JP2000277436A - Manufacture of nitride semiconductor - Google Patents

Manufacture of nitride semiconductor

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JP2000277436A
JP2000277436A JP7954899A JP7954899A JP2000277436A JP 2000277436 A JP2000277436 A JP 2000277436A JP 7954899 A JP7954899 A JP 7954899A JP 7954899 A JP7954899 A JP 7954899A JP 2000277436 A JP2000277436 A JP 2000277436A
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JP
Japan
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raw material
temperature
reaction chamber
nitride semiconductor
cylinder
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Application number
JP7954899A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Uchida
和男 内田
Shinji Nozaki
眞次 野崎
Hiroshi Morizaki
弘 森崎
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Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To allow even and large-area film forming for mass production by lowering a process temperature on forming semiconductor thin-film. SOLUTION: The vacuum exhausting within a reactive chamber 1 is set to an appropriate pressure, the temperature of a sapphire substrate is raised and kept to a specified temperature, and the material from a trimethylgallium bomb 3 and trimethylamine bomb 4 is introduced into the reactive chamber 1. After the introduction, the reactive chamber 1 is applied with high frequency to start film-formation with plasma discharge. After a specified time, the temperature of the sapphire substrate is started to be lowered, supply of material gas is stopped, and addition of high frequency plasma is stopped for completion. When the temperature of sapphire substrate in the reactive chamber 1 comes to a room temperature, the reactive chamber 1 is restored to an atmosphere using nitrogen, and a sample of nitride semiconductor thin-film deposited on the sapphire substrate is taken out.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、有機アミン化合物
を用いた窒化物半導体薄膜製造方法に係り、特に、III
族原料として有機金属、V族原料として有機アミン化合
物を用いるIII族窒化物半導体の気相成長法、化学蒸着
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a nitride semiconductor thin film using an organic amine compound.
The present invention relates to a vapor phase growth method and a chemical vapor deposition method of a group III nitride semiconductor using an organic metal as a group V raw material and an organic amine compound as a group V raw material.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、III族窒化物半導体は、有機金
属化学気相成長法(MOCVD(MetalOrganic Chemica
l Vapor Deposition))、分子線エピタキシー法(MB
E(Molecular Beam Epitaxy))で作製が行われてい
る。
2. Description of the Related Art In general, a group III nitride semiconductor is produced by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
l Vapor Deposition), molecular beam epitaxy (MB
E (Molecular Beam Epitaxy).

【0003】MOCVDにおいて、III族窒化物半導体
を製造する場合、原料としては、III族原料に有機金
属、窒素原料にアンモニアガスを使用する。また、反応
室に置かれる基板は、抵抗式ヒータ、又は、高周波誘導
(RF)加熱により昇温され、反応室に導入される原料
ガスの熱分解により窒化物半導体薄膜が基板上に製膜さ
れる。一般に、反応室の製膜圧力は、1気圧から1/1
0気圧程度である。
In the case of producing a group III nitride semiconductor by MOCVD, as a raw material, an organic metal is used as a group III raw material and an ammonia gas is used as a nitrogen raw material. The substrate placed in the reaction chamber is heated by a resistance heater or high frequency induction (RF) heating, and a nitride semiconductor thin film is formed on the substrate by thermal decomposition of a source gas introduced into the reaction chamber. You. Generally, the film forming pressure in the reaction chamber is from 1 atm to 1/1.
It is about 0 atm.

【0004】一方、MBEにおいては、III族窒化物半
導体を製造する場合、III族原料として蒸発セルに金属
単体を入れ、これを高真空中で加熱することにより金属
の分子線を発生させ、加熱した基板に分子線として衝突
させて物理吸着させる。また、窒素原料としては窒素ガ
ス、又は、アンモニアをプラズマ状にするか、活性なイ
オンの状態にして、III族原料と同様に、分子線として
基板に衝突させ、窒化物半導体を作製する。
[0004] On the other hand, in the case of producing a group III nitride semiconductor in MBE, a simple metal is put into an evaporation cell as a group III raw material and heated in a high vacuum to generate a molecular beam of the metal. The substrate is made to collide as a molecular beam to be physically adsorbed. In addition, as a nitrogen source, nitrogen gas or ammonia is made into a plasma state or is made into an active ion state, and is made to collide with a substrate as a molecular beam as in the case of the group III source, thereby producing a nitride semiconductor.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、MOC
VDでは、アンモニアガスを窒化原料とした場合、アン
モニア分解温度が高いために全般にプロセス温度が高温
となる。通常のCVDプロセスにおいては、半導体基板
は、何らかの方法で加熱され、そこへ反応性ガスが導入
されることで化学反応により所望の半導体薄膜が基板上
に形成される。しかし、この基板温度が、例えば100
0℃以上の高温になると、この熱により上昇気流が発生
し、反応性ガスが基板上に届くことの妨げになる。この
ように、原料ガスの反応室での熱による上昇気流の発生
という熱対流の問題が生じ、これを抑えるために原料ガ
スを反応室に送り込むために使用する窒素、又は、水素
キャリアガスの流量が大きくなってしまう。また、この
熱対流を防止するために反応室形状が複雑となる。これ
ら2つの要因で製造コストの増加、大面積基板状への薄
膜成長が困難となり、量産化への障害となっている。
However, the MOC
In the case of VD, when an ammonia gas is used as a nitriding raw material, the process temperature is generally high because the ammonia decomposition temperature is high. In a normal CVD process, a semiconductor substrate is heated by some method, and a reactive gas is introduced into the semiconductor substrate to form a desired semiconductor thin film on the substrate by a chemical reaction. However, if the substrate temperature is, for example, 100
At a high temperature of 0 ° C. or higher, this heat generates an ascending airflow, which hinders the reactive gas from reaching the substrate. As described above, a problem of thermal convection, that is, generation of an updraft due to heat of the source gas in the reaction chamber, occurs. In order to suppress this, the flow rate of the nitrogen or hydrogen carrier gas used to feed the source gas into the reaction chamber is reduced. Becomes large. Further, the shape of the reaction chamber becomes complicated in order to prevent this heat convection. These two factors increase the manufacturing cost and make it difficult to grow a thin film on a large-area substrate, which is an obstacle to mass production.

