JP2008532306A5

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Publication number: JP2008532306A5
Application number: JP2007557614A
Authority: JP
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2026-02-28

Description

基板ホルダである堆積アセンブリ５０は、絶縁体２６によって堆積チャンバー２０とは電気的に絶縁される。１つ又は複数の基板支持部５４は、抵抗ヒーターやランプヒーター等の加熱手段によって裏側から加熱される。基板支持部５４は、誘電体窓２８の近傍のプラズマ密度が最高値の域から数表皮厚さ（通常５〜２０）だけ離れて配置される。本発明では、通常の作動圧において表皮厚さは約１ｃｍとされる。基板ホルダ５０は、接地されるかもしくは電気的に浮遊した状態で配置される。また、基板ホルダ５０は、ＤＣ自己バイアスを生じさせるべく、ＤＣバイアス電源に接続されるか、インピーダンス整合回路網５６を介して高周波発生器５８に結合されてもよい。これらの手段は、基板５４の電位をプラズマの電位に関連して制御するために行われる。このようにすることで、基板５４の表面に対して垂直な電場部成分を、プラズマ３６を制御するパラメーターとは独立して制御することが可能となる。このように、基板に衝突するイオンのエネルギーをエピタキシャル成長に最適な条件に調整することが可能となる。

図１に開示される本発明の好適な具体案において、基板支持部５４のアセンブリは上方に向けられている。このような構造は、半導体処理に通常用いられるもので、ウエハーの処理及び基板ホルダである堆積アセンブリ５０の設計を容易にする。本発明によると、ＬＥＰＥＶＰＥは基板支持部５４の表面に高密度低エネルギープラズマが直接接触することを特徴とする。よって、基板支持部５４の表面は、低エネルギーイオンの激しい衝突を受けることとなり、イオンのエネルギーは基板バイアスを適切に選択することによって調節される。この点、通常ラジカルのみを生成し、基板表面において非常に低いイオン密度を有するリモートプラズマ源を用いたプラズマ処理方法と対照的である。低エネルギーイオンによる激しい基板衝突は、５００℃という低い基板温度及び５ｎｍ／ｓ以上の非常に高い成長率でデバイス品質半導体層のエピタキシャル成長を行う上で有益であることが分かっている（参照することにより本件に組み込まれるｖoｎＫaｎｅｌｅｔａｌ.によるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８０，２９２２（２００２）を例として参照）。本発明によると、ＬＥＰＥＶＰＥと最先端のウエハー処理器具（図示なし）を組み合わせることで、非常に高いスループットが期待できる。

次に、図５には本発明の別の具体案が開示されており、堆積チャンバー２０における基板ホルダ５０に取り付けられる基板支持部５４は、ここでも下方に向けられている。堆積チャンバー２０はプラズマ形成を補助するコイル又は永久磁石が選択的に具備されてもよい（図３を参照）。

この具体案において、金属元素蒸気は、スパッタターゲット６２を保持する水冷スパッタ源６０によってプラズマに供給される。スパッタターゲット６２は、同心円状又は環状の形態でＩＰＣ源の誘電体窓２８の周囲を囲むように配置されることが望ましい。スパッタターゲットは、インピーダンス整合回路６４を介して高周波電源６６に接続され、これによって電源６６は、ＩＣＰコイル３０に電力供給するための発生器３４で用いられる周波数と好適には大幅に異なる周波数で交流電圧を供給する。これによって、２種の電源３４と６６の間で望ましくない干渉が生じることが軽減される。本発明の別の具体案では、スパッタ源６０はＤＣ電源によって電力供給される。約０．２×１０−２ｍｂａｒｍの一般的な圧力−距離（pｒｅｓｓｕｒｅｓ−ｄｉｓｔａｎｃｅ）の製品の場合、スパッタ源を用いて電子グレード半導体物質を成長させることが可能なように、基板に達するスパッタ粒子はほぼ完全に熱化されていることが分かっている（参照することにより本件に組み込まれるＳｕｔｔｅｒｅｔａｌ．によるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６７，３９５４（１９９５）を例として参照）。

