この時点において算出された基板２の温度は、基板２のドーパント濃度による影響を受けるため、算出された基板２に関する精度は十分ではないことが、本発明者らの調査によって明らかとなっている。本実施の形態においては、上記の手段で算出された基板２の温度に対し、さらに、以下に示す基板温度補正工程において、基板２のドーパント濃度の情報を元にした補正計算を施し、さらに正確な基板２の温度を得ることができる。
【００８０】
＜基板温度補正工程＞
基板温度補正工程について、図３を用いて詳細に説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法に含まれる基板温度補正工程を示すフローチャートである。マニピュレータ３に保持されているＭ枚の基板２のうち、Ｎ番目の基板２の温度補正を行う場合について説明する。
【００８１】
まず、Ｓ１７ａにおいて、基板温度を補正する対象となる基板２がＮ番であることを確認する。確認する方法としては、マニピュレータ３の回転部にエンコーダを取り付けることにより現時点の回転角を検出する方法を用いることができる。
【００８２】
また、本発明に係る基板温度測定において検出されるスペクトルデータは、基板２上とマニピュレータ３上とでは大きく異なる。マニピュレータ３に回転原点位置（回転角度０度）を検出するセンサーを取り付けておき、その原点を起点にして基板が測定位置を何枚通過したかカウントする方法を用いることができる。これにより、基板２の枚数を確認することが可能である。
【００８３】
次に、Ｓ１７ｂにおいて、データベース装置１２から、入力装置１３を介して、Ｎ番目の基板２のドーパント濃度Ｄｎを基板温度演算装置１１に送信する。その後、Ｓ１７ｃにおいて、現時点の基板２を加熱している温度域Ｔを確認する。上記温度域Ｔは、加熱ヒータ４に備えられている熱電対の温度によって確認することができる。
【００８４】
Ｓ１７ｄでは、基板温度算出工程にて算出された基板２の温度を補正するための演算がなされる。なお、基板温度算出工程に、基板温度演算装置１１によって算出された基板２の温度を補正する工程であればよく、その補正する温度の程度は特に限定されない。
【００８５】
演算の具体例として説明すると、以下に示す式２の演算がなされ、Ｓ１７ｃにおいて確認された温度域Ｔに基づく基板温度をＴｎ０とすると補正後の基板温度Ｔｎは式２に示すようになる。上記演算は、基板温度演算装置１１においてなされる。式２に式１を代入することによって、Ｔｎを求めることができる。
【００８６】
【数２】
【００８７】
Ｓ１７ｅでは、Ｓ１７ｄにおいて演算された補正後の基板温度Ｔｎが、基板温度演算装置１１から温度制御装置１４へ出力される。これにより、基板温度補正工程は終了する。上記ステップを基板温度の測定データに行うことで、ドーパント濃度の影響を排除した、より精度の高い基板温度測定結果を得ることができる。
【００８８】
なお、基板２はマニピュレータ３に複数備えられている。これにより、異なる複数の半導体基板のドーパント濃度が異なる場合であっても、上記半導体基板の温度測定方法によって、各基板２について高精度で温度を測定することができる。
【００８９】
＜半導体デバイスの製造方法＞
次に、本実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法について説明する。上記半導体デバイスの製造方法は、一例として、半導体結晶を成長させるための半導体基板に、半導体結晶の原料を供給する原料供給工程と、上記半導体基板を加熱する加熱工程とを含み、上記加熱工程では、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法によって測定した温度に基づき、上記半導体基板を加熱する製造方法を挙げることができる。半導体基板の温度測定方法については上述した通りである。
【００９０】
まず、データベース作成工程を行う。その後の工程について図４を用いて説明する。同図は、データベース作成工程以降の半導体結晶の製造方法を示すフローチャートである。Ｓ１１として、ＭＢＥ装置２０へ基板２が導入されると同時に、入力装置１３を介して基板２のドーパント濃度が、データベース装置１２から基板温度演算装置１１へ入力される。基板２のドーパント濃度は、データベース作成工程において、データベース装置１２に蓄積されたものである。
【００９１】
次に、Ｓ１２として、結晶成長工程が開始される。結晶製造工程は、半導体結晶の原料を供給する原料供給工程と、上記半導体基板を加熱する加熱工程とを含む工程である。原料供給工程は、半導体結晶の原料が供給される工程である。図１に示すＭＢＥ装置２０は、上述したように、基板２に対し半導体結晶の原料の分子線が照射される構成となっており、原料供給工程において上記原料の供給がなされる。また、加熱工程では、加熱ヒータ４によって、基板２を加熱することによって、半導体結晶の原料が加熱される。
【００９２】
Ｓ１２が開始された後に、Ｓ１３としてスペクトル検出工程を行う。Ｓ１２において基板２において結晶成長を行うため、マニピュレータ３は回転しており、基板２は加熱ヒータ４によって加熱される。
【００９３】
Ｓ１４においては、Ｓ１３において検出された散乱光の分析を行うスペクトル分析工程を行う。すなわち、光源装置７から基板２へ光が射出され、基板２において散乱した散乱光が検出装置９において検出される。
【００９４】
Ｓ１５〜Ｓ１７は、基板温度算出工程であり、半導体基板の温度を算出する。Ｓ１５において、基板温度演算装置１１によって、基板温度演算の第１段階として、従来と同様に予め記録されている吸収波長と基板温度の相関より基板温度を計算する。
【００９５】
Ｓ１６において、データベース装置１２に蓄積されていたＮ番目の基板２のドーパント濃度が基板温度演算装置１１に、入力装置１３を介して入力される。
【００９６】
Ｓ１７は基板温度補正工程である。Ｓ１７において、さらに、データベース装置１２に蓄積された、基板２のドーパント濃度と基板２の基準温度との相関関係が、入力装置１３を介し、基板温度演算装置１１に入力される。そして、基板温度演算装置１１は、Ｓ１５で算出された基板２の温度を補正する。
【００９７】
Ｓ１７は、基板温度補正工程であり、Ｓ１５において算出された基板２の温度を補正する。Ｓ１７の詳細については、図３を用いて上述した通りである。
【００９８】
Ｓ１８では、温度制御装置１４へ出力された補正後の基板温度Ｔｎに基づき、ヒータ電源装置５から加熱ヒータ４へ供給される電力が調整されることによって、基板２の温度が調節される。温度を調節した後に、温度を調節した基板２において、結晶成長が終了したかを確認する。この時点で、半導体結晶の成長が終了していない場合、再度Ｓ１３に戻る。一方、半導体結晶の成長が終了している場合Ｓ１９に移行する。
【００９９】
Ｓ１９においては、投入予定の全基板の処理が終了したかが判断される。投入予定の全基板の処理が終了していない場合、Ｓ１１に戻り、結晶成長工程が終了した後、引き続き次の基板が導入され、上述したように基板２の温度が測定される。一方、投入予定の全基板の処理が終了している場合、全ステップを終了する。
【０１００】
以下に、図１に示すＭＢＥ装置２０を用いて、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法における相関関係について具体例を示す。半導体基板温度の測定において、基板２としてガリウム砒素基板を用い、基板温度測定は５３０℃付近で行われる。この５３０℃という温度は、散乱光のスペクトル分析によって算出された温度である。
【０１０１】
まず、基板２のドーパント濃度と、基板２の基準温度との関係式を求めるための相関データを得ると図５のような関係となる。上記半導体基板の加熱方法としては、熱電対を用いて加熱することができる。同図において、温度域ＴＣ４８０℃、ＴＣ５００℃およびＴＣ５３０℃は熱電対の温度を示している。
【０１０２】
また、半導体結晶成長において複数の温度域で結晶成長を行うため、それぞれ対応した温度域Ｔについて、基板のドーパント濃度と基板温度との相関関係を示すデータを測定する。
【０１０３】
同図において、縦軸は基準温度を示している。また横軸は、基板２のドーパント濃度を示している。その単位は、１０１８ｃｍ−３である。
【０１０４】
同図において、測定したドーパント濃度の上下限の幅は、０．８〜２．０×１０１８ｃｍ−３である。これは、ＭＢＥ装置２０で結晶成長が行われる予定の基板におけるドーパント濃度の上下限の幅である。次に、上記相関データに基づき、補正用関数である式１および式２を求める。
【０１０５】
図６は、同じ条件で、温度５３０℃付近（基板温度補正工程前の散乱光のスペクトルに基づく半導体基板の温度測定方法による基板温度の測定値）においてドーパント濃度が異なる２枚の基板２を加熱した際に、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法によって基板温度を補正する前（図６（ａ））および補正した後（図６（ｂ））の基板温度測定データを示している。２枚の基板２のドーパント濃度はそれぞれ、Ｎｏ．１の基板が０．９９×１０１８ｃｍ−３、Ｎｏ．２の基板が１．５８×１０１８ｃｍ−３である。基板温度補正工程においては、基板２の温度測定温度域にあわせるため、図６（ａ）に示すデータ１７に対し、図５のＴＣ５００℃の相関データ１６を用いて算出した補正関数を使用し、図６（ｂ）に示すデータ１８を得た。
【０１０６】
