半導体製造装置及び半導体製造方法
【課題】酸化反応の進行度合いを経時追跡することができ、これにより酸化反応を適切に制御することができる半導体製造装置及び半導体製造方法を提供する。
【解決手段】酸化炉１０内の半導体前駆体１２に白色光源１４から光を照射して、酸化反応中の半導体前駆体１２からの反射光を反射光検出手段１６により検出し、検出した反射光に基づいて、反射率、平均反射率、反射率の変化率、または平均反射率の変化率をコンピュータ１８により演算し、演算結果をモニター２０に表示すると共に、演算結果に基づいて酸化反応を制御し、半導体前駆体１２の酸化可能領域の一部を選択的に酸化して半導体を製造する。
【解決手段】酸化炉１０内の半導体前駆体１２に白色光源１４から光を照射して、酸化反応中の半導体前駆体１２からの反射光を反射光検出手段１６により検出し、検出した反射光に基づいて、反射率、平均反射率、反射率の変化率、または平均反射率の変化率をコンピュータ１８により演算し、演算結果をモニター２０に表示すると共に、演算結果に基づいて酸化反応を制御し、半導体前駆体１２の酸化可能領域の一部を選択的に酸化して半導体を製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置及び半導体製造方法に係り、詳しくは、半導体前駆体の酸化可能領域の一部を選択的に酸化して半導体を製造する半導体製造装置及び半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、端面発光型にくらべて、製造コストが低いこと、製造の歩留まりが高いこと、２次元集積化が容易なこと、等の多くの利点を有していることから、光通信、光情報処理、光記録など、多くの分野で用いることが期待されている。
【０００３】
ＶＣＳＥＬは、その基本構造から数種類のタイプに分類されるが、しきい電流値、応答速度、消費電力等、レーザ特性の観点から最も有望視されているのは、選択酸化型ＶＣＳＥＬと呼ばれているものである。例えば、K. D. Choquette et al. "Low threshold voltage vertical-cavity lasers fabricated by selective oxidation" Electron. Lett., Vol.30, pp.2033-2044, 1994等の文献に記載されているように、ＡｌＡｓ選択酸化型ＶＣＳＥＬは以下のようにして製造される。
【０００４】
まず、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓとＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３８周期積層した下部ｎ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層３層とＧａＡｓスぺーサー層で構成された膜厚が媒質内波長となるアンドープ活性領域、膜厚が媒質内波長の１／４のＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ電流狭窄層、ＧａＡｓとＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に２５周期積層した下部ｎ型ＤＢＲ層、を積層する。
【０００５】
次に、上記結晶層を反応性イオンエッチングにより、深さ５μｍ、一辺が１０５μｍのメサ形状にすると、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ電流狭窄層の側面が露出する。この露出面からＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ電流狭窄層を、中心の数μｍを残して選択的に酸化する。最後に、電極としてＴｉ／ＡｕとＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを上面と下面にそれぞれ蒸着し、選択酸化型ＶＣＳＥＬが完成する。
【０００６】
以上の通り、選択酸化型ＶＣＳＥＬは、結晶成長後にＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓの選択酸化プロセスを用いて電流狭窄構造を作りこむ特徴を持っている。その結果、結晶成長はすべて平坦面上で行われ、特性の良い結晶層を用いることができる。また、インプラ型で発生する活性層に与えるダメージの心配はない。
【０００７】
また、例えば、上記方法で作製されたＶＣＳＥＬに両面の電極を通して電流を注入すると、注入された電流は、酸化されなかったメサ形状の中心数μｍだけに狭窄され、９００μＡという低しきい電流値を示すなど、選択酸化型ＶＣＳＥＬは優れたレーザ特性を有している。
【０００８】
選択酸化型ＶＣＳＥＬでは、酸化されずに残ったＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ層をアパーチャ（開口）と称している。選択酸化型ＶＣＳＥＬは、低しきい電流値など、優れたレーザ特性を有しているが、各種レーザ特性はアパーチャ径に大きく左右される。
【０００９】
例えば、D.L.Huffaker et al. "Multiwavelength, Densely-Packed 2x2 Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Array Fabricated Using Selective Oxidation", IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.8, pp.858-860, 1996には、図１１に示すように、アパーチャー径が２、２．５、３、３．５μｍの選択酸化型ＶＣＳＥＬの電流−光出力特性が報告されている。図１１から分かるように、しきい電流値、効率がアパーチャー径に依存して大きく異なるデータとなっている。また、図には示されていないが、最大光出力もアパーチャー径に依存する。また、選択酸化型ＶＣＳＥＬのシングルモード最大光出力あるいは横モードはアパーチャー径に大きく依存するという報告もある。
【００１０】
アパーチャーを形成する酸化プロセスには、ＵＳＰ５２６２３６０号明細書等に記載されているようなウェット酸化法を用いるのが一般的である。この方法は、窒素をキャリアガスに用いて、８０〜１００℃に加熱された純水をバブリングし、その水蒸気を炉に輸送してＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ層の一部だけを選択的に酸化する方法で、酸化炉の温度は通常４００から５００℃である。従来は、実際に使用する酸化炉を用いて種々の条件でこの酸化プロセスによる酸化実験を繰り返し行い、得られた結果を元に最適化した条件で酸化を行い、選択酸化型ＶＣＳＥＬを作製していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、K.M.Geib et. al. "Fabfication issues of oxide-confined
VCSELs", SPIE Vol.3003, pp.69-74, 1997をはじめ多くの報告が示すように、酸化されるＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓの酸化レートは、サンプル温度、純水バブラー温度、窒素ガス輸送量、ＡｌＧａＡｓ中のＡｌＡｓ濃度、更にはＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ層側面に付着する自然酸化膜の膜厚等、幾つもの因子により影響される。
【００１２】
このため、１度設定した条件下で酸化を行うだけでは、メサ側面からの酸化距離をプロセス毎に再現性良く制御し、アパーチャー径を設計値通りに形成することは困難であり、その結果、ＶＣＳＥＬのレーザ特性は作製毎に異なり、製造歩留まりの低下を引き起こす、という問題があった。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、酸化反応の進行度合いを経時追跡することができ、これにより酸化反応を適切に制御することができる半導体製造装置及び半導体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】
【００１４】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の半導体製造装置は、酸化炉内の被測定物に光を照射する光源と、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出する反射光検出手段と、該反射光検出手段の検出信号に基づいて、反射率、平均反射率、反射率の変化率、または平均反射率の変化率を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載の発明では、酸化炉内の被測定物に光を照射する光源と反射光検出手段とを備えることにより、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出することができ、演算手段により反射光検出手段の検出信号に基づいて反射率等を演算することにより、酸化反応中の被酸化物の反射率から酸化反応の進行度合いを知ることができる。すなわち、酸化反応の進行度合いを経時追跡することができる。また、これにより酸化反応を適切に制御することができる。
【００１６】
