JP2008053665A - Semiconductor substrate, and manufacturing method and manufacturing apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板の製造方法、半導体基板の製造装置及び半導体基板に関する。 The present invention relates to a semiconductor substrate manufacturing method, a semiconductor substrate manufacturing apparatus, and a semiconductor substrate.
基板上に例えばＩＩＩ族窒化物の結晶を薄膜状に成長させた半導体基板が知られている。このＩＩＩ族窒化物の薄膜は、従来、主として有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によって作製されてきた。これらの方法は、いずれも７００℃以上の高温下でＩＩＩ族窒化物の結晶を基板上に成長させるものである。７００℃以上の高温下になると、基板の材料によっては、基板表面で化学反応（界面反応）が発生し、基板表面が劣化する虞がある。このため、上記の方法に用いられる基板は、サファイア基板やＳｉＣ基板など化学的に安定し界面反応が生じにくいものに限られていた。 For example, a semiconductor substrate is known in which a group III nitride crystal is grown in a thin film on the substrate. This group III nitride thin film has been conventionally produced mainly by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE). In any of these methods, a group III nitride crystal is grown on a substrate at a high temperature of 700 ° C. or higher. When the temperature is higher than 700 ° C., depending on the material of the substrate, a chemical reaction (interface reaction) may occur on the surface of the substrate, and the substrate surface may be deteriorated. For this reason, the board | substrate used for said method was restricted to the thing which is chemically stable and an interface reaction does not produce easily, such as a sapphire board | substrate and a SiC board | substrate.
これに対して、パルスレーザ堆積法（ＰＬＤ法）と呼ばれる手法が提案されている。ＰＬＤ法は、窒素ガスの雰囲気下で高エネルギーのパルスレーザ光をＩＩＩ族金属のターゲットに照射する手法である。ターゲットにパルスレーザ光を照射すると、ターゲットを構成するＩＩＩ族金属原子がアブレーションプラズマ（プルーム）となって蒸発する。プルームは高い運動エネルギーを有しており、窒素ガスと衝突反応等を繰り返しながら徐々に状態を変化させて基板側に移動する。基板に到達したプルームは、格子整合性の最も安定な状態で薄膜化する。 On the other hand, a technique called a pulse laser deposition method (PLD method) has been proposed. The PLD method is a method in which a group III metal target is irradiated with high-energy pulsed laser light in an atmosphere of nitrogen gas. When the target is irradiated with pulsed laser light, the group III metal atoms constituting the target are evaporated as ablation plasma (plume). The plume has a high kinetic energy and moves gradually toward the substrate while changing its state gradually while repeating a collision reaction with nitrogen gas. The plume that reaches the substrate is thinned with the most stable lattice matching.
このように、ＰＬＤ法によれば、高い運動エネルギーを持ったＩＩＩ族原子のプルームを前駆体として薄膜を成長させるので、低温でもＩＩＩ族窒化物の薄膜を基板上に形成することができる。このため、基板表面の界面反応を回避することができ、金属や酸化物など基板の材料選択の幅が広がることになる。
しかしながら、ターゲットにパルスレーザ光を照射したときのプルームの広がりは極めて小さいため、基板上などある程度広い範囲にＩＩＩ族窒化物を堆積させる場合には、パルスレーザ光をターゲット上で移動させる必要がある。ただこの場合であっても、プルームの存在する領域にムラが生じ、基板に堆積されるＩＩＩ族窒化物の膜厚が不均一になってしまう。 However, since the spread of the plume when the target is irradiated with the pulse laser beam is extremely small, it is necessary to move the pulse laser beam on the target when depositing the group III nitride in a wide range such as on the substrate. . However, even in this case, unevenness occurs in the area where the plume exists, and the film thickness of the group III nitride deposited on the substrate becomes non-uniform.
また、パルスレーザ光をターゲット上で移動させるのには時間がかかるため、大面積の基板に薄膜を形成するのには不向きであるし、面積の比較的小さな基板においてもスループットが低くなってしまう。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、基板上にＩＩＩ族窒化物を均一な膜厚で堆積することができ、高いスループットを維持し、大面積の基板であっても製造可能な半導体基板の製造方法、半導体基板の製造装置及び半導体基板を提供することにある。
In addition, since it takes time to move the pulse laser beam on the target, it is not suitable for forming a thin film on a large-area substrate, and the throughput is lowered even on a substrate with a relatively small area. .
In view of the circumstances as described above, the object of the present invention is to allow a group III nitride to be deposited on a substrate with a uniform film thickness, maintain a high throughput, and can be manufactured even for a large-area substrate. A semiconductor substrate manufacturing method, a semiconductor substrate manufacturing apparatus, and a semiconductor substrate are provided.
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体基板の製造方法は、所定の圧力のＶ族ガスの雰囲気下かつ所定の温度下で、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるターゲットにパルス電子線を照射し、前記パルス電子線の照射によって蒸発したＩＩＩ族金属の原子又はＩＩＩ−Ｖ族化合物の分子を基板表面に近接させることを特徴とする。
本発明によれば、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるターゲットにパルス電子線を照射することにより、パルスレーザ光を照射する場合に比べて高い運動エネルギーを与えることができ、ＩＩＩ族金属の原子又はＩＩＩ−Ｖ族化合物の分子のプルームを広い範囲で形成することができる。本発明では、このように広い範囲で形成されたプルームを基板に近接させるので、ＩＩＩ族窒化物を基板の広い範囲に均一に堆積させることができる。パルス電子線をターゲット上で移動させる場合であっても、プルームの形成範囲が広いためムラはほとんど無く、ＩＩＩ族窒化物を基板に均一に堆積させることができる。また、プルームが広い範囲で形成されるため、大面積の基板上にも容易にＩＩＩ族窒化物を堆積させることができるし、面積の小さな基板においても高いスループットを維持することができる。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention includes applying pulse electrons to a target made of a group III metal or a group III-V compound in a group V gas atmosphere at a predetermined pressure and a predetermined temperature. It is characterized in that a group III metal atom or a group III-V compound molecule evaporated by irradiation with a pulsed electron beam is brought close to the substrate surface.