特に好ましい例として、データ１７を相関データ１６に示す四角のプロットで示される基準温度に一致させるよう補正を行うことによってデータ１８を得たが、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法は、基板２のドーパント濃度が対応する相関データ１６の破線内の温度に補正することによっても行うことができる。
【０１０７】
図６（ｂ）に示すように、両基板において、補正後の基板温度は、同程度の温度となっており、ドーパント濃度に起因する基板温度の誤差が非常に好ましく補正されていることが分かる。データ１７およびデータ１８について、温度補正前および温度補正後の温度の平均値を算出した結果を表１に示す。
【０１０８】
【表１】
【０１０９】
表１より明らかなように、Ｎｏ．１およびＮｏ．２の算出された温度補正前の温度差は、８．４℃であるが、温度補正後の温度差は、０．１℃となっている。すなわち、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法によって、基板温度の測定における誤差が低減することが分かる。その結果、各基板に対して正確に結晶成長プロセスを制御することが可能となり、最終的に、製造される半導体デバイスの素子特性がより高い特性で安定することとなる。
【０１１０】
本実施の形態においては、複数の基板を導入することが可能なＭＢＥ装置２０について述べたが、１枚の基板しか導入できないＭＢＥ装置についても、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法によって、基板の温度を測定することがもちろん可能である。
【０１１１】
また、本実施例の半導体基板温度測定装置は光源装置を設け、基板表面に白色光を照射し、その散乱光を検出する方法について本発明を適用する方法を述べたが、加熱ヒータ４からの放射光が基板２を透過する際、基板２の内部で散乱した散乱光を検出する方式の半導体基板温度測定装置についても同様の手順で、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法を適用することが可能である。
【０１１２】
（実施の形態２）
本発明に係る他の実施の形態について図７に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１における図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１１３】
図７に本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を有するＭＯＣＶＤ装置３０の全体構成図を示す。ＭＯＣＶＤ装置３０は、ＭＢＥ装置と同じく、基板の表面に半導体結晶をエピタキシャル成長させるものである。
【０１１４】
ＭＯＣＶＤ装置３０の全体構成は以下の通りである。ＭＯＣＶＤ装置３０を囲む筐体１ａの内部には反応炉２１が備えられている。反応炉２１の内部には、基板２を保持するための基板保持装置３ａが備えられている。また、反応炉２１の内部の一端には、半導体結晶の原料ガスを供給するための供給部２２が備えられており、他方の一端には、半導体結晶とならなかった半導体結晶の原料を排気するための排気装置２３が備えられている。
【０１１５】
また、ＭＯＣＶＤ装置３０が有する半導体基板温度測定装置には、ビューポート６を介し、光源装置７が備えられ、さらにビューポート８を介し、検出装置９が備えられている。さらに、検出装置９とスペクトル分析器１０とが接続され、スペクトル分析器１０とコンピュータ１５とが接続されている。コンピュータ１５は、基板温度演算手段である基板温度演算装置１１、データベース機構であるデータベース装置１２、基板２のドーパント濃度データを基板温度演算装置１１に入力する入力装置１３、温度制御装置１４を備えている。さらに、温度制御装置１４と、コンピュータ１５の外部に設置されたヒータ電源装置５とは接続されている。
【０１１６】
基板２は反応炉２１の内部を流れる半導体結晶の原料ガスと接するように、基板保持装置３ａに保持されている。供給部２２から供給された半導体結晶の原料ガスは、基板２の表面を通過し、排気装置２３に向かって流れる構成となっている。
【０１１７】
また、基板保持装置３ａの内部には基板２を加熱するための加熱ヒータ４が組み込まれており、ヒータ電源装置５からの電力供給を受けて発熱し、基板２を加熱する。加熱ヒータ４は基板２の裏側から基板を加熱する構成となっている。
【０１１８】
上記原料ガスは、反応炉２１の内部を流れる間に、加熱ヒータ４によって加熱された基板２の表面近傍で反応し、基板２の表面において半導体結晶が成長することとなる。なお、基板２の「表面」は、図７においては基板２の上端面であり、「裏面」はその逆側の面となる。
【０１１９】
光源装置７は、基板２に対する法線方向に対して傾きを有する方向に光を照射できるよう設置されている。また、検出装置９は、基板２の法線方向に設置されている。光源装置７および検出装置９については、実施の形態１においてそれぞれ上述した通りである。光源装置７から基板２へ、基板２から検出装置９へは、反応炉２１の内部に光が通過するための導入路が設けられている。
【０１２０】
また、スペクトル分析器１０、基板温度演算装置１１、データベース装置１２、入力装置１３、温度制御装置１４、コンピュータ１５、ヒータ電源装置５については、実施の形態１において説明した通りである。
【０１２１】
ＭＯＣＶＤ装置３０には、同図に示す部材以外にも図示しないが、エピタキシャル成長に必要となる、半導体結晶の原料ガスの供給量を制御する制御装置を含む材料ガス供給装置、半導体基板温度測定装置以外の真空計などの各種計測装置、排気装置等を備えている。また、同様に図示しないが、加熱ヒータ４の近傍には熱電対が備えられており、基板２が基板保持装置３ａに備えられていない場合、上記熱電対は加熱ヒータ４の温度制御に使用される。
【０１２２】
本実施の形態においては、ＭＯＣＶＤ装置３０を用いて基板２の温度測定を行うが、その測定は、実施の形態１に係る基板温度の測定方法と同様に行うことができる。すなわち、加熱ヒータ４の近傍に備えられている熱電対を用いて、データベース作成工程を行うことができる。次に、スペクトル検出工程において、ＭＯＣＶＤ装置３０に導入された基板２に対し、光源装置７から白色光が照射され、基板２において散乱した散乱光のスペクトルが、検出装置９によって検出される。その後、スペクトル分析工程として、検出装置９において検出された散乱光のスペクトルが、スペクトル分析器１０において吸収波長の数値に変換され基板温度演算装置１１へ送られる。
【０１２３】
さらに、基板温度算出工程において、データベース装置１２に蓄積されたドーパント濃度が、入力装置１３を介し、基板温度演算装置１１へ入力される。検出された散乱光から求まる基板温度は、データベース装置１２に保存してある、ドーパント濃度と基板２の基準温度との相関データに基づき補正されることとなる。
【０１２４】
基板温度補正工程においても実施の形態１と同様の補正手順を適用することが可能である。その結果、基板２のドーパント濃度に起因する基板温度測定への影響を補正した、より高精度の基板温度測定が実現できる。
【０１２５】
なお、本実施の形態においては、ＭＯＣＶＤ装置における半導体基板の温度測定方法について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法は、半導体結晶の成長方法に特に限定されず、散乱光のスペクトル分析によって、半導体基板の温度を測定する方法に広く適用することが可能である。上記半導体基板の温度測定方法を適用することで、より正確な基板温度を測定することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明に係る半導体基板温度測定装置および半導体基板の温度測定方法によれば、半導体基板において散乱した散乱光のスペクトルに基づき測定された基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づき補正することができるので、より高精度の基板温度測定が可能となる。さらに、上記半導体基板温度測定装置を備えた半導体デバイス製造装置、半導体デバイスの製造方法によれば、高品質でかつ、高い歩留りで半導体基板を製造することに利用できるため、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を有するＭＢＥ装置の全体構成図を示す概略図である。
【図２】データベース作成工程を示すフローチャートである。
【図３】本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法に含まれる基板温度補正工程を示すフローチャートである。
【図４】データベース作成工程以降の半導体結晶の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】基板のドーパント濃度と、基板の温度との関係式を求めるためのデータを示すグラフである。
【図６】本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法によって基板の温度を補正する前および補正した後の基板温度測定データを示すグラフである。
【図７】本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を有するＭＯＣＶＤ装置の全体構成図を示す概略図である。
【図８】従来の熱電対法に係る半導体結晶製造装置を示す断面図である。