本発明の好適な具体案では、エピタキシャル窒化物半導体成長において反応ガスは全く用いられない。付加的なスパッタターゲット６０ａには、アクセプタ不純物として作用するマグネシウム、亜鉛やその類似金属等の元素形態で用いられるのが好ましいドーピング種が含まれる場合もある。同様に、シリコン等のドナーとして作用するドーパントも、付加的なスパッタターゲット６０ａから供給されてもよい。また別の具体案においては、各ターゲット６２の間で二次汚染が生じるのを防ぐために、各スパッタ源６０にはシャッター（図示なし）が選択的に備えられてもよい。

エピタキシャル成長の間、誘導コイル３０に供給される高周波電力及びチャンバー２０内のガス圧は、加熱された基板５４が低エネルギープラズマに完全にさらされるように選択される。通常、チャンバー２０内のガス圧は１０^-3ｍｂａｒから１０^-1ｍｂａｒの範囲であり、最も一般的には１０^-2から１０^-1ｍｂａｒの範囲である。このような条件下で、活性窒素とスパッタ源６０から注入される金属蒸気は拡散輸送によってプラズマを移動し、上記されるように工程は進められる。

本発明の別の具体案では、スパッタ源６０はエフュージョンセル４０と組み合わされてもよく、その場合この２つのソースは誘電体窓２８の周囲に対称的に配置される。元素形態の反応物質及びドーパントを気化させるためのエフュージョンセル及びスパッタ源を、エピタキシャル層成長に適した高密度低エネルギープラズマと組み合わせることは、これまで提案されたことはない。本発明の好適な具体案では、１つの気化金属につき１つ以上のスパッタ源６０及びエフュージョンセル４０が用いられる。それぞれのソースは、金属蒸気の異なるフラックスを運ぶように作動することができ、これにより１つのソースから別のソースに切り替えることによって、成長率又はドーピング密度の急激な変化を容易に可能にする。また別の具体案では、エフュージョンセル４０及びスパッタ源６０は、電子線気化器（ｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）に代替もしくは補完されてもよい。電子線気化器は、エフュージョンセル４０では大きなフラックスを得るのが困難な低い蒸気圧の元素を気化させるのに特に適する。