According to the present invention, by irradiating a target made of a group III metal or a group III-V compound with a pulsed electron beam, a higher kinetic energy can be given compared to the case of irradiating with a pulsed laser beam. Plumes of atoms or III-V compound molecules can be formed in a wide range. In the present invention, the plume formed in such a wide range is brought close to the substrate, so that the group III nitride can be uniformly deposited on the wide range of the substrate. Even when the pulsed electron beam is moved on the target, the formation range of the plume is wide, so there is almost no unevenness, and the group III nitride can be uniformly deposited on the substrate. In addition, since the plume is formed in a wide range, the group III nitride can be easily deposited on a large-area substrate, and high throughput can be maintained even on a small-area substrate.
上記半導体基板の製造方法は、複数の前記パルス電子線を前記ターゲットのうち異なる領域にそれぞれ照射することを特徴とする。
本発明によれば、複数のパルス電子線をターゲットのうち異なる領域にそれぞれ照射するので、プルームをより広い範囲で発生させることができる。よって、パルス電子線をターゲット上で移動させる必要を無くすことができ、あるいは、移動範囲を狭くすることができる。これにより、ＩＩＩ族窒化物の膜厚を確実に均一化し、大面積の基板にも一層容易に堆積させることができ、スループットの更なる向上を図ることができる。
The semiconductor substrate manufacturing method is characterized in that a plurality of the pulsed electron beams are irradiated to different regions of the target.
According to the present invention, since a plurality of pulsed electron beams are irradiated to different regions of the target, plumes can be generated in a wider range. Therefore, it is not necessary to move the pulsed electron beam on the target, or the moving range can be narrowed. As a result, the film thickness of the group III nitride can be made uniform and can be more easily deposited on a large-area substrate, and the throughput can be further improved.
上記半導体基板の製造方法は、前記所定の圧力が、２５ｍＴｏｒｒ以下であることを特徴とする。
所定の圧力が２５ｍＴｏｒｒを超えると、Ｖ族ガス雰囲気下に照射されるパルス電子線の放電電圧が低下し、十分な運動エネルギーをターゲットに供給することができなくなり、ＩＩＩ族窒化物薄膜の成長速度が低下してしまう。本発明によれば、所定の圧力を２５ｍＴｏｒｒ以下としたので、パルス電子線の放電電圧が低下するのを防ぐことができ、成長速度の低下を防止することができる。
The semiconductor substrate manufacturing method is characterized in that the predetermined pressure is 25 mTorr or less.
When the predetermined pressure exceeds 25 mTorr, the discharge voltage of the pulsed electron beam irradiated in the group V gas atmosphere decreases, and it becomes impossible to supply sufficient kinetic energy to the target, and the growth rate of the group III nitride thin film Will fall. According to the present invention, since the predetermined pressure is 25 mTorr or less, it is possible to prevent the discharge voltage of the pulsed electron beam from being lowered, and to prevent the growth rate from being lowered.
上記半導体基板の製造方法は、前記パルス電子線の射出位置と前記ターゲットの照射部分との距離が３ｍｍ以下となるように、前記パルス電子線を前記ターゲットに照射することを特徴とする。
本発明によればパルス電子線の射出位置とターゲットの照射部分との距離が３ｍｍ以下となるように、パルス電子線をターゲットに照射することとしたので、エネルギー密度の高いパルス電子線をターゲットに照射することができる。これにより、ターゲットに十分な運動エネルギーを与えることができる。
The semiconductor substrate manufacturing method is characterized in that the target is irradiated with the pulsed electron beam such that the distance between the emission position of the pulsed electron beam and the irradiated portion of the target is 3 mm or less.
According to the present invention, the pulse electron beam is irradiated onto the target so that the distance between the emission position of the pulse electron beam and the irradiated portion of the target is 3 mm or less. Can be irradiated. Thereby, sufficient kinetic energy can be given to the target.
本発明に係る半導体基板の製造装置は、基板上にＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族半導体が設けられた半導体基板の製造装置であって、前記基板を保持する基板保持部と、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるターゲットを保持するターゲット保持部と、前記ターゲットの周囲及び前記基板の周囲にＶ族ガスを供給するガス供給手段と、前記ターゲットに向けてパルス電子線を照射する電子線源とを具備することを特徴とする。
一般的に、パルス電子線の電子線源は、パルスレーザ光のレーザ光源に比べて小型にかつ安価で形成することができる。本発明では、このような電子線源が設けられているので、ＰＬＤ法に用いる半導体基板の製造装置に比べて、小型・安価な半導体基板の製造装置を得ることができる。
A semiconductor substrate manufacturing apparatus according to the present invention is a semiconductor substrate manufacturing apparatus in which a group III metal or a group III-V semiconductor is provided on a substrate, and a substrate holding unit for holding the substrate, a group III metal or A target holding unit for holding a target made of a III-V group compound, a gas supply means for supplying a group V gas around the target and the substrate, and an electron beam for irradiating the target with a pulsed electron beam And a source.
In general, an electron beam source of a pulsed electron beam can be formed smaller and cheaper than a laser light source of a pulsed laser beam. In the present invention, since such an electron beam source is provided, a semiconductor substrate manufacturing apparatus that is smaller and less expensive than a semiconductor substrate manufacturing apparatus used in the PLD method can be obtained.
上記半導体基板の製造装置は、前記パルス電子線源が複数設けられていることを特徴とする。
上述のように、パルス電子線の電子線源は、パルスレーザ光のレーザ光源に比べて小型にかつ安価で形成することができる。逆に、パルスレーザ光のレーザ光源は大型・高価であるため、一の半導体基板の製造装置に対して二つ以上配置すると、装置が大型化すると共に高価になってしまう。これに対して、本発明では、一の半導体基板の製造装置に対して電子線源を複数設ける場合であっても、小型で安価な半導体基板の製造装置を得ることができる。
The semiconductor substrate manufacturing apparatus includes a plurality of the pulsed electron beam sources.
