JP2012174796A - Method of forming gallium nitride film, and device of forming gallium nitride film - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、反応性スパッタ法を用いて窒化ガリウム膜を形成する方法、及び該形成方法を用いて窒化ガリウム膜を形成する装置に関する。 The present invention relates to a method for forming a gallium nitride film using a reactive sputtering method, and an apparatus for forming a gallium nitride film using the forming method.
ＩＩＩ族窒化物半導体の１つである窒化ガリウム系半導体は、紫外光から可視光に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップを有することから、発光ダイオードやレーザダイオード等の発光装置の形成材料として広く用いられている。また、窒化ガリウムは、例えばシリコンやガリウムヒ素等の他の半導体材料と比較して、電圧破壊に対する高い耐性を有することに加え、高い飽和電子速度を有する。そのため、窒化ガリウムは、上記発光装置の形成材料としてだけではなく、電子デバイスや受光素子等の形成材料としても広く用いられている。 A gallium nitride based semiconductor, which is one of group III nitride semiconductors, has a direct transition type band gap of energy corresponding to ultraviolet light to visible light. Therefore, as a material for forming light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes. Widely used. Further, gallium nitride has a high saturation electron velocity in addition to high resistance to voltage breakdown as compared with other semiconductor materials such as silicon and gallium arsenide. Therefore, gallium nitride is widely used not only as a material for forming the light emitting device but also as a material for forming an electronic device, a light receiving element, and the like.
こうした窒化ガリウムは一般に、バルク単結晶の製造が困難なために、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の他、例えば特許文献１に記載のような反応性スパッタ法によって、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの異種基板上にエピタキシャル成長される。 Since such gallium nitride is generally difficult to produce a bulk single crystal, in addition to the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, the molecular beam epitaxy (MBE) method, etc., the reactivity as described in Patent Document 1, for example It is epitaxially grown on a different substrate such as sapphire or silicon carbide (SiC) by sputtering.
上記文献に記載の方法では、まず、バッファ層と呼ばれる窒化アルミニウム層が、反応性スパッタ法によってサファイア基板上に形成される。次いで、窒化ガリウム層が、同じく反応性スパッタ法によってバッファ層上に形成される。これにより、サファイア基板の格子定数と窒化ガリウム層の格子定数との不整合がバッファ層によって解消されることによって、窒化ガリウム層が、バッファ層上にエピタキシャル成長することになる。 In the method described in the above document, first, an aluminum nitride layer called a buffer layer is formed on a sapphire substrate by a reactive sputtering method. A gallium nitride layer is then formed on the buffer layer, also by reactive sputtering. As a result, the mismatch between the lattice constant of the sapphire substrate and the lattice constant of the gallium nitride layer is eliminated by the buffer layer, so that the gallium nitride layer is epitaxially grown on the buffer layer.
また、デバイス構造の加工性、窒化ガリウム層の結晶品質向上の観点からすると、窒化ガリウム膜の成長様式は、成長表面が基板表面に沿った層状成長であることが好ましい。例えば、非特許文献１には、ＭＢＥを用いた窒化ガリウム形成における成長表面の形態、すなわち上記成長様式の制御方法が提案されている。 Further, from the viewpoint of device processability and improvement of crystal quality of the gallium nitride layer, the growth mode of the gallium nitride film is preferably a layered growth in which the growth surface is along the substrate surface. For example, Non-Patent Document 1 proposes a growth surface form in gallium nitride formation using MBE, that is, a method for controlling the growth mode.
ところで、上記特許文献に記載の方法では、反応性スパッタ法による窒化ガリウム層の形成を可能にするための条件として、下記の範囲を規定している。そして、同文献においては、下記の範囲が、反応性スパッタ法による窒化ガリウム層の形成を行う上で至適な範囲であるものとしている。
・基板の温度範囲（８００℃〜１２００℃）。
・基板を収容する真空槽の圧力範囲（１０−３Ｐａ以下）。
・窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスに占める窒素ガスの割合の範囲（２０％〜９８％
）。
By the way, in the method described in the above-mentioned patent document, the following ranges are defined as conditions for enabling the formation of the gallium nitride layer by the reactive sputtering method. In this document, the following range is an optimum range for forming a gallium nitride layer by reactive sputtering.