ＡｌＡｓ（あるいはＡｌＧａＡｓ）が酸化された部分にはＡｌＯxが形成されて絶縁化されると共に、光学的な特性に影響する屈折率ならびに膜厚が変化する。例えば、図１２に示すように、酸化反応が進行するに従いＶＣＳＥＬの共振器の反射スペクトルも変化する。酸化されていないＡｌＡｓ層を持つ共振器の反射スペクトルを実線で示し、ＡｌＡｓ層が総て酸化されて形成されたＡｌＯx層を持つ共振器の反射スペクトルを破線で示す。
【００１７】
共振器の構造は、アルミニウムガリウム砒素（Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ）からなる下部ＤＢＲと、Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなる下部スペーサ層、Ａｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層およびＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層からなる量子井戸活性層、Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなる上部スペーサ層とを含む活性領域、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる上部ＤＢＲ、ＧａＡｓコンタクト層とを順次積層したものである。ただし、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの入るべき上部ＤＢＲ内の最下層にはＡｌＡｓ層が挿入されている。ＡｌＡｓ層、ＡｌＯx層は、共にその膜厚が媒質内波長の１／４であり、ＡｌＯxの屈折率は１．７である。
【００１８】
両反射スペクトルは、中心波長である７８０ｎｍ付近にディップを持ち、７５０ｎｍ付近から８２０ｎｍ付近まで高い反射率を示す。このグラフのスケールでは、この波長帯域の両者のスペクトルに大きな違いは見られない。一方、それ以外の波長帯域には、周期的に振動するサイドローブが現れる。このサイドローブが現れる波長では、ＡｌＡｓ層を持つ場合とＡｌＯx層を持つ場合とで反射率が大きく異なることがわかる。例えば、８００〜１０００ｎｍの波長帯域での平均反射率は、ＡｌＡｓ層を持つ場合には約０．４５、ＡｌＯx層を持つ場合には約０．５８である。従って、酸化反応中の被酸化物の平均反射率を測定することができれば、酸化反応の進行度合いを経時追跡することが可能となる。
【００１９】
なお、酸化された部分の膜厚変化を図１３に示すが、膜厚が±２０％変化しても反射スペクトルには大きく影響しないことがわかる。
【００２０】
請求項２記載の半導体製造装置は、請求項１の発明において、前記被測定物は、半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルであることを特徴とする。
【００２１】
請求項３に記載の半導体製造装置は、請求項１または２の発明において、前記演算手段での演算結果を表示する表示手段を備えたことを特徴とする。表示手段を設けることで、オペレータは視覚的に酸化反応の進行度合いを知ることができる。
【００２２】
請求項４に記載の半導体製造装置は、請求項１〜３のいずれか１項の発明において、前記演算手段での演算結果に基づいて、反応を制御する反応制御手段を備えたことを特徴とする。反応制御手段を設けることで、酸化反応の進行度合いの追跡と酸化反応の制御とを１つの装置で行うことができる。
【００２３】
請求項５に記載の半導体製造装置は、請求項２〜４のいずれか１項の発明において、前記モニター用サンプルは、反射率が酸化時間に比例して増加または減少するように形成されていることを特徴とする。モニター用サンプルの反射率が酸化時間に比例して増加または減少する場合には、反射率の経時変化を追跡すると、酸化可能領域が消失した時点が特異点となって現れるので、オペレータが視覚的に反応の終点を認識し易い。
【００２４】
請求項６に記載の半導体製造方法は、半導体前駆体の酸化可能領域の一部を選択的に酸化して半導体を製造する半導体製造方法であって、酸化炉内の半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルに光を照射して、酸化反応中の半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルからの反射光を検出し、検出した反射光に基づいて、反射率、平均反射率、反射率の変化率、または平均反射率の変化率を演算し、演算結果に基づいて、酸化反応を制御して半導体を製造することを特徴とする。
【００２５】
請求項７に記載の半導体製造方法は、請求項６に記載の発明において、前記モニター用サンプルの酸化可能領域消失時の反射率の変化率がゼロになることに基づいて、酸化反応を制御することを特徴とする。半導体前駆体の未酸化領域の面積が所望の値になったときに、酸化可能領域が消失するように設計されたモニター用サンプルを用い、モニター用サンプルの反射率の変化率がゼロになる時点で酸化反応が終了するように制御すれば、所望の面積の未酸化領域を有する半導体前駆体を容易に得ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法は、酸化反応の進行度合いを経時追跡することができ、これにより酸化反応を適切に制御することができる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法を実施の形態に基づき詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る半導体製造装置は、水蒸気酸化を行うための装置であり、図１に示すように、酸化炉１０、図２に示す被測定物である正方形（矩形）形状の酸化可能領域１２Ａ（白抜き部分）を有する半導体前駆体１２、酸化炉１０内に配置された半導体前駆体１２に光を照射する白色光源１４、半導体前駆体１２からの反射光を検出する反射光検出手段１６、コンピュータ１８、及びコンピュータ１８に接続された表示手段としてのモニター２０から構成されている。
【００２８】
酸化炉１０には、ヒータ２２と水蒸気を導入するためのバルブ２４を備えた導入管とが設けられており、ヒータ２２の駆動回路とバルブ２４の駆動装置（図示せず）は、それぞれコンピュータ１８に接続されている。光源１４は、チョッパー２６を介して耐熱性・耐湿性の光ファイバー２８の一端に光結合され、光ファイバー２８の他端は、酸化炉１０内の半導体前駆体１２上方に固定配置され、半導体前駆体１２に光を照射する。
【００２９】
反射光検出手段１６は、異なる波長帯域の光を透過する複数（ｎ個）のフィルタ（図示せず）と、該フィルタの光透過側に各々配置されたフォトディテクター２９と、から構成されている。各フォトディテクター２９は、耐熱性・耐湿性の光ファイバー３０の一端に光結合され、光ファイバー３０の他端は、酸化炉１０内の半導体前駆体１２上方に固定配置されており、半導体前駆体１２からの反射光を検出し、検出信号を出力する。また、フォトディテクター２９は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）を介してコンピュータ１８に接続されており、フォトディテクター２９から出力された検出信号は、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換されてコンピュータ１８に入力される。なお、検出信号のＳ／Ｎ比が低い場合には、フォトディテクター２９とＡ／Ｄ変換器との間にロックインアンプ等の増幅器を挿入してもよい。
【００３０】
コンピュータ１８は、ＣＰＵ３２、ＲＯＭ３４、及びＲＡＭ３６を含んで構成されており、ＣＰＵ３２は、ＲＯＭ３４に記憶された以下に説明する制御ルーチンのプログラムに基づき処理を行う。
【００３１】
コンピュータ１８で実行される制御ルーチンを、図３を参照して説明する。
【００３２】
ステップ１００において、ｎ個のフィルタに対応して設けられた各フォトディテクター２９からの信号を取り込み、各フォトディテクター２９で受光した光量Ｉkを、予めＲＯＭに記憶された光源からの入射光量Ｉ0で除算して、各波長帯域での反射率Ｉk/Ｉ0を求め、ｎ個のフォトディテクターについての反射率Ｉk/Ｉ0を加算した加算値を個数ｎで除算することにより、ステップ１０２で所定波長帯域での平均反射率ｒ（＝Σ（Ｉk/Ｉ0）/ｎ）を演算する。
【００３３】
次に、ステップ１０４で演算した平均反射率ｒをモニター２０に表示し、ステップ１０６で反応停止条件が成立しているか否かを判別する。図２に示すような正方形（矩形）形状の酸化可能領域を有する半導体前駆体では、酸化可能領域は各辺から中心に向かって酸化されていき、このとき酸化速度は一定であるので酸化領域は時間の二乗に比例して増加する。酸化領域の反射率と非酸化領域の反射率は各々一定であるので、平均反射率ｒは酸化領域が増加するに従って変化し（具体的には、時間ｔの二乗に比例して増加する（ｒ∝ｔ2））、半導体前駆体の酸化可能領域１２Ａの総てが酸化されると一定になる。従って、予めＲＯＭに記憶しておいた平均反射率ｒと未酸化領域の面積ｓとの相関関係を表す図４に示すマップを用いて、所望の未酸化領域の面積ｓ。に対応する平均反射率ｒxを求め、平均反射率ｒが平均反射率ｒxと一致したときに反応停止条件が成立したと判断する。
【００３４】