As described above, an electron beam source of a pulsed electron beam can be formed smaller and cheaper than a laser beam source of a pulsed laser beam. On the other hand, since the laser light source of the pulse laser beam is large and expensive, when two or more laser light sources are arranged for one semiconductor substrate manufacturing apparatus, the apparatus becomes large and expensive. On the other hand, in the present invention, a small and inexpensive semiconductor substrate manufacturing apparatus can be obtained even when a plurality of electron beam sources are provided for one semiconductor substrate manufacturing apparatus.
上記の半導体基板の製造装置は、前記電子線源が、前記パルス電子線を射出する射出部と、前記射出部を前記ターゲットの近傍に移動可能な移動機構とを有することを特徴とする。
本発明によれば、電子線源の射出部をターゲットの近傍に移動した状態でターゲットに対して近距離からパルス電子線を射出することができるので、エネルギー密度の高いパルス電子線をターゲットに照射することができる。これにより、十分な運動エネルギーをターゲットに与えることができる。
In the semiconductor substrate manufacturing apparatus, the electron beam source includes an emission unit that emits the pulsed electron beam, and a moving mechanism that can move the emission unit to the vicinity of the target.
According to the present invention, a pulsed electron beam can be emitted from a short distance to the target in a state where the electron beam source is moved to the vicinity of the target. can do. Thereby, sufficient kinetic energy can be given to the target.
本発明に係る半導体基板は、基板と、前記基板上に設けられ、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を主成分とする半導体薄膜とを具備し、前記半導体薄膜に含まれる前記ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物の結晶のチルト角及びツイスト角についてのＸ線ロッキングカーブの半値幅が共に０．１°以下になっていることを特徴とする。
本発明によれば、基板上に設けられた半導体薄膜に含まれるＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物の結晶のチルト角及びツイスト角についてのＸ線ロッキングカーブの半値幅が共に０．１°以下になっており、半導体薄膜に含まれるＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物の結晶性が極めて高いので、高品質で性能の高い半導体基板を得ることができる。
The semiconductor substrate according to the present invention comprises a substrate and a semiconductor thin film provided on the substrate and mainly comprising a group III metal or a group III-V compound, and the group III metal contained in the semiconductor thin film or The full width at half maximum of the X-ray rocking curve with respect to the tilt angle and twist angle of the III-V compound crystal is 0.1 ° or less.
According to the present invention, the full width at half maximum of the X-ray rocking curve for the tilt angle and twist angle of the group III metal or group III-V compound crystal contained in the semiconductor thin film provided on the substrate is 0.1 ° or less. Since the crystallinity of the group III metal or group III-V compound contained in the semiconductor thin film is extremely high, a semiconductor substrate with high quality and high performance can be obtained.
本発明によれば、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるターゲットにパルス電子線を照射することにより、パルスレーザ光を照射する場合に比べて高い運動エネルギーを与えることができ、ＩＩＩ族金属の原子又はＩＩＩ−Ｖ族化合物の分子のプルームを広い範囲で形成することができる。本発明では、このように広い範囲で形成されたプルームを基板に近接させるので、ＩＩＩ族窒化物を基板の広い範囲に均一に堆積させることができる。パルス電子線をターゲット上で移動させる場合であっても、プルームの形成範囲が広いためムラはほとんど無く、ＩＩＩ族窒化物を基板に均一に堆積させることができる。また、プルームが広い範囲で形成されるため、大面積の基板上にも容易にＩＩＩ族窒化物を堆積させることができるし、面積の小さな基板においても高いスループットを維持することができる。 According to the present invention, by irradiating a target made of a group III metal or a group III-V compound with a pulsed electron beam, a higher kinetic energy can be given compared to the case of irradiating with a pulsed laser beam. Plumes of atoms or III-V compound molecules can be formed in a wide range. In the present invention, the plume formed in such a wide range is brought close to the substrate, so that the group III nitride can be uniformly deposited on the wide range of the substrate. Even when the pulsed electron beam is moved on the target, the formation range of the plume is wide, so there is almost no unevenness, and the group III nitride can be uniformly deposited on the substrate. In addition, since the plume is formed in a wide range, the group III nitride can be easily deposited on a large-area substrate, and high throughput can be maintained even on a small-area substrate.
本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体基板の製造装置１の概略的な構成を示す図である。
同図に示すように、製造装置１は、チャンバ１０と、電子線源１１と、ターゲット保持部１２と、基板保持部１３と、ガス供給部１４と、圧力調整部１５とを主体として構成されており、ターゲットとなる物質に電子線を照射して蒸発させものである。本実施形態では、一例として基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を形成するものとする。ＩＩＩ族窒化物半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどが挙げられ、一般式ＩｎＸＧａＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor
As shown in the figure, the
電子線源１１は、チャンバ１０の外側に設けられており、放電管４１と、ホローカソード４２と、トリガー電極４３と、対向電極４４と、パルス発生器４５とを主体として構成されている。放電管４１は、例えばガラスなどからなり、長手方向の一端４１ａが開放された構成になっている。ホローカソード４２は、放電管４１の外面に取り付けられており、放電管４１内に電場を印加可能になっている。トリガー電極４３は放電管４１内の長手方向の他端４１ｂに設けられており、対向電極４４は放電管４１の一端４１ａに設けられている。パルス発生器４５は、トリガー電極４３に電気的に接続されており、トリガー電極４３に所定の周波数でパルス信号を供給するようになっている。電子線源１１は、このような機構により放電管４１内でチャネルスパーク放電を起こし、発生したパルス電子線を一端４１ａから射出するようになっている。
The
放電管４１の一端４１ａには、パルス電子線を誘導するセラミックチューブ１６が取り付けられている。チャンバ１０には窓部１７が設けられており、セラミックチューブ１６は当該窓部１７を介してチャンバ１０の内部（ターゲット保持部１２）に到達するように設けられている。セラミックチューブ１６の一端には開口部（射出部）１６ａが設けられており、放電管４１内で発生し当該セラミックチューブ１６内を誘導されたパルス電子線が当該開口部１６ａから射出されるようになっている。セラミックチューブ１６の内径は２ｍｍ〜４ｍｍ程度である。セラミックチューブ１６には図示しない移動機構が設けられており、当該セラミックチューブ１６の開口部１６ａを移動させるができるようになっている。
A
ターゲット保持部１２は、ターゲットホルダ２１と、ターゲットホルダ駆動部２３と、ターゲットホルダ駆動軸２４とを備えている。ターゲットホルダ２１は、ターゲット２２を水平に保持可能に設置されている。ターゲットホルダ２１の内部には、例えば電熱線などの加熱機構（図示しない）が設けられており、ターゲット２２を加熱可能になっている。
ターゲットとしては例えばＩＩＩ族金属（例えばＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はこれらの混合体）やＩＩＩ−Ｖ族化合物（例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ）のなどが挙げられる。これらは、焼結法やＣＶＤ法によって形成されたものであって構わないし、セラミックスの状態であっても構わない。
ターゲットホルダ駆動部２３は、ターゲットホルダ駆動軸２４を介してターゲットホルダ２１を図中上下に移動させると共に、このターゲットホルダ駆動軸２４を回転軸としてターゲットホルダ２１を回転させることが可能になっている。
The
Examples of the target include a group III metal (for example, Al, Ga, In or a mixture thereof) and a group III-V compound (for example, AlN, GaN, InN). These may be formed by a sintering method or a CVD method, or may be in a ceramic state.