Claims

半導体エピタキシーのための真空装置（１０）であって、該装置は
ａ．圧力制御された堆積チャンバー（２０，２００）と、
ｂ．上記堆積チャンバー内に配置され、基板（５４，４００）を保持及び加熱する基板ホルダ（５０，２３０）と、
ｃ．物質を、元素金属、金属合金及びドーパント等の気体粒子に気化し、上記堆積チャンバーに供給するソース（４０，４０’，６０，６０’，３００，３００’）と、
ｄ．上記堆積チャンバーにガスを供給するガス供給システム（２２’，２３’，２４０’）と、
ｅ．上記堆積チャンバー（２０，２００）に適切なプラズマを供給するように適合されたプラズマ源（３１，１００）と、
ｆ．上記堆積チャンバー（２０，２００）においてプラズマ（３６，１４０）の分布を成形するための磁場を生成するのに適した任意の磁場発生器（７０，２５０）と
からなり、上記堆積チャンバー（２０，２００）内にガス及び気体粒子を拡散的に伝搬するように適合され、該ガス及び気体粒子は、反応して低エネルギープラズマ気相エピタキシーによって上記基板ホルダ（５０，２３０）に固定され加熱された基板（５４，４００）上に均一なエピタキシャル層（５５）を形成するように、プラズマ（３６，１４０）によって活性化されることを特徴とする装置（１０）。
上記プラズマ源（３１）は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ源、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源又は低電圧アーク放電源等の低エネルギーイオンを供給することが可能なプラズマ源の群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
物質を気化し、元素金属及び金属合金の気体を供給する上記ソースは、エフュージョンセル（４０，３００）及びスパッタ源（６０）を含む、蒸気フラックスを供給することが可能なソースの群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記ドーパント源は、エフュージョンセル（４０’）、スパッタ源（６０’）及び反応ガス源（２３’）を含む源／ソースの群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記ガス供給システム（２２’）によって堆積領域に供給されるガスは、アルゴン及び窒素を含む非毒性且つ不活性のガスであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
エピタキシャル成長の際に維持される圧力は１０^-4−１ｍｂａｒの範囲内から選択されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記ＩＣＰ源（３１）は、スパイラル誘導結合器（３０）を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
上記プラズマ源（１００）は、１つ又は複数の熱陰極（１３０）を備えた直流プラズマ源であり、
上記プラズマ源における陰極アセンブリはプラズマに透過性のある陽極（１１０）と連通されることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
上記直流プラズマ源はブロードエリア型プラズマ源（１００）であって、それによりプラズマ抽出領域（ｐｌａｓｍａｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎ）（１２５）がシャワーヘッドによって形成され、上記シャワーヘッドは堆積領域において均一なプラズマ密度（１４０）を形成するように透過性陽極（１１０）に連通されることを特徴とする請求項１、２又は８のいずれか１に記載の装置。
上記プラズマによって活性化されるガスが、上記堆積領域においてプラズマによって活性化された金属蒸気と反応されることによって、その後の窒化物半導体層エピタキシーに用いられるのに十分な品質のエピタキシャルテンプレート層（５５，４１０）が、加熱された基板ホルダ（５０，２３０）に保持された加熱された基板（５４，４００）に形成されることを特徴とする請求項１、３又は５のいずれか１に記載の装置。
上記窒化物ガスは、上記ガス供給システム（２２’，２４０’）によって堆積領域に供給されると、プラズマによって活性化され、上記堆積領域においてプラズマによって活性化された、ガリウム、インジウム及びアルミニウムからなる金属の群から選択された金属蒸気と反応されることで、加熱された上記基板ホルダによって保持された基板にエピタキシャル窒化物半導体層が形成されることを特徴とする請求項１、３又は５のいずれか１に記載の装置。
上記ドーパント源（４０’，６０’，３００’，２３’）は、シリコン、マグネシウム、亜鉛、ベリリウム及びカドミウムから構成される元素群から選択される元素を含むことを特徴とする請求項１又は４に記載の装置。
金属及びドーパント蒸気のフラックスを遮断するためのシャッター（４２，８０，３１０）が備えられることを特徴とする請求項１、３又は４のいずれか１に記載の装置。
上記のソースのうち少なくとも１つは差動排気（３２０）されるように装備されることを特徴とする請求項１、４又は５のいずれか１に記載の装置。
１つの気化物質につき１つ以上のソース(４０，４０’，６０，６０’，３００，３００’）が備えられ、同一物質に用いられるソースは稼動において気体粒子の異なるフラックスが得られるように適合されることを特徴とする請求項１、３、４又は５のいずれか１に記載の装置。
上記装置は、不活性ガスで希釈されたシラン等のドーピングガス（２３’）を堆積チャンバーに供給するように適合されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