【図９】従来の赤外線法に係る半導体結晶製造装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
２ 基板（半導体基板）
７ 光源装置（光源）
９ 検出装置（検出手段）
１０ スペクトル検出装置（スペクトル検出手段）
１１ 基板温度演算装置（基板温度演算手段）
１２ データベース装置（データベース機構）
１６ 相関データ（相関関係）
２０ ＭＢＥ装置（半導体デバイス製造装置）
３０ ＭＯＣＶＤ装置（半導体デバイス製造装置）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板温度測定装置およびこれを含む半導体デバイス製造装置、並びに、半導体基板の温度測定方法および半導体デバイスの製造方法に関し、詳細には、半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づき補正する半導体基板温度測定装置およびこれを含む半導体デバイス製造装置、並びに、半導体基板の温度測定方法および半導体デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザー、発光ダイオードに代表される半導体デバイスの製造における半導体結晶の形成方法として、エピタキシャル成長法が広く用いられている。エピタキシャル成長法は、半導体基板上に、半導体材料を結晶化させることにより薄膜を成長させる方法である。その中でも、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、および、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が注目されている。上記の両方法によれば、極めて薄い結晶膜および複雑な多層構造膜を形成することが可能である。
【０００３】
これらエピタキシャル成長法では、半導体基板の表面において結晶成長が行われる。結晶成長の際、上記半導体基板の表面温度は半導体材料原子の吸着および結晶化に大きな影響を与える。つまり、半導体基板の表面温度は、半導体結晶のエピタキシャル成長における重要な条件因子である。したがって、半導体基板の表面温度を正確に、再現性良く測定および制御するための半導体基板の温度測定方法は、結晶成長技術にとって不可欠である。
【０００４】
従来、半導体基板の温度測定方法として種々の方法が開示されている。広く用いられている半導体基板の温度測定法として、（i）熱電対を用いる方法である熱電対法、（ii）赤外線を用いる方法である赤外線法を挙げることができる。
【０００５】
ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法などの半導体基板上に半導体結晶を成長させる装置において、半導体基板の温度を測定するための熱電対法、赤外線法について図８、図９を用いて説明する。
【０００６】
（i）熱電対法
図８は、従来の熱電対法に係る半導体結晶製造装置１００の断面図を示している。半導体結晶製造装置１００には、半導体基板を保持する基板保持装置１０１上に半導体基板１０２が備えられており、さらに、半導体基板１０２を加熱するための加熱ヒータ１０４が、半導体基板１０２の上方に設置されている。また、半導体基板１０２と加熱ヒータ１０４との間であり、半導体基板１０２の中心部分の上方には、半導体基板１０２の温度を測定するための熱電対１０３が設置されている。
【０００７】
この熱電対１０３で測定された温度は、温度調節器１１４に伝えられる。温度調節器１１４は、測定された温度が予め設定された温度になるように、ヒータ電源装置１１５から加熱ヒータ１０４に供給される電力量を調節する。
【０００８】
熱電対法の問題点は、測定される温度と、実際の半導体基板の表面の温度とに生じる誤差が大きいという点である。半導体基板に熱電対を接着させる方法もあるが、半導体基板が損傷する問題があり、半導体デバイスの製造には適用が困難である。
【０００９】
（ii）赤外線法
図９は、従来の赤外線法に係る半導体結晶製造装置２００の断面図を示している。半導体結晶製造装置２００には、半導体基板を保持する基板保持装置２０１ａ上に半導体基板２０２が備えられており、さらに、半導体基板２０２を加熱するための加熱ヒータ２０４が、半導体基板２０２の上方に設置されている。半導体基板２０２の下方に示す矢印の方向には、真空容器２０１ｂの内部に観察窓であるビューポート２０８が備えられている。真空容器２０１ｂの外側には、放射温度計２０９が備えられており、ビューポート２０８を介して、半導体基板２０２から放射される赤外線放射量が測定される。このようにして測定された赤外線放射量を温度に換算することにより、半導体基板２０２の温度が測定される。
【００１０】
赤外線法については、被処理体（半導体基板）ごとに抵抗値またはドーパント濃度が変化することによって、被処理体ごとの輻射率が変化し、輻射率の変化に起因して放射温度計の測定値と、実際の被処理体の温度との間に誤差が生じる。そのため、基板の正確な温度を測定することが困難である。この問題点を解決するために、例えば、特許文献１に基板温度の補正方法が開示されている。上記基板温度の補正方法は、放射温度計によって測定される基板の温度を、輻射率の変化に基づき補正する方法である。
【００１１】
しかしながら、赤外線法の他の問題点としては、測定する赤外線の量を絶対量で測定するため、ビューポート２０８の汚れによって測定値に誤差が生じる点や、基板保持装置２０１ａ内の加熱源などから放射される光の影響を受ける問題点がある。赤外線法においては、この点が大きなデメリットである。
【００１２】
上述した半導体基板温度の測定方法の問題点を解決する方法として、半導体基板の表面に光を照射し、半導体表面からの反射光または散乱光のスペクトルデータから半導体基板表面の温度を測定する方法が挙げられる。
【００１３】
具体例として、特許文献２には、半導体基板表面に光を照射し、半導体基板の表面からの反射光強度を測定して反射スペクトルデータを求め、反射スペクトルデータから推定される半導体基板のバンドギャップと、予め蓄積された半導体基板材料のバンドギャップに関する温度依存性の既知データとを照合して、半導体基板表面の温度を求める基板表面温度の測定方法が開示されている。
【００１４】
さらに、特許文献３には、半導体基板表面に光を照射し、その光の半導体基板表面における散乱光を測定してスペクトルデータを求め、この散乱光のスペクトルデータと半導体基板材料のバンドギャップに起因する吸収波長の温度特性に基づく既知データとを照合して、半導体基板表面の温度を求める温度測定方法が示されている。特許文献３の温度測定方法は、特許文献２より簡易な光学系であり、より高い精度の基板温度測定を実現することが可能である。
【００１５】
特許文献２および３に開示された基板温度の測定方法では、共にスペクトル分析から得られる波長の値に基づき温度測定が行われる。そのため、ビューポートの汚れ、真空容器内の加熱装置などからの光などの外乱の影響を受けにくく、測定温度には誤差が生じにくいという利点がある。
【００１６】
また、温度に敏感な半導体基板のバンドギャップの温度依存性データを使用するため、測定精度が高くなる。このため、上述した電対法および赤外線法よりも高精度で、再現性が高い基板温度測定を実現している。
【特許文献１】特開平９−２４６２００号公報（平成９年９月１９日公開）
【特許文献２】特開平２−２１２７２５号公報（平成２年８月２３日公開）
【特許文献３】特開２００６−１８９２６１号公報（平成１８年７月２０日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上記従来の反射光または散乱光のスペクトル分析による半導体基板の温度測定方法では、正確な半導体基板の表面温度を測定することが困難であるという問題点を有している。
【００１８】
具体的に説明すると、発明者らの調査により、従来の反射光または散乱光のスペクトル分析による半導体基板の温度測定方法では、輻射率の変化によって測定温度の誤差は生じないものの、半導体基板のドーパント濃度に依存して、測定される半導体基板温度において許容し難い誤差が生じることが確認された。
【００１９】
一方、半導体デバイスの製造工程で使用される半導体基板は、１つの半導体結晶（インゴット）を所望のサイズに切り出して加工する方法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法などで一枚ずつ結晶成長させる方法などで製造されているが、半導体基板ごとのドーパント濃度は一定ではなく、ある程度のばらつきがあることが知られている。
【００２０】
このため、半導体デバイスの量産製造工程などで結晶成長装置に導入される半導体基板のドーパント濃度が一定でないため、上述した基板温度測定において測定される半導体基板ごとに測定された半導体基板の温度に誤差が生じる。すなわち、温度測定の精度、再現性が共に悪化するために、高品質な半導体結晶を高い歩留りで製造することは困難となってしまう。