The target
基板保持部１３は、基板ホルダ３１と、基板ホルダ駆動部３３と、基板ホルダ駆動軸３４とを備えている。基板ホルダ３１は、基板３２を水平に保持可能に設置されている。基板ホルダ３１の内部には、例えば電熱線などの加熱機構（図示しない）が設けられており、基板３２を加熱可能になっている。基板３２としては、例えばサファイア（０００１）やＺｎＯ（０００１）、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）などの材料からなる基板を用いることができる。基板ホルダ駆動部３３は、基板ホルダ駆動軸３４を介して基板ホルダ３１を図中左右方向に移動させると共に、この基板ホルダ駆動軸３４を回転軸として基板ホルダ３１を回転させることが可能になっている。
The
ガス供給部１４は、チャンバ１０内にＶ族ガス、例えば窒素ガスを供給するガス供給源である。圧力調整部１５は、例えばポンプなどからなり、チャンバ１０内の圧力を調整可能になっている。
The
次に、上記のように構成された製造装置１によって表面の面積が５ｃｍ×５ｃｍの基板３２上にＩＩＩ−Ｖ窒化物の薄膜を形成する手法を説明する。
ガス供給部１４によってチャンバ１０内の窒素ガスの圧力を１ｍＴｏｒｒ〜２０ｍＴｏｒｒ程度にしておく。また、基板ホルダ３１に基板３２を保持させ、基板ホルダ３１内の加熱機構によって基板３２の温度を２００℃〜８５０℃程度にしておく。移動機構によって、セラミックチューブ１６の開口部１６ａをターゲット２２から２ｍｍ〜１０ｍｍ程度離れた位置、より好ましくは２ｍｍ〜３ｍｍ程度離れた位置に配置しておく。
Next, a method of forming a thin film of III-V nitride on the
The pressure of the nitrogen gas in the
この状態で、電子線源１１の放電管４１内でパルス電子線を発生させる。パルス電子線の加速電圧を１０ｋＶ〜２０ｋＶとし、周波数を１Ｈｚ〜２０Ｈｚ程度にすることが好ましい。このパルス電子線は、セラミックチューブ１６内を誘導され、開口部１６ａから射出される。射出されたパルス電子線は、ターゲット２２に照射される。図２に示すように、セラミックチューブ１６の開口部１６ａを例えば一筆書きの要領でターゲット２２の全面に移動させて、パルス電子線をターゲット２２の全面に照射する。
In this state, a pulsed electron beam is generated in the
ターゲット２２にパルス電子線が照射されると、ターゲット２２を構成する原子あるいは分子に運動エネルギーが供給され、図３に示すように、当該原子あるいは分子がプルーム３５となって蒸発する。このプルームは窒素ガスと衝突反応等を繰り返しながら徐々に状態を変化させて基板３２に近接する。基板３２に到達したプルーム３５は、格子整合性の最も安定な状態、すなわちＩＩＩ族窒化物の状態で基板３２上に堆積する。
When the
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、ＩＩＩ族窒化物の成長過程を示す図である。まず図４（ａ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物３８が基板上に島状（３次元島状）に成長する。その後、図４（ｂ）に示すように島状のＩＩＩ族窒化物３８が成長し、さらに図４（ｃ）に示すようにコアレッセンス３９が形成される。そして、図４（ｄ）に示すように、膜厚方向に２次元的に成長し、ＩＩＩ族窒化物の薄膜（半導体層）４０が形成される。このようにして基板３２上に半導体層を備えた半導体基板５０が製造される。
FIG. 4A to FIG. 4D are diagrams showing the growth process of the group III nitride. First, as shown in FIG. 4A, the
本実施形態によれば、窒素ガス雰囲気でＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるターゲット２２にパルス電子線を照射することにより、パルスレーザ光を照射する場合に比べてターゲットを構成する原子又は分子に高い運動エネルギーを与えることができ、ＩＩＩ族金属の原子又はＩＩＩ−Ｖ族化合物の分子のプルーム３５を広い範囲で形成することができる。本発明では、このように広い範囲で形成されたプルーム３５を基板に近接させるので、ＩＩＩ族窒化物の薄膜４０を基板３２の広い範囲に均一に堆積させることができる。パルス電子線をターゲット上で移動させる場合であっても、プルーム３５の形成範囲が広いためムラはほとんど無く、薄膜４０を基板３２上に均一に堆積させることができる。また、プルーム３５が広い範囲で形成されるため、基板３２が大面積であっても容易に薄膜４０を形成することができるし、基板３２が面積の小さな基板であっても高いスループットを維持することができる。
According to this embodiment, by irradiating the
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
例えば、電子線源１１が複数設けられた構成であっても構わない。複数の電子線源１１から複数のパルス電子線がターゲット２２に別々に照射されることにより、プルームの発生領域が広がるため、短時間で半導体層４０を形成することができ、スループットが向上することになる。電子線源１１は、例えばＰＬＤ法に用いられるエキシマレーザの発生機構に比べると小型であるため、複数設置しても製造装置１自体が大型化してしまうことは無く、小型の製造装置１を得ることができる。
The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and appropriate modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, a configuration in which a plurality of
本実施例では、上記実施形態に記載の製造装置１によってサファイア基板上にＧａＮを成長させた。
ターゲットとしてＧａ焼結体を用い、サファイアの結晶方向は（０００１）であった。成長条件としては、パルス電子線の加速電圧を１５ｋＶとし、照射パルス数を４００００ｐｕｌｓｅｓ（８Ｈｚ、５０００ｓｅｃ）とし、パルス幅を１００ｎｓｅｃとし、窒素圧力を１５ｍＴｏｒｒとし、成長温度を７５０℃として、膜厚７５ｎｍのＧａＮ薄膜を成長させた。
In this example, GaN was grown on the sapphire substrate by the
A Ga sintered body was used as a target, and the crystal direction of sapphire was (0001). As growth conditions, the acceleration voltage of the pulsed electron beam is 15 kV, the number of irradiation pulses is 40000 pulses (8 Hz, 5000 sec), the pulse width is 100 nsec, the nitrogen pressure is 15 mTorr, the growth temperature is 750 ° C., and the film thickness is 75 nm. A GaN thin film was grown.