または、オペレータによって停止信号がコンピュータ１８に入力されたときに反応停止条件が成立したと判断するようにしてもよい。すなわち、モニター２０に表示された平均反射率ｒの値を見て、オペレータが反応を停止するか否かを判断し、マニュアル操作で反応を停止させるようにしてもよい。ここで、反応停止条件が成立していれば、ステップ１０８で図示しない搬送装置により半導体前駆体１２を酸化炉１０外に搬出して、酸化反応を停止させる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る半導体製造装置は、被測定物として、酸化の進行度合いの追跡のためだけに半導体前駆体１２の近傍に配置されたモニター用サンプル１３を用いた以外は、第１の実施の形態と同様の構成であるので、同様の部分については説明を省略する。
【００３６】
モニター用サンプル１３は、図５に示すストライプ形状の酸化可能領域１３Ａ（白抜き部分）を有し、半導体前駆体の未酸化領域の面積が所望の値になったときに酸化可能領域１３Ａが消失するように設計されている。図５に示すストライプ形状の酸化可能領域を有するモニター用サンプル１３では、酸化可能領域は対向する２辺から中心に向かって酸化されていき、このとき酸化速度は一定であるので酸化領域は時間に比例して増加する。酸化領域の反射率と非酸化領域の反射率は各々一定であるので、平均反射率ｒは、酸化領域が増加するに従って変化し（具体的には、時間ｔに比例して増加する（ｒ∝ｔ））、酸化可能領域１３Ａの総てが酸化されると一定になる。
【００３７】
第２の実施の形態において、コンピュータ１８で実行される制御ルーチンを、図６を参照して説明する。
【００３８】
ステップ２００において、ｎ個のフィルタに対応して設けられた各フォトディテクター２９からの信号を取り込み、各フォトディテクター２９で受光した光量Ｉkを、予めＲＯＭに記憶された光源からの入射光量Ｉ0で除算して、各波長帯域での現時刻の反射率Ｉk/Ｉ0を求め、ｎ個のフォトディテクターについての反射率Ｉk/Ｉ0を加算した加算値を個数ｎで除算することにより、現時刻における所定波長帯域での平均反射率ｒnew（＝Σ（Ｉk/Ｉ0）/ｎ）を求める。同様にして求められＲＡＭに記憶された前回の所定波長帯域での平均反射率ｒoldから現時刻における所定波長帯域での平均反射率ｒnewを減算して、ステップ２０２で平均反射率の変化率Δｒ（＝ｒold−ｒnew）を演算する。
【００３９】
次に、ステップ２０４で演算した平均反射率の変化率Δｒをモニター２０に表示し、ステップ２０６で反応停止条件が成立しているか否かを判別する。ストライプ形状の酸化可能領域１３Ａを有するモニター用サンプル１３では、平均反射率の変化率Δｒは、酸化可能領域１３Ａが消失するまでは一定であり、酸化可能領域１３Ａが消失した時点で０となる。従って、平均反射率の変化率Δｒ＝０となったときに反応停止条件が成立したと判断することができる。
【００４０】
または、オペレータが表示装置に表示されたΔｒの値を目視し、Δｒ＝０となったときにスイッチの操作により停止信号を入力するようにし、オペレータによって停止信号がコンピュータ１８に入力されたときに反応停止条件が成立したと判断するようにしてもよい。ここで、反応停止条件が成立していれば、ステップ２０８で図示しない搬送装置により半導体前駆体１２を酸化炉１０外に搬出して、酸化反応を停止させる。
【００４１】
第１の実施の形態では、半導体前駆体の平均反射率を演算し、演算した平均反射率に基づいて酸化反応を制御したが、第２の実施の形態のように、平均反射率の変化率を演算し、演算した平均反射率の変化率に基づいて酸化反応を制御してもよい。また、第２の実施の形態では、平均反射率の変化率を用いたが、第１の実施の形態のように、反射光検出手段の検出信号に基づいて平均反射率を演算し、演算した平均反射率に基づいて酸化反応を制御してもよい。
【００４２】
第２の実施の形態では、被測定物として、図５に示すストライプ形状の酸化可能領域を有し、半導体前駆体の未酸化領域の面積が所望の値になったときに酸化可能領域が消失するように設計されたモニター用サンプル１３を用いたが、ストライプ形状に限られず、矩形、円、楕円等の半導体前駆体と同様の酸化可能領域を有するモニター用サンプルを用いてもよい。
【００４３】
例えば、被測定物として、半導体前駆体と同様の正方形（矩形）形状の酸化可能領域を有するモニター用サンプルを用いた場合には、平均反射率は時間の二乗に比例して増加するので、平均反射率の変化率Δｒは被測定物の酸化の度合いが進むにつれて低下し、酸化可能領域が消失した時点で０となる。従って、予めＲＯＭに記憶しておいた平均反射率の変化率Δｒと未酸化領域の面積との相関関係を表す図７に示すマップを用いて、所望の未酸化領域の面積ｓ0に対応する平均反射率の変化率Δｒ0を求め、平均反射率の変化率Δｒが平均反射率の変化率Δｒ0と一致したときに反応停止条件が成立したと判断することができる。
【００４４】
第１及び第２の実施の形態では、光源として白色光源を用いフィルターで分光して特定のスペクトル範囲での平均反射率を測定したが、光源はＬＥＤでもよく、また、レーザ光源を用い特定の波長での反射率を測定することもできる。
【００４５】
第１及び第２の実施の形態では、水蒸気酸化を行う装置について説明したが、その他の酸化方法にもこの発明が適用できることは言うまでもない。
【００４６】
第１及び第２の実施の形態では、搬送装置により半導体前駆体を酸化炉外に搬出して酸化反応を停止させたが、酸化炉に備えられたヒータの駆動回路をオフにする、または水蒸気を導入するためのバルブを閉じる等の操作により、酸化反応を停止させてもよい。
【００４７】
次に、本実施の形態の半導体製造装置を、図８に示す選択酸化型の面発光型半導体レーザの製造に適用した例を示す。
【００４８】
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層２と、ｎ型のアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ）からなる下部ｎ型ＤＢＲ３と、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなる下部スペーサ層４、アンドープのＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層からなる量子井戸活性層５、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなる上部スペーサ層６とを含む活性領域７と、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる上部ＤＢＲ８と、同じくｐ型のＧａＡｓコンタクト層９とを順次積層し積層体を得た。ただし、上部ＤＢＲ８内の最下層のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの入るべき周期の所には、ｐ型のＡｌＡｓ層１０を挿入した。この積層体の活性層５までを、三塩化ホウ素と塩素（ＢＣｌ3＋Ｃｌ2）ガスを用いた反応性イオンエッチングにより除去してメサ形状とした。これにより、ＡｌＡｓ層１０の側面が露出した。
【００４９】
メサ形状とされた積層体を、９５℃に加熱された純水をバブリングして得られた水蒸気を、窒素をキャリアガスに用いて酸化炉に輸送する導入管、該導入管を開閉するためのバルブ、及びヒータを備えた本発明の半導体製造装置の酸化炉内に戴置して４００℃に加熱し、加熱水蒸気によりＡｌＡｓ層１０の一部を露出面から選択的に酸化した。
【００５０】
ここで、実際に作製したいＶＣＳＥＬにおけるアパーチャ径とモニター用サンプルの反射率との関係を予め定量的に求めておくことは容易で、またそうすることでより正確なアパーチャ径の制御が可能となる。例えば、以下のようにして、実際に作製したいＶＣＳＥＬにおけるアパーチャ径とモニター用サンプルの反射率との関係を実験により求めることができる。
【００５１】
上述のＶＣＳＥＬ積層構造を持ち、ストライプ状にエッチングされたモニター用サンプルを作製した。ストライプ幅は約１５μｍ、ストライプ周期は約１００μｍで、反射スペクトルを測定するエリア（〜５ｍｍ角）全体に周期的にストライプが形成されている。処理時間を変えて酸化反応を行い、ストライプ幅に対して酸化された部分の割合が異なるサンプルを作製し、各サンプルを赤外線顕微鏡で観察して未酸化領域の幅（ＶＣＳＥＬのアパーチャ径に相当する）を測定し、各サンプルの波長９２０ｎｍの光に対する反射率を測定した。未酸化領域の幅は処理時間に正比例して狭くなり、反射率は処理時間に正比例して増加した。
【００５２】
また、実際に作製したいＶＣＳＥＬにおけるアパーチャ径とモニター用サンプルの反射率との関係を、計算により予測することもできる。被測定物として、図９Ａに示すような正方形（矩形）形状の酸化可能領域を有するモニター用サンプルＡと、図９Ｂに示すストライプ形状の酸化可能領域を有するモニター用サンプルＢとを想定し、ＡｌＡｓ層全てが酸化されるまでの波長９２０ｎｍの光に対する反射率とアパーチャ径の経時変化を計算した。反射率は、１）メサ底部、２）酸化部（メサ内）、３）未酸化部（メサ内）の３箇所について測定し、各部の面積比率を考慮した下記式に基づいて算出したトータルの反射率である。
【００５３】
Ｒ（トータルの反射率）＝Ｒ1Ｓ1＋Ｒ2Ｓ2＋Ｒ3Ｓ3
Ｒ1：メサ底部の反射率
Ｒ2：酸化部の反射率
Ｒ3：未酸化部の反射率
Ｓ1：メサ底部の面積比率
モニター用サンプルＡでは、Ｓ1＝１−（Ｂ／Ｌ）2
モニター用サンプルＢでは、Ｓ1＝１−Ｂ／Ｌ
Ｓ2：酸化部の面積比率
モニター用サンプルＡでは、Ｓ2＝（Ｂ2−Ａ2）／Ｌ2
モニター用サンプルＢでは、Ｓ2＝（Ｂ−Ａ）／Ｌ