【００２１】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、半導体基板の温度を高精度かつ高い再現性で測定することができる半導体基板温度測定装置およびこれを含む半導体デバイス製造装置、並びに、半導体基板の温度測定方法および半導体デバイスの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の半導体基板温度測定装置は、上記課題を解決するために、半導体基板の温度を測定する半導体基板温度測定装置において、半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、半導体基板の温度を算出する基板温度演算手段を備え、基板温度演算手段は、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正することを特徴としている。
【００２３】
上記の発明によれば、散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正することができる。すなわち、半導体基板のドーパント濃度に起因する温度誤差の影響を軽減し、半導体基板の温度を高精度かつ高い再現性で測定することができる半導体基板温度測定装置を提供することができる。
【００２４】
本発明の半導体基板温度測定装置は、基板温度演算手段が、予め測定された、半導体基板のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度との相関関係を蓄積したデータベース機構を備え、上記基板温度演算手段は、上記基板温度演算手段にて、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記データベース機構に蓄積された相関関係に基づいて補正することが好ましい。
【００２５】
上記の発明によれば、予めデータベース機構に上記相関関係を蓄積することができ、上記相関関係に基づき半導体基板の温度を補正することができる。散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記相関関係に基づき容易に補正することが可能となる。
【００２６】
本発明の半導体基板温度測定装置は、上記半導体基板のドーパント濃度と半導体基板のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度とが、半導体基板の温度を測定する温度において予め測定されたことが好ましい。
【００２７】
これにより、上記相関関係は、半導体基板の温度を測定する温度において予め測定された温度に係るものとなる。このため、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記相関関係に基づき、さらに正確に補正することが可能となる。
【００２８】
本発明の半導体基板温度測定装置は、上記基板温度演算手段は、上記基板温度演算手段にて、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記データベース機構に蓄積された相関関係から算出した温度に一致させるように補正することが好ましい。
【００２９】
上記基板温度演算手段は、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、相関関係から算出した温度に一致させるように補正するので、より一層正確に補正された半導体基板の温度を得ることができる。
【００３０】
本発明の半導体デバイス製造装置は、半導体基板に半導体結晶を成長させることによって半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造装置において、上記半導体基板温度測定装置を含むことが好ましい。
【００３１】
上記半導体デバイス製造装置は上記半導体基板温度測定装置を含むため、半導体基板の温度を高精度で測定でき、半導体基板上において半導体結晶の成長に適した温度条件で半導体デバイスを製造できる半導体デバイス製造装置を提供することができる。
【００３２】
本発明の半導体基板の温度測定方法は、上記課題を解決するために、半導体基板の温度を測定する半導体基板の温度測定方法において、半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、半導体基板の温度を算出する基板温度算出工程を含み、上記基板温度算出工程は、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、上記半導体基板のドーパント濃度に基づき補正することを特徴としている。
【００３３】
上記の発明によれば、散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正することができる。すなわち、半導体基板のドーパント濃度に起因する温度誤差の影響を軽減し、半導体基板の温度を高精度かつ高い再現性で測定することができる半導体基板の温度測定方法を提供することができる。
【００３４】
また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、半導体基板に半導体結晶を成長させることによって半導体デバイスを製造する半導体デバイスの製造方法において、上記半導体基板の温度測定方法によって測定した温度に基づき、上記半導体基板を加熱することが好ましい。
【００３５】
これにより、上記半導体基板の温度測定方法によって半導体基板の温度を高精度で測定できるので、半導体基板上において半導体結晶の成長に適した温度条件で半導体デバイスを製造することが可能である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の半導体基板温度測定装置は、以上のように、基板温度演算手段が、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正するものである。
【００３７】
それゆえ、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、上記半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正するので、半導体基板の温度をより高精度かつ高い再現性で測定することができるという効果を奏する。
【００３８】
また、本発明の半導体基板の温度測定方法は、半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、上記半導体基板の温度を算出する上記基板温度算出工程を含む半導体基板の温度測定方法において、上記基板温度算出工程において算出された上記半導体基板の温度を、上記半導体基板のドーパント濃度に基づき補正する方法である。
【００３９】
それゆえ、上記基板温度算出工程において算出された上記半導体基板の温度を、上記半導体基板のドーパント濃度に基づき補正するので、半導体基板の温度をより高精度かつ高い再現性で測定することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
（実施の形態１）
＜半導体基板温度測定装置＞
本発明の一実施形態について図１ないし図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。図１は、本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を有するＭＢＥ装置の全体構成図を示している。図１に示すＭＢＥ装置２０は、本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を含んでおり、半導体基板（以下適宜「基板」と省略する）の表面に半導体材料の結晶をエピタキシャル成長させるものである。なお、基板２の「表面」とは、図１においては基板２の下端面であり、「裏面」はその逆側の面となる。
【００４１】
図１に示すＭＢＥ装置２０は、真空容器１の内部上方に、基板２を保持するマニピュレータ３を備えている。また、マニピュレータ３の内部には、基板２を加熱するための加熱ヒータ４が備えられている。さらに、ＭＢＥ装置２０は、真空容器１の外部に、加熱ヒータ４の電源であるヒータ電源装置５およびヒータ電源装置５の温度を調節する温度制御装置１４を備えている。
【００４２】
マニピュレータ３は複数の基板２に均一に分子線を照射させるため、矢印Ａの方向に示すように回転する構成となっている。
【００４３】
基板２は、半導体結晶を成長させるために一般的に用いられる材質で形成されていればよく、特に限定されるものではない。なお、基板２は円形であり、６枚がマニピュレータ３に備えられているが、形状および枚数についても特に限定されるものではない。このように複数の基板２が備えられることによって、複数の基板２に複数の半導体結晶を同時に形成できる。
【００４４】
加熱ヒータ４は、ヒータ電源装置５からの電力供給を受けて発熱し、基板２を加熱するものである。加熱ヒータ４の制御については詳細に後述する。
【００４５】
真空容器１の下部の２箇所には、真空容器１の内部を光学的に観測するためのビューポート６およびビューポート８が備えられている。
【００４６】
なお、図示しないが、基板２には、半導体結晶の材料の分子線が照射される構成となっており、分子線が照射される面、すなわち、基板２の表面に半導体結晶が成長することとなる。
【００４７】
また、図示しないが、ＭＢＥ装置２０は図１に示す部材以外にも、エピタキシャル成長に必要となる、分子線セル、セルシャッター、半導体基板温度測定装置以外の真空計などの各種計測装置および排気装置等を備えている。
【００４８】