図５は、ＧａＮ薄膜についての２θ／ωスキャンを示すグラフである。グラフの横軸は２θ／ωである。グラフの縦軸は相対値である。図６は、ＧａＮ薄膜についての２θχ／φスキャンを示すグラフである。グラフの横軸は２θχ／φである。グラフの縦軸は相対値である。図５及び図６に示すように、ＧａＮ薄膜とサファイア基板とのエピタキシャル関係は、面直においてはＧａＮ（０００１）//サファイア（０００１）であり、面内においてはＧａＮ（１０−１０）//サファイア（１１−２０）であることがわかる。 FIG. 5 is a graph showing a 2θ / ω scan for a GaN thin film. The horizontal axis of the graph is 2θ / ω. The vertical axis of the graph is a relative value. FIG. 6 is a graph showing a 2θχ / φ scan for a GaN thin film. The horizontal axis of the graph is 2θχ / φ. The vertical axis of the graph is a relative value. As shown in FIGS. 5 and 6, the epitaxial relationship between the GaN thin film and the sapphire substrate is GaN (0001) // sapphire (0001) in the plane and GaN (10-10) // in the plane. It turns out that it is sapphire (11-20).
図７は、ＧａＮ（１０−１２）のＥＢＳＤ極点図である。同図に示すように、ＧａＮが明瞭な６回対称性を有していることが読み取れる。このことから、３０°回転ドメインを含まないシングルドメインのＧａＮ薄膜が成長していることが分かる。 FIG. 7 is an EBSD pole figure of GaN (10-12). As shown in the figure, it can be seen that GaN has a clear six-fold symmetry. From this, it can be seen that a single-domain GaN thin film containing no 30 ° rotation domain is growing.
図８は、ＧａＮのチルト角についてのロッキングカーブを示すグラフである。同図に示すように、ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が０．５０程度になっている。図９は、上記の条件に対して温度条件のみを変えてＧａＮ薄膜を成長させたときのチルト角ロッキングカーブの半値幅の推移を示している。同図に示すように、成長温度が６００℃程度の場合にはチルト角が２．７５以上と高い値になっている。これに対して、成長温度が７５０℃〜８５０℃にした場合、チルト角が０．５以下と著しく低い値になっている。このことから、成長温度は７５０℃〜８５０℃程度が適しているといえる。 FIG. 8 is a graph showing a rocking curve with respect to the tilt angle of GaN. As shown in the figure, the full width at half maximum (FWHM) of the rocking curve is about 0.50. FIG. 9 shows the transition of the full width at half maximum of the tilt angle rocking curve when a GaN thin film is grown by changing only the temperature condition with respect to the above condition. As shown in the figure, when the growth temperature is about 600 ° C., the tilt angle is a high value of 2.75 or more. On the other hand, when the growth temperature is 750 ° C. to 850 ° C., the tilt angle is a remarkably low value of 0.5 or less. From this, it can be said that a growth temperature of about 750 ° C. to 850 ° C. is suitable.
本実施例では、上記実施形態に記載の製造装置１によってサファイア基板上にＡｌＮを成長させた。
ターゲットとしてＡｌ焼結体を用い、サファイアの結晶方向は（０００１）であった。成長条件としては、パルス電子線の加速電圧を１５ｋＶとし、照射パルス数を４００００ｐｕｌｓｅｓ（８Ｈｚ、５０００ｓｅｃ）とし、パルス幅を１００ｎｓｅｃとし、窒素圧力を１３ｍＴｏｒｒとし、成長温度を８００℃として、膜厚９０ｎｍのＡｌＮ薄膜を成長させた。
In this example, AlN was grown on the sapphire substrate by the
An Al sintered body was used as a target, and the crystal direction of sapphire was (0001). As growth conditions, the acceleration voltage of the pulsed electron beam is 15 kV, the number of irradiation pulses is 40000 pulses (8 Hz, 5000 sec), the pulse width is 100 nsec, the nitrogen pressure is 13 mTorr, the growth temperature is 800 ° C., and the film thickness is 90 nm. An AlN thin film was grown.