【0006】現在、青色発光系の窒化物半導体デバイス
はGaN、GaInN等で構成されている。しかし、GaNのMO
CVDによる最適成長温度は、1000℃以上であり、
一方、GaInNを構成する材料のひとつであるInNは、60
0℃近辺であるため、これらの熱力学的な安定度が大き
く異なる。すなわち、Ga1-xInxNは、全体的なIn濃度xが
増加すると安定生成温度が低下することとなる。また、
アンモニアガスを窒化物原料とした場合、アンモニア分
解温度が高いために、低い温度では充分に活性窒素を供
給することができず、MOCVDでは、高In濃度を有す
るGa1-xInxNの成長が困難になっている。また、MOC
VDのプロセス温度が1000℃以上と高温であるため
に、基板に高温安定なものが要求されるので、基板選択
の自由度が小さくなる。
At present, a nitride semiconductor device of a blue light emitting system is composed of GaN, GaInN or the like. However, GaN MO
The optimal growth temperature by CVD is 1000 ° C. or higher,
On the other hand, InN, which is one of the materials constituting GaInN, is 60
Since the temperature is around 0 ° C., their thermodynamic stability greatly differs. In other words, the stable generation temperature of Ga 1-x In x N decreases as the overall In concentration x increases. Also,
When ammonia gas is used as the nitride raw material, the decomposition temperature of ammonia is high, so that active nitrogen cannot be supplied sufficiently at a low temperature. In MOCVD, the growth of Ga 1-x In x N having a high In concentration is high. Has become difficult. Also, MOC
Since the process temperature of the VD is as high as 1000 ° C. or higher, the substrate needs to be stable at a high temperature, so that the degree of freedom in selecting the substrate is reduced.

【0007】また、MBE装置は、分子線を発生しなけ
ればならず、さらに、反応室において高真空度が要求さ
れる。このような環境の中に、良質な結晶を生成するた
めの充分な活性窒素等の原料ガスを供給することは物理
的に非常に難しく、量産に適していない。
Further, the MBE apparatus must generate a molecular beam, and further requires a high vacuum in the reaction chamber. In such an environment, it is physically very difficult to supply a sufficient amount of a raw material gas such as active nitrogen for producing high-quality crystals, and it is not suitable for mass production.

【0008】本発明は、以上の点に鑑み、窒化物半導体
薄膜作製法のV族原料として広く使用されているアンモ
ニアガス等の代わりに、有機アミン化合物を用いること
で半導体薄膜作製におけるプロセス温度を低温化するこ
とを目的とする。
In view of the above, the present invention reduces the process temperature in the preparation of a semiconductor thin film by using an organic amine compound instead of ammonia gas or the like which is widely used as a group V raw material in the method of preparing a nitride semiconductor thin film. The purpose is to lower the temperature.

【0009】また、本発明は、この半導体薄膜作製プロ
セス温度の低温化により、上述のような熱対流の問題も
生じないようにするとともに、装置設計を単純化し、キ
ャリアガス等の消費も抑えて製造コストを低下させるこ
とを目的とする。本発明は、ガス分解にRFプラズマを
用いたプラズマCVD法を採用することにより、大面積
で均一な製膜を行うようにし、量産化することを目的と
する。さらに、本発明は、高In濃度を有するGa1-xInxN
の成長を容易とすることを目的とする。
Further, the present invention prevents the above-mentioned problem of heat convection by lowering the semiconductor thin film fabrication process temperature, simplifies the device design, and suppresses the consumption of carrier gas and the like. The purpose is to reduce the manufacturing cost. An object of the present invention is to mass-produce a large-area and uniform film by employing a plasma CVD method using RF plasma for gas decomposition. Further, the present invention provides a Ga 1-x In x N having a high In concentration.
The purpose is to facilitate the growth of.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の解決手段
によると、III族原料の有機金属化合物である第1の原
料を供給し、V族原料の有機アミン化合物である第2の
原料を供給し、プラズマCVDを用いることにより前記
第1及び第2の原料を反応させて基板上に窒化物半導体
薄膜を作製する窒化物半導体製造方法を提供する。
According to a first aspect of the present invention, a first raw material which is an organometallic compound of a group III raw material is supplied, and a second raw material which is an organic amine compound of a group V raw material is supplied. And a method for producing a nitride semiconductor thin film on a substrate by reacting the first and second raw materials by using plasma CVD.