また、ＭＢＥ装置２０は以下で説明する本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を備えている。半導体基板温度測定装置は、基板２に向けて光を照射する光源装置７、基板２に照射された光が基板２によって散乱されて生じた散乱光を検出する検出装置９、検出装置９によって検出された散乱光のスペクトル分析を行うスペクトル分析器１０、このスペクトル分析器の結果から基板温度を算出する基板温度演算手段である基板温度演算装置１１、基板温度を算出する際に使用するデータを保管するデータベース機構であるデータベース装置１２、および、ＭＢＥ装置２０に導入された基板２のドーパント濃度を入力する入力装置１３を備えている。
【００４９】
具体的に以下に説明する。半導体基板温度測定装置を構成する光源装置７がビューポート６を介して、真空容器１の外側に設置されている。光源装置７は、基板２の表面に光を照射できるものであればよい。基板２の温度を測定する際に光源装置７から基板２に向けて照射される光としては、例えば、白色光を用いることができる。上記光は、基板２の表面およびマニピュレータ３の基板保持面上において所定の大きさのスポットを形成するように、光源装置７の備える光学系により集光される。上記スポットの大きさは、基板２の温度測定における位置分解能に影響を及ぼすので、できるだけ小さいことが好ましい。
【００５０】
なお、光源装置７の設置位置としては、基板２の表面に向けて、光を照射できる位置、すなわち、基板２が備えられている位置よりも下側の位置に備えられていればよい。光源装置７は、基板２の法線方向に対して傾いた方向から基板２に対して照射光を照射できるように真空容器１の外側に設けられている。
【００５１】
検出手段である検出装置９は、ビューポート８を介して、真空容器１の外側に設置されている。検出装置９は、基板２において散乱した散乱光のスペクトルを検出するためのものである。ここで、本実施の形態において、「基板２において散乱した散乱光」とは、基板２の表面でのみ散乱された光だけでなく、上述した基板２の内部において散乱され、基板２の表面を通過した光をも含む。また、検出装置９とスペクトル分析手段であるスペクトル分析器１０とが接続されている。
【００５２】
さらに、スペクトル分析器１０とコンピュータ１５とが接続されている。コンピュータ１５は、基板温度演算手段である基板温度演算装置１１、データベース機構であるデータベース装置１２、基板２のドーパント濃度データを基板温度演算装置１１に入力する入力装置１３およびヒータ電源装置に制御信号を出力する温度制御装置１４を備えている。
【００５３】
スペクトル分析器１０は、コンピュータ１５内の基板温度演算装置１１と接続されている。基板温度演算装置１１は、基板２の温度を、スペクトル分析器１０によって分析されたスペクトル結果に基づき算出する構成を有している。さらに、基板温度演算装置１１は算出された基板２の温度を補正する構成をも有している。このように、基板温度演算装置は、２つの構成を有しているが、基板２の温度を補正する構成のみを、例えば基板温度補正装置として、別個の装置とする構成であってもよい。
【００５４】
データベース装置１２および入力装置１３は、基板温度演算装置１１とそれぞれ接続されている。データベース装置１２には、基板２のドーパント濃度のデータ、および、基板温度演算装置１１が基板２の温度を測定する温度において予め測定された、基板２のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の基板２において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された基板２の温度との相関関係を示す相関データが蓄積されている。基板２の温度が補正される際、上記相関データはデータベース装置１２から基板温度演算装置１１に送信される。
【００５５】
入力装置１３としては、キーボード、タッチパネル、マウスなど任意の入力装置を選択することが可能である。また、入力装置１３は他のコンピュータ等との通信ユニットとすることも可能である。その場合、基板温度演算装置１１を他のデータベース、コンピュータシステムなどと接続し、通信によって各種のデータを、データベース装置１２から基板温度演算装置１１へ送信するよう入力することも可能である。
【００５６】
温度制御装置１４は、基板温度演算装置１１にて、補正された基板２の温度情報に基づいて、補正された基板２の温度に、実際の基板２の温度を近づけるよう制御演算を行い、ヒータ電源装置５を制御する制御信号をヒータ電源装置５に出力する。制御信号を受け取ったヒータ電源装置５は、受け取った制御信号に基づいて加熱ヒータ４へ調節された電力を供給する。これにより、加熱ヒータ４によって、基板２が加熱される温度が調節される。
【００５７】
なお、上記の基板温度演算装置１１、データベース装置１２および温度制御装置１４はハードウェアで構成してもよいし、コンピュータ上で動作するソフトウェアとして構成してもよい。本実施の形態においては、基板温度演算装置１１、データベース装置１２および温度制御装置１４は一つのコンピュータ１５上にソフトウェアで構成されているとする。
【００５８】
また、図示しないが、ＭＢＥ装置２０には、熱電対式の半導体基板温度測定装置が備えられている。マニピュレータ３に基板２が備えられていない場合、散乱光を検出する半導体基板温度測定装置が使用できないので、加熱ヒータ４の制御が、熱電対からの温度フィードバックによって行われる。
【００５９】
＜半導体基板の温度測定方法＞
以下、具体例として、図１に示すＭＢＥ装置２０を用い、上記半導体基板温度の測定方法について説明する。
【００６０】
＜データベース作成工程＞
本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法では、スペクトル検出工程の前段として、データベース作成工程が行われる。具体的には、基板温度演算装置１１が基板２の温度を測定する温度において予め測定された、基板２のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の基板２において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された基板２の温度との相関関係を作成する工程である（以下、「そのドーパント濃度の基板２において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された基板２の温度」を適宜、「基準温度」と称する）。
【００６１】
図２は、データベース作成工程を示すフローチャートである。まず、図１に図示されたＭＢＥ装置２０において、ステップ１として、半導体結晶の成長を実施する複数の基板２について基板２ごとによって異なるドーパント濃度の分布の幅を確認する。（以下適宜、「ステップ」を「Ｓ」と略す）。基板２のドーパント濃度を測定する方法としては、Ｃ-Ｖ測定などの方法を用いることができる。
【００６２】
なお、本実施の形態において、「ドーパント濃度」とは、Ｓ１や、後述するスペクトル検出工程におけるように、ドーパント濃度を測定する際の所定範囲において測定されたドーパント濃度を示すものである。ドーパント濃度の測定は、基板のドーパント濃度を平均した値を用いるため、複数回行われることが望ましいが、測定の簡略化のため１回のみなされてもかまわない。
【００６３】
さらに、確認したドーパント濃度の分布に対して、何点かドーパント濃度を抽出する。この抽出はドーパント濃度の分布の中から等間隔にて抽出を行うことが望ましいが、それ以外にもドーパント濃度の分布を考慮して、ドーパント濃度と温度との近似曲線が容易に引けるようなドーパント濃度を抽出してもよい。
【００６４】
Ｓ２として、抽出したドーパント濃度に対応する基板２を抽出する。その後、Ｓ３として、上記抽出した基板２を図１に示すＭＢＥ装置２０に導入して、結晶成長時の温度近傍で温度測定を行う。このときの加熱ヒータ４の温度は、マニピュレータ３に備えられている熱電対によって制御される。基板２が結晶成長時の温度付近で加熱されている状態となった後、熱電対法によって基板２の温度を測定する。すなわち、この時点の温度は、基板温度演算装置１１が基板２の温度を測定する温度であるといえる。この時点での熱電対の設定温度を温度域Ｔとする。この温度測定は赤外線法によって測定してもよい。さらに、ドーパント濃度が異なる他の基板２全てについても同様に基板２の温度を測定する。
【００６５】
なお、半導体結晶を成長させる際、複数の温度域を使用する場合は、複数の温度域について基板２の温度測定を行うことが望ましい。
【００６６】
Ｓ４において、Ｓ３において測定された測定結果を、基板２のドーパント濃度と基板２の基準温度との相関関係として取得する。
【００６７】
Ｓ５において、Ｓ４における相関関係を分析してドーパント濃度から温度補正を行うため、以下に示す式１を得る。
【００６８】
【数１】
【００６９】
ここで、δＴｎは温度補正値、ｆ（Ｄｎ，Ｔ）は基板Ｎのドーパント濃度Ｄｎと温度との測定を行っている温度域Ｔの関数とする。
【００７０】
Ｓ６において、式１の結果は、基板温度を補正する際に用いられる相関データが蓄積されるデータベース装置１２に保管され、後述する基板温度補正工程において使用される。
【００７１】
＜スペクトル検出工程＞
スペクトル検出工程は、基板２において散乱した散乱光のスペクトルを検出する工程である。散乱光のスペクトルを検出するため、まず、基板２に光源装置７から光が射出される。この光としては白色光を用いている。上記光は、ビューポート６を介して真空容器１の内部に入り、基板２の表面に光が照射される。検出装置９は、基板２の法線方向における真空容器１下部の外側に設けられており、ビューポート８を介して、基板２における散乱光が検出装置９に入る。