Ｓ3：未酸化部の面積比率
モニター用サンプルＡでは、Ｓ3＝Ａ2／Ｌ2
モニター用サンプルＢでは、Ｓ3＝Ａ／Ｌ
なお、モニター用サンプルＡでは、Ａ＝Ｂ−２ｖｔの関係が成立する。
【００５４】
図１０からも分かるように、時間に比例してアパーチャー径（線Ｃで表す）は小さくなり、モニター用サンプルの反射率（線Ａで表す）は放物線を描いて増加し、モニター用サンプルの反射率（線Ｂで表す）は直線的に増加する。また、この結果は、実験により求めたデータともよく一致した。
【００５５】
上記関係に基づいて、モニター用サンプルの反射率が所望のアパーチャー径に対応する値になったときに、積層体を酸化炉から搬出し、酸化反応を終了した。
【００５６】
酸化反応終了後は、さらに、前記メサを覆うように、２５０℃でのプラズマ支援化学気層成長法にてシリコン酸窒化膜１１を約１μｍの厚さで着膜し、前記メサ上部に、出射口を除いてＴｉ／Ａｕの積層膜からなるｐ型電極１２を形成し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９と接続した。基板裏面には、裏面全体を覆うようにｎ型電極１３を形成した。
【００５７】
ここで、下部ＤＢＲ３はｎ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層と同Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とを各々厚さλ／（４ｎr）（λ：発振波長，ｎr：媒質の屈折率）づつ交互に４０．５周期積層して形成されたもので、ドーパントのシリコン濃度は２×１０18ｃｍ-3である。ｐ型のＡｌＡｓ層１０は厚さλ／（４ｎr）で、ドーパントのカーボン濃度は３×１０18ｃｍ-3である。上部ＤＢＲ８はｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層と同Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とを各々厚さλ／（４ｎr）づつ交互に３０周期積層して形成されたもので、ドーパントのカーボン濃度は３×１０18ｃｍ-3である。最後にｐ型のＧａＡｓコンタクト層９は膜厚２０ｎｍで、カーボン濃度は１×１０20ｃｍ-3である。上部ＤＢＲ８の周期数（層数）を下部ＤＢＲ３のそれよりも少なくしているのは、反射率に差をつけて出射光を基板上面より取り出すためである。ドーパントの種類についてはここに挙げたものに限らず、ｎ型ならばセレン、ｐ型ならば亜鉛やマグネシウムなどを用いることも可能である。また詳しくは述べないが素子の直列抵抗を下げるため、半導体多層膜中にはＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層の間に、その中間のアルミ組成比を有するいわゆる遷移領域を挟んでいる。メサを覆う絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜なども用いることができる。
【００５８】
得られた選択酸化型ＶＣＳＥＬは、以上のように構成され、ｎ型電極１３とｐ型電極間１２に電流を流すことによりレーザ発振を行うことができ、発振波長λ：７８０ｎｍのレーザ光を基板表面から取り出すことができる。
【００５９】
上記では、活性層にＡｌＧａＡｓを用いた近赤外波長のＶＣＳＥＬを例に説明したが、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓを用いた赤外用、ＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色用の面発光レーザにも適用できる。更には、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色もしくは紫外線面発光レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μｍ帯面発光レーザにも利用できることはもちろんである。ＤＢＲ層として半導体材料に限定されることなく、絶縁膜を用いることも可能である。
また、ＡｌＡｓ層を酸化する例について説明したが、ＡｌＧａＡｓを酸化する場合、さらにはその他の半導体層でも酸化現象が発生する材料にはすべて同様に利用できる。
【００６０】
また、ＡｌＡｓ層が活性層直上に１層だけ挿入されている例について説明したが、挿入位置は活性層直上に限らず、また、ＡｌＡｓ層の数は複数であっても本発明は利用できる。
【００６１】
また、酸化型ＶＣＳＥＬにはメサ形状を用いず、例えば、基板に酸化用穴を設けて酸化アパーチャーを形成する構造も提案されているが、本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法は、すべての酸化型ＶＣＳＥＬに有効に利用できる。
【００６２】
また、本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法は、酸化型ＶＣＳＥＬのアパーチャー径を形成するときの制御性向上策として利用することのみならず、ＶＣＳＥＬのＤＢＲミラーを酸化工程を用いて作製する時などにも利用できる。
【００６３】
以上の通り、本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法を選択酸化型ＶＣＳＥＬの製造に適用すれば、ＶＣＳＥＬ共振器の反射率を経時観察することで、酸化距離すなわちアパーチャー径を酸化反応中に測定することが可能となり、アパーチャー径を設計値通りに形成し、レーザ特性にばらつきのないＶＣＳＥＬを歩留まり良く製造することができるなど、選択酸化型ＶＣＳＥＬの製造プロセスの再現性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体製造装置の構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施の形態に係る半導体製造装置における被測定物の概略図である。
【図３】第１の実施の形態に係る半導体製造装置で行われる制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】未酸化領域の面積と平均反射率との相関関係を表すグラフである。
【図５】第２の実施の形態に係る半導体製造装置における被測定物の概略図である。
【図６】第２の実施の形態に係る半導体製造装置で行われる制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】未酸化領域の面積と平均反射率の変化率との相関関係を表すグラフである。
【図８】本発明を適用することができる選択酸化型ＶＣＳＥＬの構成を示す概略断面図である。
【図９】ＶＣＳＥＬのアパーチャ径と反射率の時間変化を計算するために用いた被測定物のモデルを表す概略図である。
【図１０】計算により求めたＶＣＳＥＬのアパーチャ径と反射率の時間変化を表すグラフである。
【図１１】選択酸化型ＶＣＳＥＬの電流−光出力特性のアパーチャ径依存性を示すグラフである。
【図１２】ＡｌＡｓとＡｌＯxの反射スペクトルの相違を比較するためのスペクトル図である。
【図１３】ＡｌＡｓの酸化による膜厚変化が反射スペクトルに与える影響を示すためのスペクトル図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 酸化炉
１２ 半導体前駆体
１３ モニター用サンプル
１４ 白色光源
１６ 反射光検出手段
１８ コンピュータ
２０ モニター
２２ ヒータ
２４ バルブ
２６ チョッパー
２８、３０ 光ファイバー
２９ フォトディテクター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置及び半導体製造方法に係り、詳しくは、半導体前駆体の酸化可能領域の一部を選択的に酸化して半導体を製造する半導体製造装置及び半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、端面発光型にくらべて、製造コストが低いこと、製造の歩留まりが高いこと、２次元集積化が容易なこと、等の多くの利点を有していることから、光通信、光情報処理、光記録など、多くの分野で用いることが期待されている。
【０００３】
ＶＣＳＥＬは、その基本構造から数種類のタイプに分類されるが、しきい電流値、応答速度、消費電力等、レーザ特性の観点から最も有望視されているのは、選択酸化型ＶＣＳＥＬと呼ばれているものである。例えば、K. D. Choquette et al. "Low threshold voltage vertical-cavity lasers fabricated by selective oxidation" Electron. Lett., Vol.30, pp.2033-2044, 1994等の文献に記載されているように、ＡｌＡｓ選択酸化型ＶＣＳＥＬは以下のようにして製造される。
【０００４】
まず、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓとＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３８周期積層した下部ｎ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層３層とＧａＡｓスぺーサー層で構成された膜厚が媒質内波長となるアンドープ活性領域、膜厚が媒質内波長の１／４のＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ電流狭窄層、ＧａＡｓとＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に２５周期積層した下部ｎ型ＤＢＲ層、を積層する。