【0011】また、本発明の第2の解決手段によると、
III族原料の有機金属化合物である第1の原料を供給
し、V族原料の有機アミン化合物である第2の原料を供
給し、さらに、前記第1の原料と異なるIII族原料であ
る第3の原料を供給し、前記第1、第2及び第3の原料
を反応させて基板上に窒化物半導体薄膜を作製する窒化
物半導体製造方法を提供する。
According to a second solution of the present invention,
A first raw material that is an organic metal compound of a Group III raw material is supplied, a second raw material that is an organic amine compound of a Group V raw material is supplied, and a third raw material that is a Group III raw material different from the first raw material is supplied. And a method for producing a nitride semiconductor thin film on a substrate by supplying the first, second, and third raw materials and reacting the first, second, and third raw materials.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】図1に、本発明に関する窒化物半
導体製造装置の第1の実施の形態の説明図を示す。ここ
では、一例として、二極放電型の高周波プラズマCVD
(Chemical Vapor Deposition、化学蒸着法)装置を用
いてGaN薄膜を形成する窒化物半導体製造方法について
説明する。
FIG. 1 is an explanatory view of a first embodiment of a nitride semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention. Here, as an example, a bipolar discharge type high frequency plasma CVD
(Chemical Vapor Deposition) A method of manufacturing a nitride semiconductor for forming a GaN thin film using an apparatus will be described.

【0013】この高周波プラズマCVD装置は、反応室
1、マスフロー・コントローラー2、6、トリメチルガ
リウム・ボンベ3、トリメチルアミン・ボンベ4、ヒー
ター8、ガラス管9及びステンレス管10を備える。反
応室1は、ガラス管9により、マスフロー・コントロー
ラー2を介してトリメチルガリウム・ボンベ3と接続さ
れている。また、反応室1は、ステンレス管10によ
り、マスフロー・コントローラー6を介してトリメチル
アミン・ボンベ4に接続されている。トリメチルガリウ
ム・ボンベ3から供給されるIII族原料である原料、例
えば、トリメチルガリウムは、常温常圧下では液体であ
り、その蒸気圧よりも反応室1の圧力を小さくすること
により、マスフロー・コントローラー2を用いてガスと
して反応室1に供給される。ガラス管9は、トリメチル
ガリウム・ボンベ3から供給される原料がガラス管9を
通過中に液化することを防止するために、ヒーター8に
よって巻かれており、例えば、60℃に保持されてい
る。なお、この装置では、アンモニア・ボンベ5及びマ
スフロー・コントローラー7は、従来技術で使用されて
いるものであり、本発明との比較実験のために備えられ
ているものであり、本発明に係るものではない。
This high-frequency plasma CVD apparatus includes a reaction chamber 1, mass flow controllers 2, 6, a trimethylgallium cylinder 3, a trimethylamine cylinder 4, a heater 8, a glass tube 9, and a stainless steel tube 10. The reaction chamber 1 is connected to a trimethylgallium cylinder 3 via a mass flow controller 2 by a glass tube 9. The reaction chamber 1 is connected to a trimethylamine cylinder 4 via a mass flow controller 6 by a stainless steel tube 10. A raw material that is a group III raw material supplied from the trimethylgallium cylinder 3, for example, trimethylgallium is a liquid at normal temperature and normal pressure, and the pressure in the reaction chamber 1 is made smaller than its vapor pressure, so that the mass flow controller 2 Is supplied to the reaction chamber 1 as a gas. The glass tube 9 is wound by a heater 8 in order to prevent the raw material supplied from the trimethylgallium cylinder 3 from liquefying while passing through the glass tube 9, and is kept at, for example, 60 ° C. In this apparatus, the ammonia cylinder 5 and the mass flow controller 7 are used in the prior art, and are provided for a comparative experiment with the present invention. is not.

【0014】図2に、図1の反応室1の拡大構成図を示
す。
FIG. 2 is an enlarged view of the reaction chamber 1 shown in FIG.

【0015】反応室1は、ヒーター21、RF(radio-
frequency)盤22及び24を備える。サファイア基板
23は、RF盤22に設置されており、このRF盤22
内のヒーター21によって所定の温度に加熱される。こ
のような高周波プラズマCVD装置により製膜される窒
化物半導体薄膜は、反応室1内のサファイア基板23上
に堆積される。また、ガラス管9は、図示のように反応
室1内に挿入されている。トリメチルアミン・ボンベ4
から供給される原料は、高周波プラズマCVD装置中の
反応室1内のサファイア基板23の反対側にあるRF盤
24中の多数の細かい穴より噴射される。このトリメチ
ルアミン・ボンベ4から供給される原料であるトリメチ
ルアミンは、もともとガスであるのでマスフロー・コン
トローラー6を介して、ステンレス管10によりそのま
ま反応室1に供給される。
The reaction chamber 1 includes a heater 21 and an RF (radio-
frequency) boards 22 and 24 are provided. The sapphire substrate 23 is installed on the RF panel 22, and the RF panel 22
Heated to a predetermined temperature by the heater 21 inside. The nitride semiconductor thin film formed by such a high-frequency plasma CVD apparatus is deposited on the sapphire substrate 23 in the reaction chamber 1. The glass tube 9 is inserted into the reaction chamber 1 as shown. Trimethylamine cylinder 4
Is injected from a number of small holes in an RF board 24 on the opposite side of the sapphire substrate 23 in the reaction chamber 1 in the high-frequency plasma CVD apparatus. Since trimethylamine, which is a raw material supplied from the trimethylamine cylinder 4, is originally a gas, it is supplied to the reaction chamber 1 as it is via the stainless steel tube 10 via the mass flow controller 6.