【００７２】
また、基板２に照射された光のうち、鏡面反射されなかった光の一部は、上記基板２の内部に進行することとなる。基板２の内部は、基板内で最も面粗度が大きく散乱確率が大きいため、上記光は、基板２の内部で散乱された後、上記基板表面を再び通過し、様々な方向に進行する。
【００７３】
このように基板２の内部を通過する間に、基板２を構成する半導体のバンドギャップに相当する波長以下の光はこの基板２内に吸収され、吸収されなかった波長成分の光のみが、上述のように、散乱光として基板２の表面を通過し進行する。基板２において散乱した散乱光の一部は、ビューポート８を通り、検出装置９において検出される。
【００７４】
複数の基板２は、それぞれ回転しているため、順に基板２ごとの散乱光のスペクトルが検出される。ＭＢＥ装置２０に導入されている基板２の中でＮ番目の基板に光源装置７からの照射光が当たっている時、検出装置９はＮ番目の基板２に照射された光の散乱光を検出する。
【００７５】
＜スペクトル分析工程＞
スペクトル分析工程では、検出した上記散乱光のスペクトルを分析する散乱光の分析を行う。スペクトル分析手段は、スペクトル分析器１０を用いて行うことができる。スペクトル分析のデータはスペクトル分析器１０で吸収波長の数値に変換され基板温度演算装置１１へ送られる。
【００７６】
＜基板温度算出工程＞
基板温度算出工程では基板２の温度を算出する。基板温度算出工程は、コンピュータ１５の内部で実行されることができる。まず、基板温度演算装置１１によって、基板温度演算の第１段階として、従来と同様に予め記録されている吸収波長と基板温度の相関より基板温度を計算する。
【００７７】
すなわち、散乱光のスペクトル分析に基づく、半導体基板の温度測定方法は、上記散乱光のエネルギーギャップに起因する波長値に基づいて、基板２を構成する半導体材料のバンドギャップの大きさを算出することによって行えばよい。
【００７８】
ここで、半導体材料のバンドギャップの大きさは基板２の半導体材料の温度に依存するので、上記半導体材料の温度によって散乱光の吸収波長が変化する。したがって、上記吸収波長と温度との相関を予めコンピュータ１５内に記録しておき、この相関および得られた吸収波長の値から、基板２の温度を算出することができる。
【００７９】
しかし、この時点において算出された基板２の温度は、基板２のドーパント濃度による影響を受けるため、算出された基板２に関する精度は十分ではないことが、本発明者らの調査によって明らかとなっている。本実施の形態においては、上記の手段で算出された基板２の温度に対し、さらに、以下に示す基板温度補正工程において、基板２のドーパント濃度の情報を元にした補正計算を施し、さらに正確な基板２の温度を得ることができる。
【００８０】
＜基板温度補正工程＞
基板温度補正工程について、図３を用いて詳細に説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法に含まれる基板温度補正工程を示すフローチャートである。マニピュレータ３に保持されているＭ枚の基板２のうち、Ｎ番目の基板２の温度補正を行う場合について説明する。
【００８１】
まず、Ｓ１７ａにおいて、基板温度を補正する対象となる基板２がＮ番であることを確認する。確認する方法としては、マニピュレータ３の回転部にエンコーダを取り付けることにより現時点の回転角を検出する方法を用いることができる。
【００８２】
また、本発明に係る基板温度測定において検出されるスペクトルデータは、基板２上とマニピュレータ３上とでは大きく異なる。マニピュレータ３に回転原点位置（回転角度０度）を検出するセンサーを取り付けておき、その原点を起点にして基板が測定位置を何枚通過したかカウントする方法を用いることができる。これにより、基板２の枚数を確認することが可能である。
【００８３】
次に、Ｓ１７ｂにおいて、データベース装置１２から、入力装置１３を介して、Ｎ番目の基板２のドーパント濃度Ｄｎを基板温度演算装置１１に送信する。その後、Ｓ１７ｃにおいて、現時点の基板２を加熱している温度域Ｔを確認する。上記温度域Ｔは、加熱ヒータ４に備えられている熱電対の温度によって確認することができる。
【００８４】
Ｓ１７ｄでは、基板温度算出工程にて算出された基板２の温度を補正するための演算がなされる。なお、基板温度算出工程に、基板温度演算装置１１によって算出された基板２の温度を補正する工程であればよく、その補正する温度の程度は特に限定されない。
【００８５】
演算の具体例として説明すると、以下に示す式２の演算がなされ、Ｓ１７ｃにおいて確認された温度域Ｔに基づく基板温度をＴｎ０とすると補正後の基板温度Ｔｎは式２に示すようになる。上記演算は、基板温度演算装置１１においてなされる。式２に式１を代入することによって、Ｔｎを求めることができる。
【００８６】
【数２】
【００８７】
Ｓ１７ｅでは、Ｓ１７ｄにおいて演算された補正後の基板温度Ｔｎが、基板温度演算装置１１から温度制御装置１４へ出力される。これにより、基板温度補正工程は終了する。上記ステップを基板温度の測定データに行うことで、ドーパント濃度の影響を排除した、より精度の高い基板温度測定結果を得ることができる。
【００８８】
なお、基板２はマニピュレータ３に複数備えられている。これにより、異なる複数の半導体基板のドーパント濃度が異なる場合であっても、上記半導体基板の温度測定方法によって、各基板２について高精度で温度を測定することができる。
【００８９】
＜半導体デバイスの製造方法＞
次に、本実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法について説明する。上記半導体デバイスの製造方法は、一例として、半導体結晶を成長させるための半導体基板に、半導体結晶の原料を供給する原料供給工程と、上記半導体基板を加熱する加熱工程とを含み、上記加熱工程では、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法によって測定した温度に基づき、上記半導体基板を加熱する製造方法を挙げることができる。半導体基板の温度測定方法については上述した通りである。
【００９０】
まず、データベース作成工程を行う。その後の工程について図４を用いて説明する。同図は、データベース作成工程以降の半導体結晶の製造方法を示すフローチャートである。Ｓ１１として、ＭＢＥ装置２０へ基板２が導入されると同時に、入力装置１３を介して基板２のドーパント濃度が、データベース装置１２から基板温度演算装置１１へ入力される。基板２のドーパント濃度は、データベース作成工程において、データベース装置１２に蓄積されたものである。
【００９１】
次に、Ｓ１２として、結晶成長工程が開始される。結晶製造工程は、半導体結晶の原料を供給する原料供給工程と、上記半導体基板を加熱する加熱工程とを含む工程である。原料供給工程は、半導体結晶の原料が供給される工程である。図１に示すＭＢＥ装置２０は、上述したように、基板２に対し半導体結晶の原料の分子線が照射される構成となっており、原料供給工程において上記原料の供給がなされる。また、加熱工程では、加熱ヒータ４によって、基板２を加熱することによって、半導体結晶の原料が加熱される。
【００９２】
Ｓ１２が開始された後に、Ｓ１３としてスペクトル検出工程を行う。Ｓ１２において基板２において結晶成長を行うため、マニピュレータ３は回転しており、基板２は加熱ヒータ４によって加熱される。
【００９３】
Ｓ１４においては、Ｓ１３において検出された散乱光の分析を行うスペクトル分析工程を行う。すなわち、光源装置７から基板２へ光が射出され、基板２において散乱した散乱光が検出装置９において検出される。
【００９４】
Ｓ１５〜Ｓ１７は、基板温度算出工程であり、半導体基板の温度を算出する。Ｓ１５において、基板温度演算装置１１によって、基板温度演算の第１段階として、従来と同様に予め記録されている吸収波長と基板温度の相関より基板温度を計算する。
【００９５】
Ｓ１６において、データベース装置１２に蓄積されていたＮ番目の基板２のドーパント濃度が基板温度演算装置１１に、入力装置１３を介して入力される。
【００９６】
Ｓ１７は基板温度補正工程である。Ｓ１７において、さらに、データベース装置１２に蓄積された、基板２のドーパント濃度と基板２の基準温度との相関関係が、入力装置１３を介し、基板温度演算装置１１に入力される。そして、基板温度演算装置１１は、Ｓ１５で算出された基板２の温度を補正する。
【００９７】
Ｓ１７は、基板温度補正工程であり、Ｓ１５において算出された基板２の温度を補正する。Ｓ１７の詳細については、図３を用いて上述した通りである。
【００９８】
Ｓ１８では、温度制御装置１４へ出力された補正後の基板温度Ｔｎに基づき、ヒータ電源装置５から加熱ヒータ４へ供給される電力が調整されることによって、基板２の温度が調節される。温度を調節した後に、温度を調節した基板２において、結晶成長が終了したかを確認する。この時点で、半導体結晶の成長が終了していない場合、再度Ｓ１３に戻る。一方、半導体結晶の成長が終了している場合Ｓ１９に移行する。
【００９９】
Ｓ１９においては、投入予定の全基板の処理が終了したかが判断される。投入予定の全基板の処理が終了していない場合、Ｓ１１に戻り、結晶成長工程が終了した後、引き続き次の基板が導入され、上述したように基板２の温度が測定される。一方、投入予定の全基板の処理が終了している場合、全ステップを終了する。
【０１００】