図１０は、ＡｌＮ薄膜についての２θ／ωスキャンを示すグラフである。グラフの横軸は２θ／ωである。グラフの縦軸は相対値である。同図より、ＡｌＮ薄膜とサファイア基板との面直エピタキシャル関係はＡｌＮ（０００２）//サファイア（０００１）であることがわかる。 FIG. 10 is a graph showing a 2θ / ω scan for an AlN thin film. The horizontal axis of the graph is 2θ / ω. The vertical axis of the graph is a relative value. From the figure, it can be seen that the planar epitaxial relationship between the AlN thin film and the sapphire substrate is AlN (0002) // sapphire (0001).
図１１はＡｌＮ薄膜のチルト角についてのロッキングカーブを示すグラフである。同図に示すように、チルト角ロッキングカーブの半値幅は０．０４２°であり、極めて低い値となっている。図１２はＡｌＮ薄膜のツイスト角についてのロッキングカーブを示すグラフである。 FIG. 11 is a graph showing a rocking curve with respect to the tilt angle of the AlN thin film. As shown in the figure, the half width of the tilt angle rocking curve is 0.042 °, which is an extremely low value. FIG. 12 is a graph showing a rocking curve with respect to the twist angle of the AlN thin film.
同図に示すように、ツイスト角ロッキングカーブの半値幅は０．０９５°である。この値は、チルト角の場合と共に極めて低い値となっている。これらのグラフから、上記条件によって成長形成されたＡｌＮ薄膜は高い結晶性を有しているといえる。なお、チルト角ロッキングカーブの半値幅とツイスト角ロッキングカーブの半値幅とが共に０．１以下となるような薄膜は従来知られておらず、上記手法によってのみ作成することができるといえる。 As shown in the figure, the half width of the twist angle rocking curve is 0.095 °. This value is extremely low along with the tilt angle. From these graphs, it can be said that the AlN thin film grown under the above conditions has high crystallinity. A thin film in which the half width of the tilt angle rocking curve and the half width of the twist angle rocking curve are both 0.1 or less has not been known so far, and it can be said that it can be produced only by the above method.
本実施例では、上記実施形態に記載の製造装置１によって６Ｈ−ＳｉＣ基板上にＧａＮを成長させた。６Ｈ−ＳｉＣ基板については、ＧａＮを成長させる前に、温度１６００℃で３０分程度、Ｈ２（４％）＋Ｈｅ（９６％）の雰囲気下でアニール処理を行い、基板表面を平坦化させておいた。
In this example, GaN was grown on the 6H—SiC substrate by the
ターゲットとしてＧａ焼結体を用いた。成長条件としては、パルス電子線の加速電圧を１５ｋＶとし、照射パルス数を４００００ｐｕｌｓｅｓ（８Ｈｚ、５０００ｓｅｃ）とし、パルス幅を１００ｎｓｅｃとし、窒素圧力を１５ｍＴｏｒｒとし、成長温度を８００℃としてＧａＮ薄膜を成長させた。 A Ga sintered body was used as a target. As growth conditions, the acceleration voltage of the pulsed electron beam is 15 kV, the number of irradiation pulses is 40000 pulses (8 Hz, 5000 sec), the pulse width is 100 nsec, the nitrogen pressure is 15 mTorr, the growth temperature is 800 ° C., and a GaN thin film is grown. It was.
図１３（ａ）〜図１３（ｂ）は、ＧａＮの成長過程におけるＲＨＥＥＤ観察図である。図１３（ａ）はＧａＮが３ｎｍのとき、図１３（ｂ）はＧａＮが１０ｎｍのとき、図１３（ｃ）はＧａＮが５０ｎｍのときのＲＨＥＥＤ観察図である。図１３（ａ）に示すように、成長初期ではスポットパターンが示されている。この図より、初期では３次元島状に成長していることがわかる。図１３（ｂ）、図１３（ｃ）に示すように、膜厚を増加することによりストリークパターンへと近づいている様子が示されている。これらの図より、膜厚が増加することにより二次元成長に変化することがわかる。 FIGS. 13A to 13B are RHEED observation views in the growth process of GaN. 13A is an RHEED observation when GaN is 3 nm, FIG. 13B is GaN is 10 nm, and FIG. 13C is an RHEED observation when GaN is 50 nm. As shown in FIG. 13A, a spot pattern is shown at the initial stage of growth. From this figure, it can be seen that the initial growth is in the form of a three-dimensional island. As shown in FIGS. 13B and 13C, a state in which the streak pattern is approached by increasing the film thickness is shown. From these figures, it can be seen that the film thickness changes to two-dimensional growth as the film thickness increases.
図１４（ａ）は、このようにして形成されたＧａＮ薄膜の２θ／ωスキャンのグラフである。このグラフにより、ＧａＮ薄膜と６Ｈ−ＳｉＣ基板との面直エピタキシャル関係は、ＧａＮ（０００１）//６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）であることがわかる。図１４（ｂ）は、ＧａＮ薄膜の２θχ／φスキャンのグラフである。このグラフにより、ＧａＮ薄膜と６Ｈ−ＳｉＣ基板との面内エピタキシャル関係はＧａＮ（１１２０）//ＳｉＣ（１１２０）であることがわかる。 FIG. 14A is a 2θ / ω scan graph of the GaN thin film thus formed. From this graph, it can be seen that the planar epitaxial relationship between the GaN thin film and the 6H—SiC substrate is GaN (0001) / 6 / 6H—SiC (0001). FIG. 14B is a graph of 2θχ / φ scan of the GaN thin film. This graph shows that the in-plane epitaxial relationship between the GaN thin film and the 6H—SiC substrate is GaN (1120) // SiC (1120).
図１５は、ＧａＮのチルト角についてのロッキングカーブである。グラフの横軸はチルト角（単位は°）であり、グラフの縦軸は相対値である。このグラフより、チルト角のピークが１７．０°付近にあることが読み取れ、ロッキングカーブの半値幅がほぼ０．７５°程度であることがわかる。 FIG. 15 is a rocking curve for the tilt angle of GaN. The horizontal axis of the graph is the tilt angle (the unit is °), and the vertical axis of the graph is the relative value. From this graph, it can be seen that the peak of the tilt angle is in the vicinity of 17.0 °, and the half-value width of the rocking curve is about 0.75 °.