【0016】つぎに、本発明に係る窒化物半導体製造方
法について説明する。ここでは、一例として、高周波プ
ラズマCVD装置による気相成長方法を説明する。
Next, a method for manufacturing a nitride semiconductor according to the present invention will be described. Here, a vapor phase growth method using a high-frequency plasma CVD apparatus will be described as an example.

【0017】まず、反応室1の真空排気を適当な圧力、
一例として、200mTorr程度とする。反応室1内のサ
ファイア基板23の温度を上昇させ、所定温度例えば、
300℃に保持し、トリメチルガリウム・ボンベ3及び
トリメチルアミン・ボンベ4からの原料を反応室1へ導
入する。この際、トリメチルガリウム・ボンベ3及びト
リメチルアミン・ボンベ4からの原料は、すべてガス状
態で反応室に導入される。これらの原料が反応室1内に
導入された後、反応室1に高周波を印加してプラズマ放
電により、製膜を開始する。反応室1内のトリメチルガ
リウム・ボンベ3及びトリメチルアミン・ボンベ4のガ
スは、高周波プラズマにより分解され反応する。この所
定の時間が経過した後、サファイア基板23の温度下降
を開始し、トリメチルガリウム・ボンベ3及びトリメチ
ルアミン・ボンベ4のガスの供給を停止する。高周波プ
ラズマの付加を停止して製膜を終了した後、反応室1内
のサファイア基板23の温度が室温になったら、反応室
1を窒素で大気に戻し、サファイア基板23に堆積され
た窒化物半導体薄膜のサンプルを取り出す。
First, the reaction chamber 1 is evacuated to a suitable pressure,
As an example, it is set to about 200 mTorr. The temperature of the sapphire substrate 23 in the reaction chamber 1 is raised, and a predetermined temperature, for example,
While maintaining the temperature at 300 ° C., the raw materials from the trimethylgallium cylinder 3 and the trimethylamine cylinder 4 are introduced into the reaction chamber 1. At this time, the raw materials from the trimethylgallium cylinder 3 and the trimethylamine cylinder 4 are all introduced into the reaction chamber in a gaseous state. After these raw materials are introduced into the reaction chamber 1, a high frequency is applied to the reaction chamber 1, and a film is formed by plasma discharge. The gases in the trimethylgallium cylinder 3 and the trimethylamine cylinder 4 in the reaction chamber 1 are decomposed and reacted by high-frequency plasma. After the elapse of the predetermined time, the temperature of the sapphire substrate 23 starts to decrease, and the supply of the gas from the trimethylgallium cylinder 3 and the trimethylamine cylinder 4 is stopped. After the application of the high-frequency plasma is stopped and the film formation is completed, when the temperature of the sapphire substrate 23 in the reaction chamber 1 reaches room temperature, the reaction chamber 1 is returned to the atmosphere with nitrogen, and the nitride deposited on the sapphire substrate 23 is removed. Take a sample of the semiconductor thin film.

【0018】このような高周波プラズマCVD装置にお
いて、反応室1は、一例として、薄膜作成中は真空ポン
プで排気され、反応室1内の圧力はおよそ200mTorr
に維持されている。なお、一例として、高周波の使用周
波数を13.56MHz、高周波パワーを100W、付
属のヒーターにより反応室1内の基板温度を300〜3
50℃、反応室1の圧力を200mTorrとして製膜を行
った。
In such a high-frequency plasma CVD apparatus, for example, the reaction chamber 1 is evacuated by a vacuum pump during the formation of a thin film, and the pressure in the reaction chamber 1 is about 200 mTorr.
Has been maintained. As an example, the operating frequency of the high frequency is 13.56 MHz, the high frequency power is 100 W, and the temperature of the substrate in the reaction chamber 1 is set to 300 to 3 by the attached heater.
A film was formed at 50 ° C. and a pressure of the reaction chamber 1 of 200 mTorr.

【0019】この高周波プラズマCVD装置は、III族
原料としてトリメチルガリウム(CH3) 3Gaを用いたが、こ
れに限られるものではなく、例えば、トリエチルガリウ
ム(C2H5)3Ga等のIII族の有機金属化合物(CH2n+1)
Ga等を用いることもできる。また、窒素原料としてト
リメチルアミン(CH3)3Nを用いたが、これに限られるも
のではなくその他のV族の有機アミン化合物(CH
2n+1)N等を用いることができる。なお、III族元
素としては、In, Al, Ti, B, Sc, Y等を用いることがで
きる。また、V族元素としては、P, As, Sb, Bi等を用
いることができる。
This high-frequency plasma CVD apparatus is composed of a group III
Trimethylgallium (CHThree) ThreeGa was used.
It is not limited to this, for example, triethylgallium
(CTwoHFive)ThreeGroup III organometallic compounds such as Ga (CnH2n + 1)
3Ga or the like can also be used. In addition, nitrogen as a raw material
Limethylamine (CHThree)ThreeN was used, but is not limited to this
But other group V organic amine compounds (CnH
2n + 1)3N or the like can be used. In addition, group III element
As elements, In, Al, Ti, B, Sc, Y, etc. can be used.
Wear. In addition, P, As, Sb, Bi, etc. are used as group V elements.
Can be.