【０００５】
次に、上記結晶層を反応性イオンエッチングにより、深さ５μｍ、一辺が１０５μｍのメサ形状にすると、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ電流狭窄層の側面が露出する。この露出面からＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ電流狭窄層を、中心の数μｍを残して選択的に酸化する。最後に、電極としてＴｉ／ＡｕとＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを上面と下面にそれぞれ蒸着し、選択酸化型ＶＣＳＥＬが完成する。
【０００６】
以上の通り、選択酸化型ＶＣＳＥＬは、結晶成長後にＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓの選択酸化プロセスを用いて電流狭窄構造を作りこむ特徴を持っている。その結果、結晶成長はすべて平坦面上で行われ、特性の良い結晶層を用いることができる。また、インプラ型で発生する活性層に与えるダメージの心配はない。
【０００７】
また、例えば、上記方法で作製されたＶＣＳＥＬに両面の電極を通して電流を注入すると、注入された電流は、酸化されなかったメサ形状の中心数μｍだけに狭窄され、９００μＡという低しきい電流値を示すなど、選択酸化型ＶＣＳＥＬは優れたレーザ特性を有している。
【０００８】
選択酸化型ＶＣＳＥＬでは、酸化されずに残ったＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ層をアパーチャ（開口）と称している。選択酸化型ＶＣＳＥＬは、低しきい電流値など、優れたレーザ特性を有しているが、各種レーザ特性はアパーチャ径に大きく左右される。
【０００９】
例えば、D.L.Huffaker et al. "Multiwavelength, Densely-Packed 2x2 Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Array Fabricated Using Selective Oxidation", IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.8, pp.858-860, 1996には、図１１に示すように、アパーチャー径が２、２．５、３、３．５μｍの選択酸化型ＶＣＳＥＬの電流−光出力特性が報告されている。図１１から分かるように、しきい電流値、効率がアパーチャー径に依存して大きく異なるデータとなっている。また、図には示されていないが、最大光出力もアパーチャー径に依存する。また、選択酸化型ＶＣＳＥＬのシングルモード最大光出力あるいは横モードはアパーチャー径に大きく依存するという報告もある。
【００１０】
アパーチャーを形成する酸化プロセスには、ＵＳＰ５２６２３６０号明細書等に記載されているようなウェット酸化法を用いるのが一般的である。この方法は、窒素をキャリアガスに用いて、８０〜１００℃に加熱された純水をバブリングし、その水蒸気を炉に輸送してＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ層の一部だけを選択的に酸化する方法で、酸化炉の温度は通常４００から５００℃である。従来は、実際に使用する酸化炉を用いて種々の条件でこの酸化プロセスによる酸化実験を繰り返し行い、得られた結果を元に最適化した条件で酸化を行い、選択酸化型ＶＣＳＥＬを作製していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、K.M.Geib et. al. "Fabfication issues of oxide-confined
VCSELs", SPIE Vol.3003, pp.69-74, 1997をはじめ多くの報告が示すように、酸化されるＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓの酸化レートは、サンプル温度、純水バブラー温度、窒素ガス輸送量、ＡｌＧａＡｓ中のＡｌＡｓ濃度、更にはＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ層側面に付着する自然酸化膜の膜厚等、幾つもの因子により影響される。
【００１２】
このため、１度設定した条件下で酸化を行うだけでは、メサ側面からの酸化距離をプロセス毎に再現性良く制御し、アパーチャー径を設計値通りに形成することは困難であり、その結果、ＶＣＳＥＬのレーザ特性は作製毎に異なり、製造歩留まりの低下を引き起こす、という問題があった。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、酸化反応の進行度合いを経時追跡することができ、これにより酸化反応を適切に制御することができる半導体製造装置及び半導体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】
【００１４】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の半導体製造装置は、酸化炉内の被測定物に光を照射する光源と、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出する反射光検出手段と、該反射光検出手段の検出信号に基づいて、反射率、平均反射率、反射率の変化率、または平均反射率の変化率を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載の発明では、酸化炉内の被測定物に光を照射する光源と反射光検出手段とを備えることにより、酸化反応中の被測定物からの反射光を検出することができ、演算手段により反射光検出手段の検出信号に基づいて反射率等を演算することにより、酸化反応中の被酸化物の反射率から酸化反応の進行度合いを知ることができる。すなわち、酸化反応の進行度合いを経時追跡することができる。また、これにより酸化反応を適切に制御することができる。
【００１６】
ＡｌＡｓ（あるいはＡｌＧａＡｓ）が酸化された部分にはＡｌＯxが形成されて絶縁化されると共に、光学的な特性に影響する屈折率ならびに膜厚が変化する。例えば、図１２に示すように、酸化反応が進行するに従いＶＣＳＥＬの共振器の反射スペクトルも変化する。酸化されていないＡｌＡｓ層を持つ共振器の反射スペクトルを実線で示し、ＡｌＡｓ層が総て酸化されて形成されたＡｌＯx層を持つ共振器の反射スペクトルを破線で示す。
【００１７】
共振器の構造は、アルミニウムガリウム砒素（Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ）からなる下部ＤＢＲと、Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなる下部スペーサ層、Ａｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層およびＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層からなる量子井戸活性層、Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなる上部スペーサ層とを含む活性領域、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる上部ＤＢＲ、ＧａＡｓコンタクト層とを順次積層したものである。ただし、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの入るべき上部ＤＢＲ内の最下層にはＡｌＡｓ層が挿入されている。ＡｌＡｓ層、ＡｌＯx層は、共にその膜厚が媒質内波長の１／４であり、ＡｌＯxの屈折率は１．７である。
【００１８】
両反射スペクトルは、中心波長である７８０ｎｍ付近にディップを持ち、７５０ｎｍ付近から８２０ｎｍ付近まで高い反射率を示す。このグラフのスケールでは、この波長帯域の両者のスペクトルに大きな違いは見られない。一方、それ以外の波長帯域には、周期的に振動するサイドローブが現れる。このサイドローブが現れる波長では、ＡｌＡｓ層を持つ場合とＡｌＯx層を持つ場合とで反射率が大きく異なることがわかる。例えば、８００〜１０００ｎｍの波長帯域での平均反射率は、ＡｌＡｓ層を持つ場合には約０．４５、ＡｌＯx層を持つ場合には約０．５８である。従って、酸化反応中の被酸化物の平均反射率を測定することができれば、酸化反応の進行度合いを経時追跡することが可能となる。
【００１９】
なお、酸化された部分の膜厚変化を図１３に示すが、膜厚が±２０％変化しても反射スペクトルには大きく影響しないことがわかる。
【００２０】
請求項２記載の半導体製造装置は、請求項１の発明において、前記被測定物は、半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルであることを特徴とする。
【００２１】
請求項３に記載の半導体製造装置は、請求項１または２の発明において、前記演算手段での演算結果を表示する表示手段を備えたことを特徴とする。表示手段を設けることで、オペレータは視覚的に酸化反応の進行度合いを知ることができる。