図１６は、ＧａＮ（１０１２）のＥＢＳＤ極点図である。この図より、ＧａＮが明瞭な６回対称性を有していることが読み取れる。このことから、３０°回転ドメインを含まないシングルドメインのＧａＮ（１０１２）薄膜が成長していることが分かる。 FIG. 16 is an EBSD pole figure of GaN (1012). From this figure, it can be read that GaN has a clear six-fold symmetry. This shows that a single-domain GaN (1012) thin film that does not include a 30 ° rotation domain is grown.
本実施例では、上記実施形態に記載の製造装置１によってＺｎＯ基板上にＧａＮを成長させた。
ターゲットとしてＧａ焼結体を用いた。成長条件としては、パルス電子線の加速電圧を１５ｋＶとし、照射パルス数を３００００ｐｕｌｓｅｓ（８Ｈｚ）とし、窒素圧力を２５ｍＴｏｒｒとし、成長温度を２００℃としてＧａＮ薄膜を成長させた。
In this example, GaN was grown on the ZnO substrate by the
A Ga sintered body was used as a target. As growth conditions, the acceleration voltage of the pulsed electron beam was 15 kV, the number of irradiation pulses was 30000 pulses (8 Hz), the nitrogen pressure was 25 mTorr, the growth temperature was 200 ° C., and the GaN thin film was grown.
図１７は、ＧａＮ（１０１０）のＲＨＥＥＤ図である。同図に示すように、明確なストリークパターンが認められる。このことから、ＧａＮの界面の急峻性が高く、結晶性が高いことがわかる。このように、２００℃の低温であってもＩＩＩ族窒化物薄膜の成長が可能となり、かつ、薄膜と基板との界面の高い急峻性により様々な基板材料を使用することができるものといえる。 FIG. 17 is a RHEED diagram of GaN (1010). As shown in the figure, a clear streak pattern is recognized. This indicates that the steepness of the GaN interface is high and the crystallinity is high. Thus, it can be said that the group III nitride thin film can be grown even at a low temperature of 200 ° C., and various substrate materials can be used due to the high steepness of the interface between the thin film and the substrate.
本実施例では、基板上に成長させる薄膜の成長速度に着目した。
図１８は、ターゲットにパルス電子線を照射する際の、セラミックチューブ先端−ターゲット間の距離と成長速度との関係を示すグラフである。グラフの横軸はセラミックチューブ先端−ターゲット間の距離（ｍｍ）であり、グラフの縦軸は成長速度（ｎｍ）である。
同図に示すように、この距離が２ｍｍの場合は成長速度が５０００ｎｍ程度であり、高い成長速度で薄膜が成長している。また、距離が長くなるにつれて、成長速度が低くなっている。例えば距離が３ｍｍの場合は成長速度が４０００ｎｍになっている。距離が３．５ｍｍの場合には成長速度が１０００ｎｍにまで低くなり、４．０ｍｍ〜７．０ｍｍの間は少しずつに成長速度が低くなっている。距離３．０ｍｍから距離３．５ｍｍの間で成長速度が急速に減少していることから、このセラミックチューブ先端−ターゲット間の距離は３．０ｍｍ以下にすることが好ましいといえる。
In this example, attention was focused on the growth rate of the thin film grown on the substrate.
FIG. 18 is a graph showing the relationship between the distance between the tip of the ceramic tube and the target and the growth rate when the target is irradiated with a pulsed electron beam. The horizontal axis of the graph is the distance (mm) between the tip of the ceramic tube and the target, and the vertical axis of the graph is the growth rate (nm).
As shown in the figure, when this distance is 2 mm, the growth rate is about 5000 nm, and the thin film is grown at a high growth rate. Also, the growth rate decreases as the distance increases. For example, when the distance is 3 mm, the growth rate is 4000 nm. When the distance is 3.5 mm, the growth rate is as low as 1000 nm, and the growth rate is gradually reduced between 4.0 mm and 7.0 mm. Since the growth rate rapidly decreases between the distance of 3.0 mm and the distance of 3.5 mm, it can be said that the distance between the tip of the ceramic tube and the target is preferably 3.0 mm or less.
図１９は、成長時の窒素圧と成長速度との関係を示すグラフである。グラフの横軸は窒素圧（ｍＴｏｒｒ）であり、グラフの縦軸は成長速度（ｍｍ）である。
同図に示すように、窒素圧が高くなるにつれて成長速度が低下していることがわかる。例えば窒素圧が５ｍＴｏｒｒのときに成長速度が２７５０ｎｍ程度であるのに対して、窒素圧１５ｍＴｏｒｒのときは成長速度が１５００ｎｍ程度、窒素圧２８ｍＴｏｒｒのときは成長速度が０近くになっている。したがって、成長速度が低下しない程度の窒素圧、例えば２５ｍＴｏｒｒ以下にすることが好ましいといえる。
FIG. 19 is a graph showing the relationship between the nitrogen pressure during growth and the growth rate. The horizontal axis of the graph is the nitrogen pressure (mTorr), and the vertical axis of the graph is the growth rate (mm).
As shown in the figure, it can be seen that the growth rate decreases as the nitrogen pressure increases. For example, the growth rate is about 2750 nm when the nitrogen pressure is 5 mTorr, whereas the growth rate is about 1500 nm when the nitrogen pressure is 15 mTorr, and the growth rate is close to 0 when the nitrogen pressure is 28 mTorr. Therefore, it can be said that it is preferable to set the nitrogen pressure to a level at which the growth rate does not decrease, for example, 25 mTorr or less.
本実施例では、基板上に形成された薄膜の分布に着目した。
図２０は、上記実施形態の方法によって基板に形成されたＩＩＩ族窒化物薄膜の膜厚の分布を示すグラフである（黒点及び実線部分）。本実施例では、堆積面の寸法が５ｃｍ×５ｃｍ（上記実施形態と同様）の基板を用いた。グラフの横軸は基板の中心からの距離（単位ｃｍ）である。グラフの縦軸は薄膜の膜厚であり、基板の表面の中心での膜厚を１００としたときの相対値である。なお、比較例として、同様の寸法の基板を用いてＰＬＤ法によって形成したＩＩＩ族窒化物の薄膜の膜厚を破線で示した。
In this embodiment, attention is paid to the distribution of the thin film formed on the substrate.