【0020】以下に、本発明に係る窒化物半導体製造方
法に関連する各特性を説明する。
Hereinafter, each characteristic related to the nitride semiconductor manufacturing method according to the present invention will be described.

【0021】図3に、本発明に係るトリメチルアミンの
4重極質量分析結果の説明図を示す。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the results of quadrupole mass spectrometry of trimethylamine according to the present invention.

【0022】この4重極質量分析で用いたV族原料とし
てのトリメチルアミンは、一例として、分子量59.1
1、沸点2.87℃、蒸気圧(20℃)1650Torr、
比重0.6のガスとして、トリメチルアミン・ボンベ4
から供給される。トリメチルアミンは、高い熱分解性を
示し、そのため、従来用いられているアンモニアの代替
となり、低温成長に適した原料である。なお、4重極質
量分析は、一例として、高周波パワーを50Wとし、ト
リメチルアミンの濃度を100%として行った。この図
は、トリメチルアミン・ボンベ4からのガスを1.0X10-2
Torrで真空排気されている反応室1に導入し、室温で
高周波プラズマを用いて分解し、その分解されたトリメ
チルアミンを2.0X10-5 Torrに差動排気した分析室に導
き4重極質量分析を行った結果を表している。
Trimethylamine as a group V raw material used in the quadrupole mass spectrometry has, for example, a molecular weight of 59.1.
1. Boiling point 2.87 ° C, vapor pressure (20 ° C) 1650 Torr,
As a gas having a specific gravity of 0.6, trimethylamine cylinder 4
Supplied from Trimethylamine exhibits high thermal decomposability, and is therefore a substitute for conventionally used ammonia and is a raw material suitable for low-temperature growth. The quadrupole mass spectrometry was performed, for example, with a high frequency power of 50 W and a trimethylamine concentration of 100%. This figure shows that the gas from trimethylamine cylinder 4 is 1.0X10 -2
It was introduced into the reaction chamber 1 evacuated at Torr, decomposed using high-frequency plasma at room temperature, and the decomposed trimethylamine was led to an analysis chamber differentially evacuated to 2.0 × 10 −5 Torr, and subjected to quadrupole mass spectrometry. This shows the result of the test.

【0023】図からわかるように、水素以外のスペクト
ルとして、16〜18a.m.u.、30〜32a.m.u.、44
〜46a.m.u.及び58〜60a.m.u.にマススペクトルの
ピークが観察される。ここで、注目されるのが16〜1
8a.m.u.のピークであり、このピークは、NH、NH3、N
H4, CH4を示すものと考えられる。これらのフラグメン
トは、トリメチル・アミン分子(CH3)3Nからメチル基が
離脱し、その結合手に水素が2〜4個結合したもの、又
は、離脱したメチル基に水素が結合したものと考えられ
る。
As can be seen from the figure, spectra other than hydrogen are 16 to 18 a.mu, 30 to 32 a.mu, 44
Mass spectrum peaks are observed at ~ 46 a.mu and 58-60 a.mu. Attention here is 16-1
8a.mu, which is composed of NH 2 , NH 3 , N
It is considered to indicate H 4 and CH 4 . These fragments are considered to be those in which a methyl group is released from a trimethylamine molecule (CH 3 ) 3 N and 2 to 4 hydrogens are bonded to its bond, or hydrogen is bonded to the released methyl group. Can be

【0024】したがって、高周波プラズマ中に導入した
トリメチルアミンは、その分子中からメチル基が1、
2、3個と離脱していき、その離脱した場所に水素が結
合していくものと分析される。このことは、窒素とメチ
ル基の結合(CH3-N)エネルギーが、窒素と水素の結合
(N-H)エネルギーに比べ小さいことを示している。す
なわち、高周波プラズマ中におけるトリメチルアミンの
分解効率は、これまで窒素源として用いられているアン
モニアに比べて非常に大きいものであり、低温成長用の
窒素源として適している。
Therefore, trimethylamine introduced into the high-frequency plasma has one methyl group in its molecule,
It is analyzed that a few hydrogen atoms are separated, and hydrogen is bonded to the separated site. This indicates that the bond energy between nitrogen and a methyl group (CH 3 —N) is smaller than the bond energy between nitrogen and hydrogen (NH). That is, the decomposition efficiency of trimethylamine in high-frequency plasma is much higher than that of ammonia which has been used as a nitrogen source, and is suitable as a nitrogen source for low-temperature growth.

【0025】図4に、窒化ガリウムの室温フォトルミネ
ッセンスについての説明図を示す。
FIG. 4 is a diagram illustrating the room-temperature photoluminescence of gallium nitride.

【0026】この図は、一例として、サファイア基板2
3の温度を300℃、トリメチルガリウム0.08cc/m
in、トリメチルアミン10cc/minとして、サファイア基
板23上に製膜された窒化ガリウムの諸物性の実験結果
を表している。
This figure shows a sapphire substrate 2 as an example.
3 at 300 ° C, trimethylgallium 0.08cc / m
In the figure, the results of experiments on various physical properties of gallium nitride formed on the sapphire substrate 23 are shown with trimethylamine being 10 cc / min.