-Temperature range of the substrate (800 ° C to 1200 ° C).
-The pressure range (10 < -3 > Pa or less) of the vacuum chamber which accommodates a board | substrate.
-The range of the ratio of nitrogen gas to the mixed gas of nitrogen gas and argon gas (20% to 98%)
).
一方、本願発明者らの鋭意研究によれば、窒化ガリウム層が有する構造は、上述した条件やその範囲のみによって一つに定まるものではなく、ガリウムと窒素種との基板への供給比率、及び基板表面に到達するガリウムの流束と基板表面から蒸発するガリウムの流束とに密接に関係し、これにより、下記（ａ）〜（ｃ）のいずれかに定まることが見出された。
（ａ）窒化ガリウム層の表面の一部にてガリウムが半球状に析出する析出構造。
（ｂ）窒化ガリウム層の表面が基板表面に沿う層状構造。
（ｃ）窒化ガリウム層の表面が基板表面の法線方向に延びる柱状構造。
On the other hand, according to the earnest study of the inventors of the present application, the structure of the gallium nitride layer is not limited to one depending only on the above-mentioned conditions and the range thereof, the supply ratio of gallium and nitrogen species to the substrate, and It has been found that the flux of gallium reaching the substrate surface and the flux of gallium evaporating from the substrate surface are closely related to each other, and are determined by any of the following (a) to (c).
(A) A deposition structure in which gallium is deposited hemispherically on part of the surface of the gallium nitride layer.
(B) A layered structure in which the surface of the gallium nitride layer is along the substrate surface.
(C) A columnar structure in which the surface of the gallium nitride layer extends in the normal direction of the substrate surface.
上記（ａ）〜（ｃ）の膜構造のうち、上記（ｂ）層状構造の窒化ガリウム層は、基板表面の面方向に沿うデバイス構造に対して加工に優れた構造である一方、上記（ｃ）柱状構造の窒化ガリウム層は、基板表面の法線方向に沿うデバイス構造に対して加工に優れた構造である。この点、上記文献に記載の条件とは、ガリウムと窒素種の基板への供給比率、基板表面に到達するガリウムの流束と基板表面から蒸発するガリウムの流束とが考慮されたものでなく、それゆえに上記（ａ）〜（ｃ）の膜構造が混在する虞がある。 Among the film structures (a) to (c), the gallium nitride layer having the layered structure (b) is a structure excellent in processing with respect to the device structure along the surface direction of the substrate surface. The columnar gallium nitride layer is a structure excellent in processing with respect to the device structure along the normal direction of the substrate surface. In this respect, the conditions described in the above documents do not take into consideration the supply ratio of gallium and nitrogen species to the substrate, the gallium flux reaching the substrate surface and the gallium flux evaporating from the substrate surface. Therefore, the film structures (a) to (c) may be mixed.
そのうえ、上述した真空槽の圧力範囲や窒素ガスの割合とは、基板表面に到達するガリウムの流束や基板表面から蒸発するガリウムの流束を各別に制御することの可能なパラメータとは言い難いものである。そのため、同文献に記載のスパッタ装置とは異なる仕様のスパッタ装置では、上記（ａ）〜（ｃ）の膜構造の混在する割合すら、その再現が困難なものとなっている。こうした理由から、スパッタ装置の仕様に関わらず、反応性スパッタ法による窒化ガリウム層の形成を可能とするプロセスの開発が切望されてもいる。 In addition, the pressure range of the vacuum chamber and the ratio of nitrogen gas described above are not parameters that can individually control the gallium flux reaching the substrate surface and the gallium flux evaporating from the substrate surface. Is. Therefore, in a sputtering apparatus having a specification different from that of the sputtering apparatus described in the same document, it is difficult to reproduce even the ratio of the film structures (a) to (c). For these reasons, development of a process capable of forming a gallium nitride layer by reactive sputtering is eagerly desired regardless of the specifications of the sputtering apparatus.