【００２２】
請求項４に記載の半導体製造装置は、請求項１〜３のいずれか１項の発明において、前記演算手段での演算結果に基づいて、反応を制御する反応制御手段を備えたことを特徴とする。反応制御手段を設けることで、酸化反応の進行度合いの追跡と酸化反応の制御とを１つの装置で行うことができる。
【００２３】
請求項５に記載の半導体製造装置は、請求項２〜４のいずれか１項の発明において、前記モニター用サンプルは、反射率が酸化時間に比例して増加または減少するように形成されていることを特徴とする。モニター用サンプルの反射率が酸化時間に比例して増加または減少する場合には、反射率の経時変化を追跡すると、酸化可能領域が消失した時点が特異点となって現れるので、オペレータが視覚的に反応の終点を認識し易い。
【００２４】
請求項６に記載の半導体製造方法は、半導体前駆体の酸化可能領域の一部を選択的に酸化して半導体を製造する半導体製造方法であって、酸化炉内の半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルに光を照射して、酸化反応中の半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルからの反射光を検出し、検出した反射光に基づいて、反射率、平均反射率、反射率の変化率、または平均反射率の変化率を演算し、演算結果に基づいて、酸化反応を制御して半導体を製造することを特徴とする。
【００２５】
請求項７に記載の半導体製造方法は、請求項６に記載の発明において、前記モニター用サンプルの酸化可能領域消失時の反射率の変化率がゼロになることに基づいて、酸化反応を制御することを特徴とする。半導体前駆体の未酸化領域の面積が所望の値になったときに、酸化可能領域が消失するように設計されたモニター用サンプルを用い、モニター用サンプルの反射率の変化率がゼロになる時点で酸化反応が終了するように制御すれば、所望の面積の未酸化領域を有する半導体前駆体を容易に得ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法は、酸化反応の進行度合いを経時追跡することができ、これにより酸化反応を適切に制御することができる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法を実施の形態に基づき詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る半導体製造装置は、水蒸気酸化を行うための装置であり、図１に示すように、酸化炉１０、図２に示す被測定物である正方形（矩形）形状の酸化可能領域１２Ａ（白抜き部分）を有する半導体前駆体１２、酸化炉１０内に配置された半導体前駆体１２に光を照射する白色光源１４、半導体前駆体１２からの反射光を検出する反射光検出手段１６、コンピュータ１８、及びコンピュータ１８に接続された表示手段としてのモニター２０から構成されている。
【００２８】
酸化炉１０には、ヒータ２２と水蒸気を導入するためのバルブ２４を備えた導入管とが設けられており、ヒータ２２の駆動回路とバルブ２４の駆動装置（図示せず）は、それぞれコンピュータ１８に接続されている。光源１４は、チョッパー２６を介して耐熱性・耐湿性の光ファイバー２８の一端に光結合され、光ファイバー２８の他端は、酸化炉１０内の半導体前駆体１２上方に固定配置され、半導体前駆体１２に光を照射する。
【００２９】
反射光検出手段１６は、異なる波長帯域の光を透過する複数（ｎ個）のフィルタ（図示せず）と、該フィルタの光透過側に各々配置されたフォトディテクター２９と、から構成されている。各フォトディテクター２９は、耐熱性・耐湿性の光ファイバー３０の一端に光結合され、光ファイバー３０の他端は、酸化炉１０内の半導体前駆体１２上方に固定配置されており、半導体前駆体１２からの反射光を検出し、検出信号を出力する。また、フォトディテクター２９は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）を介してコンピュータ１８に接続されており、フォトディテクター２９から出力された検出信号は、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換されてコンピュータ１８に入力される。なお、検出信号のＳ／Ｎ比が低い場合には、フォトディテクター２９とＡ／Ｄ変換器との間にロックインアンプ等の増幅器を挿入してもよい。
【００３０】
コンピュータ１８は、ＣＰＵ３２、ＲＯＭ３４、及びＲＡＭ３６を含んで構成されており、ＣＰＵ３２は、ＲＯＭ３４に記憶された以下に説明する制御ルーチンのプログラムに基づき処理を行う。
【００３１】
コンピュータ１８で実行される制御ルーチンを、図３を参照して説明する。
【００３２】
ステップ１００において、ｎ個のフィルタに対応して設けられた各フォトディテクター２９からの信号を取り込み、各フォトディテクター２９で受光した光量Ｉkを、予めＲＯＭに記憶された光源からの入射光量Ｉ0で除算して、各波長帯域での反射率Ｉk/Ｉ0を求め、ｎ個のフォトディテクターについての反射率Ｉk/Ｉ0を加算した加算値を個数ｎで除算することにより、ステップ１０２で所定波長帯域での平均反射率ｒ（＝Σ（Ｉk/Ｉ0）/ｎ）を演算する。
【００３３】
次に、ステップ１０４で演算した平均反射率ｒをモニター２０に表示し、ステップ１０６で反応停止条件が成立しているか否かを判別する。図２に示すような正方形（矩形）形状の酸化可能領域を有する半導体前駆体では、酸化可能領域は各辺から中心に向かって酸化されていき、このとき酸化速度は一定であるので酸化領域は時間の二乗に比例して増加する。酸化領域の反射率と非酸化領域の反射率は各々一定であるので、平均反射率ｒは酸化領域が増加するに従って変化し（具体的には、時間ｔの二乗に比例して増加する（ｒ∝ｔ2））、半導体前駆体の酸化可能領域１２Ａの総てが酸化されると一定になる。従って、予めＲＯＭに記憶しておいた平均反射率ｒと未酸化領域の面積ｓとの相関関係を表す図４に示すマップを用いて、所望の未酸化領域の面積ｓ。に対応する平均反射率ｒxを求め、平均反射率ｒが平均反射率ｒxと一致したときに反応停止条件が成立したと判断する。
【００３４】
または、オペレータによって停止信号がコンピュータ１８に入力されたときに反応停止条件が成立したと判断するようにしてもよい。すなわち、モニター２０に表示された平均反射率ｒの値を見て、オペレータが反応を停止するか否かを判断し、マニュアル操作で反応を停止させるようにしてもよい。ここで、反応停止条件が成立していれば、ステップ１０８で図示しない搬送装置により半導体前駆体１２を酸化炉１０外に搬出して、酸化反応を停止させる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る半導体製造装置は、被測定物として、酸化の進行度合いの追跡のためだけに半導体前駆体１２の近傍に配置されたモニター用サンプル１３を用いた以外は、第１の実施の形態と同様の構成であるので、同様の部分については説明を省略する。
【００３６】
モニター用サンプル１３は、図５に示すストライプ形状の酸化可能領域１３Ａ（白抜き部分）を有し、半導体前駆体の未酸化領域の面積が所望の値になったときに酸化可能領域１３Ａが消失するように設計されている。図５に示すストライプ形状の酸化可能領域を有するモニター用サンプル１３では、酸化可能領域は対向する２辺から中心に向かって酸化されていき、このとき酸化速度は一定であるので酸化領域は時間に比例して増加する。酸化領域の反射率と非酸化領域の反射率は各々一定であるので、平均反射率ｒは、酸化領域が増加するに従って変化し（具体的には、時間ｔに比例して増加する（ｒ∝ｔ））、酸化可能領域１３Ａの総てが酸化されると一定になる。
【００３７】
第２の実施の形態において、コンピュータ１８で実行される制御ルーチンを、図６を参照して説明する。
【００３８】
ステップ２００において、ｎ個のフィルタに対応して設けられた各フォトディテクター２９からの信号を取り込み、各フォトディテクター２９で受光した光量Ｉkを、予めＲＯＭに記憶された光源からの入射光量Ｉ0で除算して、各波長帯域での現時刻の反射率Ｉk/Ｉ0を求め、ｎ個のフォトディテクターについての反射率Ｉk/Ｉ0を加算した加算値を個数ｎで除算することにより、現時刻における所定波長帯域での平均反射率ｒnew（＝Σ（Ｉk/Ｉ0）/ｎ）を求める。同様にして求められＲＡＭに記憶された前回の所定波長帯域での平均反射率ｒoldから現時刻における所定波長帯域での平均反射率ｒnewを減算して、ステップ２０２で平均反射率の変化率Δｒ（＝ｒold−ｒnew）を演算する。
【００３９】
次に、ステップ２０４で演算した平均反射率の変化率Δｒをモニター２０に表示し、ステップ２０６で反応停止条件が成立しているか否かを判別する。ストライプ形状の酸化可能領域１３Ａを有するモニター用サンプル１３では、平均反射率の変化率Δｒは、酸化可能領域１３Ａが消失するまでは一定であり、酸化可能領域１３Ａが消失した時点で０となる。従って、平均反射率の変化率Δｒ＝０となったときに反応停止条件が成立したと判断することができる。
【００４０】
または、オペレータが表示装置に表示されたΔｒの値を目視し、Δｒ＝０となったときにスイッチの操作により停止信号を入力するようにし、オペレータによって停止信号がコンピュータ１８に入力されたときに反応停止条件が成立したと判断するようにしてもよい。ここで、反応停止条件が成立していれば、ステップ２０８で図示しない搬送装置により半導体前駆体１２を酸化炉１０外に搬出して、酸化反応を停止させる。