【0027】この図より、波長が400nmのところに、
フォトルミネッセンスピークが観察される。これは、こ
の窒化ガリウムの禁制帯幅に相当するエネルギーを示し
ており、300℃という低温でも窒化ガリウムが効率よ
く製膜されていることがわかる。
According to this figure, when the wavelength is 400 nm,
A photoluminescence peak is observed. This indicates the energy corresponding to the forbidden band width of the gallium nitride, and it can be seen that the gallium nitride is efficiently formed even at a low temperature of 300 ° C.

【0028】図5に、窒化ガリウムのX線回折結果の説
明図を示す。
FIG. 5 is an explanatory diagram of the result of X-ray diffraction of gallium nitride.

【0029】この図は、一例として、図4と同様にサフ
ァイア基板23の温度を300℃、トリメチルガリウム
0.08cc/min、トリメチルアミン10cc/minとして、
サファイア基板23上に製膜された窒化ガリウムのX線
回折結果を表している。
In this figure, as an example, as in FIG. 4, the temperature of the sapphire substrate 23 is 300 ° C., trimethylgallium is 0.08 cc / min, and trimethylamine is 10 cc / min.
4 shows an X-ray diffraction result of gallium nitride formed on the sapphire substrate 23.

【0030】図からわかるように、X線入射角2θ=34
°近辺に回折ピークが観察される。なお、θは、X線に
おいてある面からX線が入射される角度を表しており、
通常は、基板に対して入射されるX線の角度を表すもの
である。この回折結果でみられる回折ピークは、従来の
MOCVD法で1000℃近辺の高温で製膜された六方
晶構造を有する単結晶窒化ガリウムと比較して、このピ
ーク位置に近いものである。この結果より、図4の窒化
ガリウムの室温フォトルミネッセンス結果と同様に、3
00℃という低温でも単結晶窒化ガリウムが製膜されて
いることを表している。また、MOCVD法による単結
晶窒化ガリウムのピーク位置とのずれは、例えば、サン
プルが低温で作製されているために、サファイア基板2
3と窒化ガリウム薄膜との熱膨張係数の違いによる歪が
小さいために生じていると考えられる。
As can be seen from the figure, the X-ray incident angle 2θ = 34
° A diffraction peak is observed around. Θ represents the angle at which the X-rays are incident from a certain plane in the X-rays,
Usually, it indicates the angle of an X-ray incident on the substrate. The diffraction peak seen in this diffraction result is closer to this peak position than a single crystal gallium nitride having a hexagonal crystal structure formed at a high temperature of around 1000 ° C. by a conventional MOCVD method. From this result, similar to the room-temperature photoluminescence result of gallium nitride in FIG.
This indicates that single-crystal gallium nitride is formed even at a low temperature of 00 ° C. Further, the deviation from the peak position of single crystal gallium nitride by MOCVD may be caused by, for example, the fact that the sample is manufactured at a low temperature.
This is considered to be caused by a small distortion due to a difference in the coefficient of thermal expansion between No. 3 and the gallium nitride thin film.

【0031】図6に、本発明に関する窒化物半導体製造
装置の第2の実施の形態の説明図を示す。ここでは、一
例として、二極放電型の高周波プラズマCVD装置を用
いてGaInN薄膜を形成する窒化物半導体製造方法につ
いて説明する。
FIG. 6 is an explanatory view of a second embodiment of the nitride semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention. Here, as an example, a nitride semiconductor manufacturing method for forming a GaInN thin film using a bipolar discharge type high frequency plasma CVD apparatus will be described.

【0032】この高周波プラズマCVD装置は、反応室
101、マスフロー・コントローラー102、106並
びに111、トリメチルガリウム・ボンベ103、トリ
メチルアミン・ボンベ104、ヒーター108並びに1
14、ガラス管109並びに113、ステンレス管11
0及びインジュウム・ボンベ112を備える。第2の実
施の形態では、図1の装置に、III族原料としてさら
に、インジュウム・ボンベ112が付加されている。ま
た、反応室101は、図1と同様に、トリメチルガリウ
ム・ボンベ103及びトリメチルアミン・ボンベ104
と接続されている。トリメチルガリウム・ボンベ103
及びトリメチルアミン・ボンベ104からの原料は、図
1と同様にしてそれぞれ反応室101に供給される。ガ
ラス管113は、インジュウム・ボンベ112から供給
されるインジュウムがガラス管113を通過中に固化す
ることを防止するために、ヒーター114によって巻か
れており、例えば、100℃に保持されている。
This high-frequency plasma CVD apparatus comprises a reaction chamber 101, mass flow controllers 102, 106 and 111, a trimethylgallium cylinder 103, a trimethylamine cylinder 104, heaters 108 and 1
14, glass tubes 109 and 113, stainless steel tube 11
0 and an indium cylinder 112. In the second embodiment, an indium cylinder 112 is further added to the apparatus of FIG. 1 as a group III raw material. The reaction chamber 101 is provided with a trimethylgallium cylinder 103 and a trimethylamine cylinder 104, as in FIG.
Is connected to Trimethyl gallium cylinder 103
The raw material from the trimethylamine cylinder 104 is supplied to the reaction chamber 101 in the same manner as in FIG. The glass tube 113 is wound by a heater 114 to prevent indium supplied from the indium cylinder 112 from solidifying while passing through the glass tube 113, and is kept at, for example, 100 ° C.