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記（ａ）〜（ｃ）のうち、上記（ｂ）層状構造の窒化ガリウム膜を汎用性の高められたプロセスで選択的に形成することの可能な窒化ガリウム膜の形成方法、及び該形成方法を用いて窒化ガリウム膜を形成する装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to select the gallium nitride film having the layered structure (b) from among the above (a) to (c) by a process with enhanced versatility. It is an object of the present invention to provide a method for forming a gallium nitride film that can be formed in an efficient manner, and an apparatus for forming a gallium nitride film using the method.
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、真空槽内に配置されたガリウムターゲットにバイアス電力を供給して、前記真空槽内に供給された希ガスによって前記ガリウムターゲットをスパッタする工程と、前記真空槽内に供給されて、プラズマにより活性化された窒素含有ガスと、前記スパッタされたガリウムとを、前記真空槽内で加熱される単結晶基板上にて反応させることで窒化ガリウム膜を形成する工程とを有する窒化ガリウム膜の形成方法であって、前記窒素含有ガスが、前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、前記窒化ガリウム膜の成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記真空槽内に供給されるものであり、前記バイアス電力が、前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるものであり、前記単結晶基板の温度が、前記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを前記単結晶基板の表面から蒸発させるものであることを要旨とする。
Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.
The invention described in claim 1 includes a step of supplying bias power to a gallium target disposed in a vacuum chamber, and sputtering the gallium target with a rare gas supplied in the vacuum chamber; Forming a gallium nitride film by reacting a nitrogen-containing gas activated by plasma and the sputtered gallium on a single crystal substrate heated in the vacuum chamber; A method of forming a gallium nitride film having the nitrogen-containing gas in a nitrogen concentration that is a ratio of the nitrogen-containing gas to a total flow rate of the rare gas and the nitrogen-containing gas. The growth rate is supplied into the vacuum chamber so as to be in a range of nitrogen concentration controlled by nitrogen supply, and the bias power is applied to the gallium nitride. In addition, gallium reaches the surface of the single crystal substrate, and the temperature of the single crystal substrate evaporates all of the gallium other than the nitrided gallium from the surface of the single crystal substrate. Is the gist.
請求項４に記載の発明は、単結晶基板を収容するとともに該単結晶基板を加熱する加熱部を有した真空槽と、前記真空槽内に希ガスと窒素含有ガスとを供給するガス供給部と、前記真空槽内に配置されたガリウムターゲットと、前記ガリウムターゲットにバイアス電力を供給する電力供給部と、前記ガリウムターゲットを前記希ガスでスパッタするときに、前記加熱部、前記ガス供給部、及び前記電力供給の動作を制御する制御部とを備える窒化ガリウム膜の形成装置であって、前記制御部は、前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総
流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、前記窒化ガリウム膜の成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるように前記電力供給部に前記バイアス電力を出力させるとともに、前記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを前記単結晶基板の表面から蒸発させるように前記加熱部に前記単結晶基板を加熱させることを要旨とする。
The invention according to claim 4 is a vacuum chamber having a heating unit for accommodating a single crystal substrate and heating the single crystal substrate, and a gas supply unit for supplying a rare gas and a nitrogen-containing gas into the vacuum chamber A gallium target disposed in the vacuum chamber, a power supply unit that supplies bias power to the gallium target, and when the gallium target is sputtered with the rare gas, the heating unit, the gas supply unit, And an apparatus for forming a gallium nitride film comprising a control unit for controlling the operation of power supply, wherein the control unit is a ratio of the nitrogen-containing gas to a total flow rate of the rare gas and the nitrogen-containing gas. The gallium nitride is controlled by controlling the driving of the gas supply unit so that the growth rate of the gallium nitride film is within a range of nitrogen concentration controlled by the nitrogen supply. In addition, the power supply unit outputs the bias power so that gallium reaches the surface of the single crystal substrate, and all the gallium other than the gallium to be nitrided is evaporated from the surface of the single crystal substrate. The gist is to cause the heating unit to heat the single crystal substrate.