以下に、図１に示すＭＢＥ装置２０を用いて、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法における相関関係について具体例を示す。半導体基板温度の測定において、基板２としてガリウム砒素基板を用い、基板温度測定は５３０℃付近で行われる。この５３０℃という温度は、散乱光のスペクトル分析によって算出された温度である。
【０１０１】
まず、基板２のドーパント濃度と、基板２の基準温度との関係式を求めるための相関データを得ると図５のような関係となる。上記半導体基板の加熱方法としては、熱電対を用いて加熱することができる。同図において、温度域ＴＣ４８０℃、ＴＣ５００℃およびＴＣ５３０℃は熱電対の温度を示している。
【０１０２】
また、半導体結晶成長において複数の温度域で結晶成長を行うため、それぞれ対応した温度域Ｔについて、基板のドーパント濃度と基板温度との相関関係を示すデータを測定する。
【０１０３】
同図において、縦軸は基準温度を示している。また横軸は、基板２のドーパント濃度を示している。その単位は、１０１８ｃｍ−３である。
【０１０４】
同図において、測定したドーパント濃度の上下限の幅は、０．８〜２．０×１０１８ｃｍ−３である。これは、ＭＢＥ装置２０で結晶成長が行われる予定の基板におけるドーパント濃度の上下限の幅である。次に、上記相関データに基づき、補正用関数である式１および式２を求める。
【０１０５】
図６は、同じ条件で、温度５３０℃付近（基板温度補正工程前の散乱光のスペクトルに基づく半導体基板の温度測定方法による基板温度の測定値）においてドーパント濃度が異なる２枚の基板２を加熱した際に、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法によって基板温度を補正する前（図６（ａ））および補正した後（図６（ｂ））の基板温度測定データを示している。２枚の基板２のドーパント濃度はそれぞれ、Ｎｏ．１の基板が０．９９×１０１８ｃｍ−３、Ｎｏ．２の基板が１．５８×１０１８ｃｍ−３である。基板温度補正工程においては、基板２の温度測定温度域にあわせるため、図６（ａ）に示すデータ１７に対し、図５のＴＣ５００℃の相関データ１６を用いて算出した補正関数を使用し、図６（ｂ）に示すデータ１８を得た。
【０１０６】
特に好ましい例として、データ１７を相関データ１６に示す四角のプロットで示される基準温度に一致させるよう補正を行うことによってデータ１８を得たが、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法は、基板２のドーパント濃度が対応する相関データ１６の破線内の温度に補正することによっても行うことができる。
【０１０７】
図６（ｂ）に示すように、両基板において、補正後の基板温度は、同程度の温度となっており、ドーパント濃度に起因する基板温度の誤差が非常に好ましく補正されていることが分かる。データ１７およびデータ１８について、温度補正前および温度補正後の温度の平均値を算出した結果を表１に示す。
【０１０８】
【表１】
【０１０９】
表１より明らかなように、Ｎｏ．１およびＮｏ．２の算出された温度補正前の温度差は、８．４℃であるが、温度補正後の温度差は、０．１℃となっている。すなわち、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法によって、基板温度の測定における誤差が低減することが分かる。その結果、各基板に対して正確に結晶成長プロセスを制御することが可能となり、最終的に、製造される半導体デバイスの素子特性がより高い特性で安定することとなる。
【０１１０】
本実施の形態においては、複数の基板を導入することが可能なＭＢＥ装置２０について述べたが、１枚の基板しか導入できないＭＢＥ装置についても、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法によって、基板の温度を測定することがもちろん可能である。
【０１１１】
また、本実施例の半導体基板温度測定装置は光源装置を設け、基板表面に白色光を照射し、その散乱光を検出する方法について本発明を適用する方法を述べたが、加熱ヒータ４からの放射光が基板２を透過する際、基板２の内部で散乱した散乱光を検出する方式の半導体基板温度測定装置についても同様の手順で、本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法を適用することが可能である。
【０１１２】
（実施の形態２）
本発明に係る他の実施の形態について図７に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１における図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１１３】
図７に本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を有するＭＯＣＶＤ装置３０の全体構成図を示す。ＭＯＣＶＤ装置３０は、ＭＢＥ装置と同じく、基板の表面に半導体結晶をエピタキシャル成長させるものである。
【０１１４】
ＭＯＣＶＤ装置３０の全体構成は以下の通りである。ＭＯＣＶＤ装置３０を囲む筐体１ａの内部には反応炉２１が備えられている。反応炉２１の内部には、基板２を保持するための基板保持装置３ａが備えられている。また、反応炉２１の内部の一端には、半導体結晶の原料ガスを供給するための供給部２２が備えられており、他方の一端には、半導体結晶とならなかった半導体結晶の原料を排気するための排気装置２３が備えられている。
【０１１５】
また、ＭＯＣＶＤ装置３０が有する半導体基板温度測定装置には、ビューポート６を介し、光源装置７が備えられ、さらにビューポート８を介し、検出装置９が備えられている。さらに、検出装置９とスペクトル分析器１０とが接続され、スペクトル分析器１０とコンピュータ１５とが接続されている。コンピュータ１５は、基板温度演算手段である基板温度演算装置１１、データベース機構であるデータベース装置１２、基板２のドーパント濃度データを基板温度演算装置１１に入力する入力装置１３、温度制御装置１４を備えている。さらに、温度制御装置１４と、コンピュータ１５の外部に設置されたヒータ電源装置５とは接続されている。
【０１１６】
基板２は反応炉２１の内部を流れる半導体結晶の原料ガスと接するように、基板保持装置３ａに保持されている。供給部２２から供給された半導体結晶の原料ガスは、基板２の表面を通過し、排気装置２３に向かって流れる構成となっている。
【０１１７】
また、基板保持装置３ａの内部には基板２を加熱するための加熱ヒータ４が組み込まれており、ヒータ電源装置５からの電力供給を受けて発熱し、基板２を加熱する。加熱ヒータ４は基板２の裏側から基板を加熱する構成となっている。
【０１１８】
上記原料ガスは、反応炉２１の内部を流れる間に、加熱ヒータ４によって加熱された基板２の表面近傍で反応し、基板２の表面において半導体結晶が成長することとなる。なお、基板２の「表面」は、図７においては基板２の上端面であり、「裏面」はその逆側の面となる。
【０１１９】
光源装置７は、基板２に対する法線方向に対して傾きを有する方向に光を照射できるよう設置されている。また、検出装置９は、基板２の法線方向に設置されている。光源装置７および検出装置９については、実施の形態１においてそれぞれ上述した通りである。光源装置７から基板２へ、基板２から検出装置９へは、反応炉２１の内部に光が通過するための導入路が設けられている。
【０１２０】
また、スペクトル分析器１０、基板温度演算装置１１、データベース装置１２、入力装置１３、温度制御装置１４、コンピュータ１５、ヒータ電源装置５については、実施の形態１において説明した通りである。
【０１２１】
ＭＯＣＶＤ装置３０には、同図に示す部材以外にも図示しないが、エピタキシャル成長に必要となる、半導体結晶の原料ガスの供給量を制御する制御装置を含む材料ガス供給装置、半導体基板温度測定装置以外の真空計などの各種計測装置、排気装置等を備えている。また、同様に図示しないが、加熱ヒータ４の近傍には熱電対が備えられており、基板２が基板保持装置３ａに備えられていない場合、上記熱電対は加熱ヒータ４の温度制御に使用される。
【０１２２】
本実施の形態においては、ＭＯＣＶＤ装置３０を用いて基板２の温度測定を行うが、その測定は、実施の形態１に係る基板温度の測定方法と同様に行うことができる。すなわち、加熱ヒータ４の近傍に備えられている熱電対を用いて、データベース作成工程を行うことができる。次に、スペクトル検出工程において、ＭＯＣＶＤ装置３０に導入された基板２に対し、光源装置７から白色光が照射され、基板２において散乱した散乱光のスペクトルが、検出装置９によって検出される。その後、スペクトル分析工程として、検出装置９において検出された散乱光のスペクトルが、スペクトル分析器１０において吸収波長の数値に変換され基板温度演算装置１１へ送られる。
【０１２３】
さらに、基板温度算出工程において、データベース装置１２に蓄積されたドーパント濃度が、入力装置１３を介し、基板温度演算装置１１へ入力される。検出された散乱光から求まる基板温度は、データベース装置１２に保存してある、ドーパント濃度と基板２の基準温度との相関データに基づき補正されることとなる。
【０１２４】
基板温度補正工程においても実施の形態１と同様の補正手順を適用することが可能である。その結果、基板２のドーパント濃度に起因する基板温度測定への影響を補正した、より高精度の基板温度測定が実現できる。