【0033】この図では、インジュウム・ボンベ112
から供給される原料は、一例として、トリメチルインジ
ュウムを用いている。トリメチルインジュウムは、固体
であるが、固体であっても蒸気圧を持っているので、こ
の蒸気圧を利用して供給することもできる。蒸気圧を利
用した供給方法では、トリメチルインジュウムを運ぶキ
ャリアガスが必要であり、また、このキャリアガスと固
体原料との接触面積が変動すると運ばれる原料の濃度も
変化することになる。そこで、この高周波プラズマCV
D装置では、トリメチルインジュウムが常温常圧下では
固体であるため、インジュウム・ボンベ112の原料の
温度を、ヒーター114等で、例えば、100℃付近ま
で温度を上昇させて、蒸気圧を反応室101内の圧力で
ある、例えば、200mTorr以上としてマスフロー・コ
ントローラー111を用いて直接制御を行う。この方法
は、温度は異なるが図1や図6の装置にあるトリメチル
ガリウムの供給方法と同じである。また、インジュウム
・ボンベ112からの原料の基板への供給経路は、トリ
メチルガリウム・ボンベ103からのガラス管109を
用いても、又は、図6に図示されているように、もう1
本増やしたガラス管113を用いることもでき、適宜の
数にすることができる。
In this figure, the indium cylinder 112
The raw material supplied from is, for example, trimethylindium. Trimethylindium is a solid, but even if it is a solid, it has a vapor pressure, so it can be supplied using this vapor pressure. In the supply method using the vapor pressure, a carrier gas that carries trimethylindium is required, and when the contact area between the carrier gas and the solid raw material changes, the concentration of the raw material to be transferred also changes. Therefore, this high-frequency plasma CV
In the D apparatus, since trimethylindium is solid at normal temperature and normal pressure, the temperature of the raw material of the indium cylinder 112 is raised to, for example, about 100 ° C. by the heater 114 or the like, and the vapor pressure is reduced to the reaction chamber 101. The internal pressure, for example, 200 mTorr or more, is directly controlled using the mass flow controller 111. This method is the same as the method for supplying trimethylgallium in the apparatus shown in FIGS. Further, the supply route of the raw material from the indium cylinder 112 to the substrate may be achieved by using the glass tube 109 from the trimethylgallium cylinder 103 or as shown in FIG.
An increased number of glass tubes 113 can be used, and the number can be set as appropriate.

【0034】つぎに、この高周波プラズマCVD装置に
よる気相成長方法を説明する。
Next, a vapor phase growth method using the high frequency plasma CVD apparatus will be described.

【0035】基本的には、図1の装置による気相成長方
法と同様であるが、この高周波プラズマCVD装置は、
図1の装置にさらに反応室101へ供給される原料とし
てのインジュウム・ボンベ112が付加されている点が
異なる。また、高周波の周波数、パワー、ヒーターによ
る反応室101内の基板の温度、反応室の圧力等は、一
例として、図1と同様にして製膜を行った。
Basically, the method is the same as the vapor phase growth method using the apparatus shown in FIG.
1 in that an indium cylinder 112 as a raw material to be supplied to the reaction chamber 101 is further added to the apparatus of FIG. Further, the film formation was carried out in the same manner as in FIG.

【0036】この高周波プラズマCVD装置では、イン
ジュウム源としては、トリメチルインジュウム(CH)
Inを用いたがこれに限られるものではなく、トリエチル
インジュウム(CH)In等の(CH2n+1)In源の
適宜の原料を用いることもできる。また、トリエチルイ
ンジュウムも、トリメチルインジュウムと同様に常温常
圧で固体であるため、100℃付近まで昇温し、昇化さ
せてガスとして反応室101に供給することができる。
In this high frequency plasma CVD apparatus, trimethyl indium (CH 3 ) 3 is used as an indium source.
Not that was used In limited thereto, it is also possible to use an appropriate material triethyl indium-(C 2 H 5) 3 In the like of (C n H 2n + 1) 3 In source. Also, triethylindium is a solid at normal temperature and normal pressure, similar to trimethylindium, so that it can be heated to around 100 ° C., raised, and supplied to the reaction chamber 101 as a gas.

【0037】なお、以上の説明では、プラズマCVDを
用いたが、その他のCVDを用いても良い。各ガスを反
応室へ導入する方法も、適宜の手法を用いることができ
る。上記の装置においての圧力、周波数、パワー、温度
等は、原料、半導体のサイズ等により適宜選択すること
ができる。プロセス温度も300℃の所定温度としたが
これに限られるものではない。
In the above description, plasma CVD is used, but other CVD may be used. As a method for introducing each gas into the reaction chamber, an appropriate method can be used. The pressure, frequency, power, temperature and the like in the above device can be appropriately selected depending on the raw material, the size of the semiconductor, and the like. The process temperature was also set to a predetermined temperature of 300 ° C., but is not limited to this.

【0038】また、各原料を供給する方法も、ガラス
管、ステンレス管、RF盤に限らず、適宜の代替手段を
採用することができる。各原料を加熱する手段も適宜の
手段を用いることができる。さらに、サファイア基板以
外の適宜の基板を用いることもできる。
Also, the method of supplying each raw material is not limited to a glass tube, a stainless steel tube, and an RF board, and any suitable alternative means can be adopted. Appropriate means can be used for heating each raw material. Further, an appropriate substrate other than the sapphire substrate can be used.