【００４１】
第１の実施の形態では、半導体前駆体の平均反射率を演算し、演算した平均反射率に基づいて酸化反応を制御したが、第２の実施の形態のように、平均反射率の変化率を演算し、演算した平均反射率の変化率に基づいて酸化反応を制御してもよい。また、第２の実施の形態では、平均反射率の変化率を用いたが、第１の実施の形態のように、反射光検出手段の検出信号に基づいて平均反射率を演算し、演算した平均反射率に基づいて酸化反応を制御してもよい。
【００４２】
第２の実施の形態では、被測定物として、図５に示すストライプ形状の酸化可能領域を有し、半導体前駆体の未酸化領域の面積が所望の値になったときに酸化可能領域が消失するように設計されたモニター用サンプル１３を用いたが、ストライプ形状に限られず、矩形、円、楕円等の半導体前駆体と同様の酸化可能領域を有するモニター用サンプルを用いてもよい。
【００４３】
例えば、被測定物として、半導体前駆体と同様の正方形（矩形）形状の酸化可能領域を有するモニター用サンプルを用いた場合には、平均反射率は時間の二乗に比例して増加するので、平均反射率の変化率Δｒは被測定物の酸化の度合いが進むにつれて低下し、酸化可能領域が消失した時点で０となる。従って、予めＲＯＭに記憶しておいた平均反射率の変化率Δｒと未酸化領域の面積との相関関係を表す図７に示すマップを用いて、所望の未酸化領域の面積ｓ0に対応する平均反射率の変化率Δｒ0を求め、平均反射率の変化率Δｒが平均反射率の変化率Δｒ0と一致したときに反応停止条件が成立したと判断することができる。
【００４４】
第１及び第２の実施の形態では、光源として白色光源を用いフィルターで分光して特定のスペクトル範囲での平均反射率を測定したが、光源はＬＥＤでもよく、また、レーザ光源を用い特定の波長での反射率を測定することもできる。
【００４５】
第１及び第２の実施の形態では、水蒸気酸化を行う装置について説明したが、その他の酸化方法にもこの発明が適用できることは言うまでもない。
【００４６】
第１及び第２の実施の形態では、搬送装置により半導体前駆体を酸化炉外に搬出して酸化反応を停止させたが、酸化炉に備えられたヒータの駆動回路をオフにする、または水蒸気を導入するためのバルブを閉じる等の操作により、酸化反応を停止させてもよい。
【００４７】
次に、本実施の形態の半導体製造装置を、図８に示す選択酸化型の面発光型半導体レーザの製造に適用した例を示す。
【００４８】
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層２と、ｎ型のアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ）からなる下部ｎ型ＤＢＲ３と、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなる下部スペーサ層４、アンドープのＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層からなる量子井戸活性層５、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなる上部スペーサ層６とを含む活性領域７と、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる上部ＤＢＲ８と、同じくｐ型のＧａＡｓコンタクト層９とを順次積層し積層体を得た。ただし、上部ＤＢＲ８内の最下層のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの入るべき周期の所には、ｐ型のＡｌＡｓ層１０を挿入した。この積層体の活性層５までを、三塩化ホウ素と塩素（ＢＣｌ3＋Ｃｌ2）ガスを用いた反応性イオンエッチングにより除去してメサ形状とした。これにより、ＡｌＡｓ層１０の側面が露出した。
【００４９】
メサ形状とされた積層体を、９５℃に加熱された純水をバブリングして得られた水蒸気を、窒素をキャリアガスに用いて酸化炉に輸送する導入管、該導入管を開閉するためのバルブ、及びヒータを備えた本発明の半導体製造装置の酸化炉内に戴置して４００℃に加熱し、加熱水蒸気によりＡｌＡｓ層１０の一部を露出面から選択的に酸化した。
【００５０】
ここで、実際に作製したいＶＣＳＥＬにおけるアパーチャ径とモニター用サンプルの反射率との関係を予め定量的に求めておくことは容易で、またそうすることでより正確なアパーチャ径の制御が可能となる。例えば、以下のようにして、実際に作製したいＶＣＳＥＬにおけるアパーチャ径とモニター用サンプルの反射率との関係を実験により求めることができる。
【００５１】
上述のＶＣＳＥＬ積層構造を持ち、ストライプ状にエッチングされたモニター用サンプルを作製した。ストライプ幅は約１５μｍ、ストライプ周期は約１００μｍで、反射スペクトルを測定するエリア（〜５ｍｍ角）全体に周期的にストライプが形成されている。処理時間を変えて酸化反応を行い、ストライプ幅に対して酸化された部分の割合が異なるサンプルを作製し、各サンプルを赤外線顕微鏡で観察して未酸化領域の幅（ＶＣＳＥＬのアパーチャ径に相当する）を測定し、各サンプルの波長９２０ｎｍの光に対する反射率を測定した。未酸化領域の幅は処理時間に正比例して狭くなり、反射率は処理時間に正比例して増加した。
【００５２】
また、実際に作製したいＶＣＳＥＬにおけるアパーチャ径とモニター用サンプルの反射率との関係を、計算により予測することもできる。被測定物として、図９Ａに示すような正方形（矩形）形状の酸化可能領域を有するモニター用サンプルＡと、図９Ｂに示すストライプ形状の酸化可能領域を有するモニター用サンプルＢとを想定し、ＡｌＡｓ層全てが酸化されるまでの波長９２０ｎｍの光に対する反射率とアパーチャ径の経時変化を計算した。反射率は、１）メサ底部、２）酸化部（メサ内）、３）未酸化部（メサ内）の３箇所について測定し、各部の面積比率を考慮した下記式に基づいて算出したトータルの反射率である。
【００５３】
Ｒ（トータルの反射率）＝Ｒ1Ｓ1＋Ｒ2Ｓ2＋Ｒ3Ｓ3
Ｒ1：メサ底部の反射率
Ｒ2：酸化部の反射率
Ｒ3：未酸化部の反射率
Ｓ1：メサ底部の面積比率
モニター用サンプルＡでは、Ｓ1＝１−（Ｂ／Ｌ）2
モニター用サンプルＢでは、Ｓ1＝１−Ｂ／Ｌ
Ｓ2：酸化部の面積比率
モニター用サンプルＡでは、Ｓ2＝（Ｂ2−Ａ2）／Ｌ2
モニター用サンプルＢでは、Ｓ2＝（Ｂ−Ａ）／Ｌ
Ｓ3：未酸化部の面積比率
モニター用サンプルＡでは、Ｓ3＝Ａ2／Ｌ2
モニター用サンプルＢでは、Ｓ3＝Ａ／Ｌ
なお、モニター用サンプルＡでは、Ａ＝Ｂ−２ｖｔの関係が成立する。
【００５４】
図１０からも分かるように、時間に比例してアパーチャー径（線Ｃで表す）は小さくなり、モニター用サンプルの反射率（線Ａで表す）は放物線を描いて増加し、モニター用サンプルの反射率（線Ｂで表す）は直線的に増加する。また、この結果は、実験により求めたデータともよく一致した。
【００５５】
上記関係に基づいて、モニター用サンプルの反射率が所望のアパーチャー径に対応する値になったときに、積層体を酸化炉から搬出し、酸化反応を終了した。
【００５６】
酸化反応終了後は、さらに、前記メサを覆うように、２５０℃でのプラズマ支援化学気層成長法にてシリコン酸窒化膜１１を約１μｍの厚さで着膜し、前記メサ上部に、出射口を除いてＴｉ／Ａｕの積層膜からなるｐ型電極１２を形成し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９と接続した。基板裏面には、裏面全体を覆うようにｎ型電極１３を形成した。
【００５７】
ここで、下部ＤＢＲ３はｎ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層と同Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とを各々厚さλ／（４ｎr）（λ：発振波長，ｎr：媒質の屈折率）づつ交互に４０．５周期積層して形成されたもので、ドーパントのシリコン濃度は２×１０18ｃｍ-3である。ｐ型のＡｌＡｓ層１０は厚さλ／（４ｎr）で、ドーパントのカーボン濃度は３×１０18ｃｍ-3である。上部ＤＢＲ８はｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層と同Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とを各々厚さλ／（４ｎr）づつ交互に３０周期積層して形成されたもので、ドーパントのカーボン濃度は３×１０18ｃｍ-3である。最後にｐ型のＧａＡｓコンタクト層９は膜厚２０ｎｍで、カーボン濃度は１×１０20ｃｍ-3である。上部ＤＢＲ８の周期数（層数）を下部ＤＢＲ３のそれよりも少なくしているのは、反射率に差をつけて出射光を基板上面より取り出すためである。ドーパントの種類についてはここに挙げたものに限らず、ｎ型ならばセレン、ｐ型ならば亜鉛やマグネシウムなどを用いることも可能である。また詳しくは述べないが素子の直列抵抗を下げるため、半導体多層膜中にはＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層の間に、その中間のアルミ組成比を有するいわゆる遷移領域を挟んでいる。メサを覆う絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜なども用いることができる。
【００５８】
得られた選択酸化型ＶＣＳＥＬは、以上のように構成され、ｎ型電極１３とｐ型電極間１２に電流を流すことによりレーザ発振を行うことができ、発振波長λ：７８０ｎｍのレーザ光を基板表面から取り出すことができる。