【０１２５】
なお、本実施の形態においては、ＭＯＣＶＤ装置における半導体基板の温度測定方法について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法は、半導体結晶の成長方法に特に限定されず、散乱光のスペクトル分析によって、半導体基板の温度を測定する方法に広く適用することが可能である。上記半導体基板の温度測定方法を適用することで、より正確な基板温度を測定することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明に係る半導体基板温度測定装置および半導体基板の温度測定方法によれば、半導体基板において散乱した散乱光のスペクトルに基づき測定された基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づき補正することができるので、より高精度の基板温度測定が可能となる。さらに、上記半導体基板温度測定装置を備えた半導体デバイス製造装置、半導体デバイスの製造方法によれば、高品質でかつ、高い歩留りで半導体基板を製造することに利用できるため、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を有するＭＢＥ装置の全体構成図を示す概略図である。
【図２】データベース作成工程を示すフローチャートである。
【図３】本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法に含まれる基板温度補正工程を示すフローチャートである。
【図４】データベース作成工程以降の半導体結晶の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】基板のドーパント濃度と、基板の温度との関係式を求めるためのデータを示すグラフである。
【図６】本実施の形態に係る半導体基板の温度測定方法によって基板の温度を補正する前および補正した後の基板温度測定データを示すグラフである。
【図７】本実施の形態に係る半導体基板温度測定装置を有するＭＯＣＶＤ装置の全体構成図を示す概略図である。
【図８】従来の熱電対法に係る半導体結晶製造装置を示す断面図である。
【図９】従来の赤外線法に係る半導体結晶製造装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
２ 基板（半導体基板）
７ 光源装置（光源）
９ 検出装置（検出手段）
１０ スペクトル検出装置（スペクトル検出手段）
１１ 基板温度演算装置（基板温度演算手段）
１２ データベース装置（データベース機構）
１６ 相関データ（相関関係）
２０ ＭＢＥ装置（半導体デバイス製造装置）
３０ ＭＯＣＶＤ装置（半導体デバイス製造装置）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の温度を測定する半導体基板温度測定装置において、
半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、半導体基板の温度を算出する基板温度演算手段を備え、
基板温度演算手段は、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正することを特徴とする半導体基板温度測定装置。
【請求項２】
基板温度演算手段が半導体基板の温度を、予め測定された、半導体基板のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度との相関関係を蓄積したデータベース機構を備え、
上記基板温度演算手段は、上記基板温度演算手段にて、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記データベース機構に蓄積された相関関係に基づいて補正することを特徴とする請求項１に記載の半導体基板温度測定装置。
【請求項３】
上記半導体基板のドーパント濃度と半導体基板のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度とが、半導体基板の温度を測定する温度において予め測定されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体基板温度測定装置。
【請求項４】
上記基板温度演算手段は、上記基板温度演算手段にて、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記データベース機構に蓄積された相関関係から算出した温度に一致させるように補正することを特徴とする請求項２に記載の半導体基板温度測定装置。
【請求項５】
半導体基板に半導体結晶を成長させることによって半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造装置において、
請求項１から４の何れか１項に記載の半導体基板温度測定装置を含むことを特徴とする半導体デバイス製造装置。
【請求項６】
半導体基板の温度を測定する半導体基板の温度測定方法において、
半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、半導体基板の温度を算出する基板温度算出工程を含み、
上記基板温度算出工程は、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、上記半導体基板のドーパント濃度に基づき補正することを特徴とする半導体基板の温度測定方法。
【請求項７】
半導体基板に半導体結晶を成長させることによって半導体デバイスを製造する半導体デバイスの製造方法において、
請求項６に記載の半導体基板の温度測定方法によって測定した温度に基づき、上記半導体基板を加熱することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項１】
半導体基板の温度を測定する半導体基板温度測定装置において、
半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、半導体基板の温度を算出する基板温度演算手段を備え、
基板温度演算手段は、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、半導体基板のドーパント濃度に基づいて補正することを特徴とする半導体基板温度測定装置。
【請求項２】
基板温度演算手段が半導体基板の温度を、予め測定された、半導体基板のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度との相関関係を蓄積したデータベース機構を備え、
上記基板温度演算手段は、上記基板温度演算手段にて、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記データベース機構に蓄積された相関関係に基づいて補正することを特徴とする請求項１に記載の半導体基板温度測定装置。
【請求項３】
上記半導体基板のドーパント濃度と半導体基板のドーパント濃度と、そのドーパント濃度の半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき算出された半導体基板の温度とが、半導体基板の温度を測定する温度において予め測定されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体基板温度測定装置。
【請求項４】
上記基板温度演算手段は、上記基板温度演算手段にて、散乱光のスペクトルに基づいて算出された半導体基板の温度を、上記データベース機構に蓄積された相関関係から算出した温度に一致させるように補正することを特徴とする請求項２に記載の半導体基板温度測定装置。
【請求項５】
半導体基板に半導体結晶を成長させることによって半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造装置において、
請求項１から４の何れか１項に記載の半導体基板温度測定装置を含むことを特徴とする半導体デバイス製造装置。
【請求項６】
半導体基板の温度を測定する半導体基板の温度測定方法において、
半導体基板において散乱された散乱光のスペクトルに基づき、半導体基板の温度を算出する基板温度算出工程を含み、
上記基板温度算出工程は、散乱光のスペクトル基づき算出した半導体基板の温度を、上記半導体基板のドーパント濃度に基づき補正することを特徴とする半導体基板の温度測定方法。
【請求項７】
半導体基板に半導体結晶を成長させることによって半導体デバイスを製造する半導体デバイスの製造方法において、
請求項６に記載の半導体基板の温度測定方法によって測定した温度に基づき、上記半導体基板を加熱することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２１８９２９（Ｐ２００８−２１８９２９Ａ）
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５７８６８（Ｐ２００７−５７８６８）
【出願日】平成１９年３月７日（２００７．３．７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月７日（２００７．３．７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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