上記プラズマ源（１００）は、上記基板に衝突するイオンが約２０ｅＶ以下のエネルギーを有するように、アーク電圧が３０Ｖ以下の低電圧アーク放電源であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
上記基板（５５，４０）におけるプラズマ密度を急激に変えることができるように、基板位置の磁場強度を変えるための手段（７０）が備えられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
上記基板（５５，４００）における平均プラズマ均一性を向上させるように、磁場の方向を周期的に変化させるための手段（７０）が備えられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１に記載の装置。
請求項２７に記載の方法を用いて製造された、炭素非含有で最大３００ｍｍまでエピタキシャル成長された窒化物半導体層が堆積した基板からなる半導体。
水素非含有エピタキシャル窒化物層からなる半導体。
０．１ｎｍ／ｓから１０ｎｍ／ｓの範囲の成長率で堆積されたエピタキシャル窒化物層からなる請求項２１に記載の半導体。
１ｎｍ／ｓから１０ｎｍ／ｓの範囲の成長率で堆積されたエピタキシャル窒化物層からなる請求項２１に記載の半導体。
ドープエピタキシャル窒化物層からなる請求項２１に記載の半導体。
１０００℃以下の温度で基板上に堆積されたエピタキシャル窒化物層からなる請求項２１に記載の半導体。
８００℃以下の温度で基板上に堆積されたエピタキシャル窒化物層からなる請求項２１に記載の半導体。
化合物半導体層のエピタキシャル成長のための方法であって、
ａ．ガス粒子及び金属粒子が活性化される密度及び圧力でプラズマが維持され、プラズマ内で該粒子が拡散的に伝搬される堆積チャンバーにおいて、１つ又は複数の金属が気化され、
ｂ．プラズマにさらされ加熱された基板上に半導体層が形成され、化合物半導体層のエピタキシャル成長が行われるように、金属蒸気を非常に活性化された非金属元素のガスと反応させる
というステップからなる方法。
プラズマ気相エピタキシーのためのプラズマ発生装置であって、
ガス粒子及び金属粒子が活性化されると共にプラズマ内を拡散的に伝搬されるプラズマ（３６，１４０）を含有し、半導体基板（５４，４００）を該プラズマ（３６，１４０）とイオン的に接触するように支持するよう形成されたチャンバー内部を有する真空性の堆積チャンバー（２０，２００）と、
上記チャンバー内部（２１）においてプラズマ（３６，１４０）を生成及び制御するために蒸気堆積チャンバー（２２）と連通して配置されたプラズマ発生器（３１，１００）と、
上記チャンバー内部に少なくとも部分的に包囲され、上記堆積チャンバーと電気的に絶縁される（２６）と共に、上記チャンバー内部で生成されたプラズマと直接的にイオン接触を行うように半導体基板（５４）を保持する基板支持部と、該半導体基板を１１００℃まで加熱するように制御可能な熱源（５３，２３０）とを備えた堆積アセンブリ（５０，２３０）と、
上記チャンバー内部に制御可能にガスを注入するように配置され、上記チャンバー内部におけるガス圧及びガス混合を規制し、上記チャンバー内部にガスを注入するための注入口（２２，２３，２４０）を少なくとも１つ備えたガス供給システム（２２’，２３’，２４０’）と、
上記チャンバー内部からガスを除去するための排気システム（２４’，２１０）と、
上記チャンバー内部に金属蒸気を注入するように配置された少なくとも１つの金属蒸気源(４０，６０，３００)と、
上記チャンバー内部にドープ剤を注入するように配置された少なくとも１つのドーパント源(４０’，６０’，３００)とからなる、
気相エピタキシーのためのプラズマ装置を提供可能な組み合わせで構成された装置。
プラズマ気相単結晶エピタキシーのための請求項２７に記載の方法であって、
気化を行うステップにおいて、
ガリウム、アルミニウム及びインジウムからなる金属群から選択された金属蒸気とＮ₂ガスの形態の窒素は、上記装置の堆積チャンバー（２０，２００）においてガス粒子及び金属粒子が拡散的に伝搬されるようなそれぞれの適切な濃度及び圧力で混合され、
反応を行うステップにおいて、
上記金属蒸気とＮ₂ガスは上記装置の堆積チャンバーにおいて適切なプラズマ（３６，１４０）にさらされ、上記金属蒸気と窒素ガスは活性化され、上記プラズマにおいて活性化された蒸気金属と活性化された窒素ガスとを反応させ、単結晶窒化物半導体を形成するべく、プラズマに配置された半導体支持基板上に金属窒化物層をプラズマ内で形成及びエピタキシーする
というステップからなる方法。
プラズマ気相単結晶エピタキシーのための請求項２７に記載の方法であって、
気化を行うステップにおいて、蒸気状のガリウムとＮ₂の形態の窒素とは上記装置の堆積チャンバー内で、ガス粒子及び金属粒子がプラズマ内で拡散的に伝搬されるようなそれぞれの適切な濃度及び圧力で混合され、上記装置の堆積チャンバー内でガリウム蒸気と
Ｎ₂ガスをプラズマにさらし、窒素ガスを活性化させ、
反応を行うステップにおいて、反応性の蒸気状のガリウム及び窒素ガスを上記プラズマにおいて反応させ、
それによってプラズマ内で単結晶窒化物半導体を形成するべく、プラズマに配置された半導体支持基板上に金属窒化物層を形成及びエピタキシーする方法。
請求項２７に記載の方法によって形成されたエピタキシャル金属窒化物層であって、
エピタキシャル金属窒化物層は、エピタキシャル金属窒化物へテロ構造を構成する活性層を成長させるためのテンプレートを形成し、
上記活性層を形成するための方法は、分子線エピタキシー、有機金属化学気相成長法及び低エネルギープラズマ気相エピタキシーからなる群から選択されることを特徴とするエピタキシャル金属窒化物層。
請求項３１に記載の方法によって形成されたエピタキシャル金属窒化物へテロ構造であって、
上記エピタキシャル金属窒化物へテロ構造は、発光ダイオード、レーザー及び高周波高出力電子装置からなる装置の群から選択される装置の形成のための活性積層を含むことを特徴とするエピタキシャル金属窒化物ヘテロ構造。