【００５９】
上記では、活性層にＡｌＧａＡｓを用いた近赤外波長のＶＣＳＥＬを例に説明したが、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓを用いた赤外用、ＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色用の面発光レーザにも適用できる。更には、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色もしくは紫外線面発光レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μｍ帯面発光レーザにも利用できることはもちろんである。ＤＢＲ層として半導体材料に限定されることなく、絶縁膜を用いることも可能である。
また、ＡｌＡｓ層を酸化する例について説明したが、ＡｌＧａＡｓを酸化する場合、さらにはその他の半導体層でも酸化現象が発生する材料にはすべて同様に利用できる。
【００６０】
また、ＡｌＡｓ層が活性層直上に１層だけ挿入されている例について説明したが、挿入位置は活性層直上に限らず、また、ＡｌＡｓ層の数は複数であっても本発明は利用できる。
【００６１】
また、酸化型ＶＣＳＥＬにはメサ形状を用いず、例えば、基板に酸化用穴を設けて酸化アパーチャーを形成する構造も提案されているが、本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法は、すべての酸化型ＶＣＳＥＬに有効に利用できる。
【００６２】
また、本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法は、酸化型ＶＣＳＥＬのアパーチャー径を形成するときの制御性向上策として利用することのみならず、ＶＣＳＥＬのＤＢＲミラーを酸化工程を用いて作製する時などにも利用できる。
【００６３】
以上の通り、本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法を選択酸化型ＶＣＳＥＬの製造に適用すれば、ＶＣＳＥＬ共振器の反射率を経時観察することで、酸化距離すなわちアパーチャー径を酸化反応中に測定することが可能となり、アパーチャー径を設計値通りに形成し、レーザ特性にばらつきのないＶＣＳＥＬを歩留まり良く製造することができるなど、選択酸化型ＶＣＳＥＬの製造プロセスの再現性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体製造装置の構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施の形態に係る半導体製造装置における被測定物の概略図である。
【図３】第１の実施の形態に係る半導体製造装置で行われる制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】未酸化領域の面積と平均反射率との相関関係を表すグラフである。
【図５】第２の実施の形態に係る半導体製造装置における被測定物の概略図である。
【図６】第２の実施の形態に係る半導体製造装置で行われる制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】未酸化領域の面積と平均反射率の変化率との相関関係を表すグラフである。
【図８】本発明を適用することができる選択酸化型ＶＣＳＥＬの構成を示す概略断面図である。
【図９】ＶＣＳＥＬのアパーチャ径と反射率の時間変化を計算するために用いた被測定物のモデルを表す概略図である。
【図１０】計算により求めたＶＣＳＥＬのアパーチャ径と反射率の時間変化を表すグラフである。
【図１１】選択酸化型ＶＣＳＥＬの電流−光出力特性のアパーチャ径依存性を示すグラフである。
【図１２】ＡｌＡｓとＡｌＯxの反射スペクトルの相違を比較するためのスペクトル図である。
【図１３】ＡｌＡｓの酸化による膜厚変化が反射スペクトルに与える影響を示すためのスペクトル図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 酸化炉
１２ 半導体前駆体
１３ モニター用サンプル
１４ 白色光源
１６ 反射光検出手段
１８ コンピュータ
２０ モニター
２２ ヒータ
２４ バルブ
２６ チョッパー
２８、３０ 光ファイバー
２９ フォトディテクター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化炉内の被測定物に光を照射する光源と、
酸化反応中の被測定物からの反射光を検出する反射光検出手段と、
該反射光検出手段の検出信号に基づいて、反射率、平均反射率、反射率の変化率、または平均反射率の変化率を演算する演算手段と、
を備えた半導体製造装置。
【請求項２】
前記被測定物は、半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルである請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記演算手段での演算結果を表示する表示手段を備えた請求項１または２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記演算手段での演算結果に基づいて、反応を制御する反応制御手段を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記モニター用サンプルは、反射率が酸化時間に比例して増加または減少するように形成されている請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項６】
半導体前駆体の酸化可能領域の一部を選択的に酸化して半導体を製造する半導体製造方法であって、
酸化炉内の半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルに光を照射して、酸化反応中の半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルからの反射光を検出し、
検出した反射光に基づいて、反射率、平均反射率、反射率の変化率、または平均反射率の変化率を演算し、
演算結果に基づいて、酸化反応を制御して半導体を製造する半導体製造方法。
【請求項７】
前記モニター用サンプルの酸化可能領域消失時の反射率の変化率がゼロになることに基づいて、酸化反応を制御する請求項６に記載の半導体製造方法。
【請求項１】
酸化炉内の被測定物に光を照射する光源と、
酸化反応中の被測定物からの反射光を検出する反射光検出手段と、
該反射光検出手段の検出信号に基づいて、反射率、平均反射率、反射率の変化率、または平均反射率の変化率を演算する演算手段と、
を備えた半導体製造装置。
【請求項２】
前記被測定物は、半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルである請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記演算手段での演算結果を表示する表示手段を備えた請求項１または２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記演算手段での演算結果に基づいて、反応を制御する反応制御手段を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記モニター用サンプルは、反射率が酸化時間に比例して増加または減少するように形成されている請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項６】
半導体前駆体の酸化可能領域の一部を選択的に酸化して半導体を製造する半導体製造方法であって、
酸化炉内の半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルに光を照射して、酸化反応中の半導体前駆体または半導体前駆体の近傍に配置されたモニター用サンプルからの反射光を検出し、
検出した反射光に基づいて、反射率、平均反射率、反射率の変化率、または平均反射率の変化率を演算し、
演算結果に基づいて、酸化反応を制御して半導体を製造する半導体製造方法。
【請求項７】
前記モニター用サンプルの酸化可能領域消失時の反射率の変化率がゼロになることに基づいて、酸化反応を制御する請求項６に記載の半導体製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−１３５３５８（Ｐ２００６−１３５３５８Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１５５９（Ｐ２００６−２１５５９）
【出願日】平成１８年１月３０日（２００６．１．３０）
【分割の表示】特願平１１−２７２５５９の分割
【原出願日】平成１１年９月２７日（１９９９．９．２７）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月３０日（２００６．１．３０）
【分割の表示】特願平１１−２７２５５９の分割
【原出願日】平成１１年９月２７日（１９９９．９．２７）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
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