【0039】[0039]

【発明の効果】本発明によると、窒化物半導体薄膜作製
法のV族原料として広く使用されているアンモニアガス
等の代わりに、有機アミン化合物を用いることで半導体
薄膜作製におけるプロセス温度を低温化するこができ
る。
According to the present invention, the process temperature in the production of a semiconductor thin film can be reduced by using an organic amine compound instead of ammonia gas or the like which is widely used as a group V raw material in the method of producing a nitride semiconductor thin film. I can do this.

【0040】また、本発明によると、この半導体薄膜作
製プロセス温度の低温化により、上述のような熱対流の
問題も生じないようにすることができ、装置設計を単純
化し、キャリアガス等の消費も抑えて製造コストを低下
させることができる。本発明によると、ガス分解にRF
プラズマを用いたプラズマCVD法を採用することによ
り、大面積で均一な製膜が行え、量産化することができ
る。さらに、本発明によると、高In濃度を有するGa1-xI
nxNの成長を容易とすることができる。
Further, according to the present invention, the lowering of the semiconductor thin film fabrication process temperature can prevent the above-described problem of thermal convection, simplify the device design, and reduce the consumption of carrier gas and the like. And the manufacturing cost can be reduced. According to the present invention, RF
By employing a plasma CVD method using plasma, a uniform film can be formed over a large area, and mass production can be achieved. Further, according to the present invention, Ga 1-x I having a high In concentration
The growth of n x N can be facilitated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に関する窒化物半導体製造装置の第1の
実施の形態の説明図。
FIG. 1 is an explanatory view of a first embodiment of a nitride semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention.

【図2】図1の反応室1の拡大構成図。FIG. 2 is an enlarged configuration diagram of a reaction chamber 1 of FIG.

【図3】本発明に係るトリメチルアミンの4重極質量分
析結果の説明図。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the results of quadrupole mass spectrometry of trimethylamine according to the present invention.

【図4】窒化ガリウムの室温フォトルミネッセンスにつ
いての説明図。
FIG. 4 is an explanatory diagram of room-temperature photoluminescence of gallium nitride.

【図5】窒化ガリウムのX線回折結果の説明図。FIG. 5 is an explanatory diagram of an X-ray diffraction result of gallium nitride.

【図6】本発明に関する窒化物半導体製造装置の第2の
実施の形態の説明図。
FIG. 6 is an explanatory view of a second embodiment of the nitride semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 反応室 2、6、7 マスフロー・コントローラー 3 トリメチルガリウム・ボンベ 4 トリメチルアミン・ボンベ 5 アンモニア・ボンベ 8 ヒーター 9 ガラス管 10 ステンレス管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction chamber 2, 6, 7 Mass flow controller 3 Trimethylgallium cylinder 4 Trimethylamine cylinder 5 Ammonia cylinder 8 Heater 9 Glass tube 10 Stainless steel tube

フロントページの続き Fターム(参考) 5F041 AA40 CA34 CA40 CA46 CA77 5F045 AA08 AB09 AB14 AB17 AC07 AC08 AD07 AE19 AF09 BB04 BB07 CA09 CA10 CA11 DP01 DP02 DP05 DQ10 EK01 EK05 EK07 Continued on the front page F term (reference) 5F041 AA40 CA34 CA40 CA46 CA77 5F045 AA08 AB09 AB14 AB17 AC07 AC08 AD07 AE19 AF09 BB04 BB07 CA09 CA10 CA11 DP01 DP02 DP05 DQ10 EK01 EK05 EK07

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】III族原料の有機金属化合物である第1の
原料を供給し、 V族原料の有機アミン化合物である第2の原料を供給
し、 プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)を用い
ることにより前記第1及び第2の原料を反応させて基板
上に窒化物半導体薄膜を作製する窒化物半導体製造方
法。
1. A method according to claim 1, wherein a first raw material which is an organic metal compound as a group III raw material is supplied, a second raw material which is an organic amine compound as a group V raw material is supplied, and plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) is used. A nitride semiconductor manufacturing method for producing a nitride semiconductor thin film on a substrate by reacting the first and second raw materials.
【請求項2】III族原料の有機金属化合物である第1の
原料を供給し、 V族原料の有機アミン化合物である第2の原料を供給
し、 さらに、前記第1の原料と異なるIII族原料である第3
の原料を供給し、 前記第1、第2及び第3の原料を反応させて基板上に窒
化物半導体薄膜を作製する窒化物半導体製造方法。
2. A first raw material which is an organometallic compound of a group III raw material is supplied, a second raw material which is an organic amine compound of a group V raw material is supplied, and a group III material different from the first raw material is further provided. 3rd raw material
A method for producing a nitride semiconductor thin film on a substrate by supplying a raw material of the above, and reacting the first, second, and third raw materials.
【請求項3】前記第3の原料は、(CH2n+1)Inで
あることを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体製
造方法。
3. The method according to claim 2, wherein said third raw material is (C n H 2n + 1 ) 3 In.
【請求項4】前記第1の原料は、(CH2n+1)Ga、
又は、(CH2n+1)Inであることを特徴とした請求
項1乃至3のいずれかに記載の窒化物半導体製造方法。
4. The first raw material is (C n H 2n + 1 ) 3 Ga,
4. The method according to claim 1, wherein the method is (C n H 2n + 1 ) 3 In. 5.
【請求項5】前記第2の原料は、(CH2n+1)Nで
あることを特徴とする請求項1乃至4に記載の窒化物半
導体製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein the second raw material is (C n H 2n + 1 ) 3 N.
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