FIG. 20 is a graph showing the film thickness distribution of the group III nitride thin film formed on the substrate by the method of the above embodiment (black dots and solid line portions). In this example, a substrate having a deposition surface size of 5 cm × 5 cm (similar to the above embodiment) was used. The horizontal axis of the graph is the distance (unit: cm) from the center of the substrate. The vertical axis of the graph is the film thickness of the thin film, which is a relative value when the film thickness at the center of the surface of the substrate is 100. As a comparative example, the thickness of a group III nitride thin film formed by the PLD method using a substrate having the same dimensions is indicated by a broken line.
同図に黒点で示されるように、中心からの距離が±２．０ｃｍでは膜厚７０程度になっており、中心からの距離が±１．５ｃｍでは膜厚８０程度になっており、中心からの距離が±１．０ｃｍでは膜厚９０程度になっており、中心からの距離が±０．５ｃｍでは膜厚９８程度になっている。この結果から、図２０の実線で示されるように、膜厚の分布はｃｏｓ則に従っていると見ることができる。ｃｏｓ則については、中心での膜厚ｄ０、中心からＸの距離における膜厚をｄＸとすると、ｄＸ＝ｄ０ｃｏｓｎθで示される関係である。図２０の実線は、ｎ＝５の場合の曲線である。なお、比較例として示したＰＬＤ法における膜厚の分布では、ｎ＝１１となっている。このことから、上記実施形態の手法によれば、ＰＬＤ法に比べて膜厚の分布が小さく、より膜厚の均一な薄膜を形成することが可能であるといえる。 As indicated by the black dots in the figure, the film thickness is about 70 when the distance from the center is ± 2.0 cm, and the film thickness is about 80 when the distance from the center is ± 1.5 cm. When the distance is ± 1.0 cm, the film thickness is about 90, and when the distance from the center is ± 0.5 cm, the film thickness is about 98. From this result, as shown by the solid line in FIG. 20, it can be seen that the film thickness distribution follows the cos rule. For cos law, thickness d 0 at the center, when the thickness of the distance X between d X from the center, a relationship indicated by d X = d 0 cos n θ . The solid line in FIG. 20 is a curve when n = 5. In the film thickness distribution in the PLD method shown as the comparative example, n = 11. From this, it can be said that according to the method of the above embodiment, it is possible to form a thin film having a smaller film thickness distribution and a more uniform film thickness as compared with the PLD method.
１…製造装置 １０…チャンバ １１…電子線源 １２…ターゲット保持部 １３…基板保持部 １４…ガス供給部 １５…圧力調整部 １６…セラミックチューブ １６ａ…開口部 ２１…ターゲットホルダ ２２…ターゲット ３１…基板ホルダ ３２…基板 ３５…プルーム ４１…放電管 ４１ａ…一端 ４１ｂ…他端 ４２…ホローカソード ４３…トリガー電極 ４４…対向電極 ４５…パルス発生器 ５０…半導体基板
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記パルス電子線の照射によって蒸発したＩＩＩ族金属の原子又はＩＩＩ−Ｖ族化合物の分子を基板表面に近接させる
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。 Irradiating a target made of a group III metal or a group III-V compound with a pulsed electron beam in an atmosphere of a group V gas at a predetermined pressure and a predetermined temperature,
A method for producing a semiconductor substrate, comprising bringing a group III metal atom or a group III-V compound molecule evaporated by irradiation with the pulsed electron beam close to the substrate surface.
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein a plurality of the pulsed electron beams are respectively irradiated to different regions of the target.
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体基板の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the predetermined pressure is 25 mTorr or less.
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。 4. The target according to claim 1, wherein the target is irradiated with the pulsed electron beam such that a distance between an emission position of the pulsed electron beam and an irradiation portion of the target is 3 mm or less. 5. A method for manufacturing a semiconductor substrate according to one item.
前記基板を保持する基板保持部と、
ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるターゲットを保持するターゲット保持部と、
前記ターゲットの周囲及び前記基板の周囲にＶ族ガスを供給するガス供給手段と、
前記ターゲットに向けてパルス電子線を照射する電子線源と
を具備することを特徴とする半導体基板の製造装置。 A semiconductor substrate manufacturing apparatus in which a group III metal or group III-V semiconductor is provided on a substrate,
A substrate holder for holding the substrate;
A target holding part for holding a target made of a group III metal or a group III-V compound;
Gas supply means for supplying a group V gas around the target and around the substrate;
And an electron beam source for irradiating a pulsed electron beam toward the target.
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体基板の製造装置。 The semiconductor substrate manufacturing apparatus according to claim 5, wherein a plurality of the electron beam sources are provided.
前記パルス電子線を射出する射出部と、
前記射出部を前記ターゲットの近傍に移動可能な移動機構と
を有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の半導体基板の製造装置。 The electron beam source is
An emission part for emitting the pulsed electron beam;
The semiconductor substrate manufacturing apparatus according to claim 5, further comprising: a moving mechanism capable of moving the injection unit in the vicinity of the target.
前記基板上に設けられ、ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物を主成分とする半導体薄膜と
を具備し、
前記半導体薄膜に含まれる前記ＩＩＩ族金属又はＩＩＩ−Ｖ族化合物の結晶のチルト角及びツイスト角についてのＸ線ロッキングカーブの半値幅が共に０．１°以下になっている
ことを特徴とする半導体基板。
A substrate,
A semiconductor thin film provided on the substrate and mainly comprising a group III metal or a group III-V compound,
The half width of the X-ray rocking curve for the tilt angle and twist angle of the group III metal or group III-V compound crystal contained in the semiconductor thin film is 0.1 ° or less. substrate.
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