本発明者らの鋭意研究によれば、窒化ガリウムのプロセス領域のうち、窒化されるガリウム以外のガリウムが基板の表面に到達する領域であれば、基板表面上に到達したガリウムの有する基板表面上での流動性によって、ガリウムそのものが二次元的に拡散し、窒化ガリウムの粒成長が基板表面上にて抑えられることが見出された。そして、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが基板の表面から蒸発するような領域であれば、上述のようにして拡散したガリウムが、基板表面上から蒸発することになるため、窒化ガリウム膜の表面の一部にてガリウムが半球状に析出することが抑えられ、これにより上記層状構造の窒化ガリウム膜が形成されることが見出された。 According to the earnest study of the present inventors, if the gallium other than the gallium to be nitrided reaches the surface of the substrate in the process region of gallium nitride, It has been found that the gallium itself diffuses two-dimensionally due to the fluidity in the substrate, and the growth of gallium nitride grains is suppressed on the substrate surface. If all of the gallium other than the gallium nitride is evaporated from the surface of the substrate, the diffused gallium is evaporated from the surface of the substrate. It has been found that gallium is prevented from being deposited in a hemispherical shape on a part of the surface, thereby forming a gallium nitride film having the above layered structure.
この点、請求項１に記載の窒化ガリウムの形成方法、及び請求項４に記載の窒化ガリウムの形成装置によれば、窒素濃度は基板に供給されるガリウムと活性化された窒素種の比率とが決定されるとともに、バイアス電力が、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板の表面に到達させるものであり、基板の温度が、上記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを基板の表面から蒸発させるものである。そして、窒化ガリウム膜を形成するパラメータのうち、窒素濃度とは、基板表面に供給されるガリウムと活性化された窒素種の比率を制御することが可能なパラメータであり、バイアス電力とは、基板の表面に到達するガリウムの流量を独立して制御することの可能なパラメータであり、また、基板の温度とは、基板の表面から蒸発するガリウムの流量をこれもまた独立して制御することの可能なパラメータである。それゆえに、基板表面に供給されるガリウムと活性化された窒素種の比率を制御することの可能な窒素濃度と、基板表面におけるガリウムの流束を直接的に制御することの可能なバイアス電力と基板の温度とによってプロセスが構築されるため、上記層状構造の窒化ガリウム膜を汎用性の高められたプロセスで選択的に形成することが可能となる。 In this regard, according to the method for forming gallium nitride according to claim 1 and the apparatus for forming gallium nitride according to claim 4, the nitrogen concentration is the ratio between the gallium supplied to the substrate and the activated nitrogen species. And the bias power causes gallium other than the gallium nitride to reach the surface of the substrate, and the substrate temperature evaporates all the gallium other than the gallium nitride from the surface of the substrate. Is. Of the parameters for forming the gallium nitride film, the nitrogen concentration is a parameter capable of controlling the ratio of the gallium supplied to the substrate surface and the activated nitrogen species, and the bias power is the substrate It is a parameter that can independently control the flow rate of gallium reaching the surface of the substrate, and the substrate temperature is also the independent control of the flow rate of gallium that evaporates from the surface of the substrate. It is a possible parameter. Therefore, a nitrogen concentration capable of controlling the ratio of gallium and activated nitrogen species supplied to the substrate surface, and a bias power capable of directly controlling the gallium flux on the substrate surface, Since the process is established depending on the temperature of the substrate, the layered gallium nitride film can be selectively formed by a process with enhanced versatility.
請求項２に記載の発明は、前記窒素含有ガスが窒素ガスであり、前記希ガスがアルゴンガスであって、前記窒素ガリウム膜を形成するときの前記窒素濃度を該窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して３０％以上９０％以下の成長速度となる範囲とし、且つ、前記窒化ガリウム膜を形成するときの前記単結晶基板の温度を基板温度Ｔ（℃）、前記ガリウムターゲットに供給される電力をバイアス電力Ｐ（Ｗ／ｃｍ２）とするとき、６００≦Ｔ≦１２００、０＜Ｐ≦４．６３を満たすことを要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, the nitrogen-containing gas is nitrogen gas, the rare gas is argon gas, and the nitrogen concentration when the nitrogen gallium film is formed is determined according to the growth rate of the gallium nitride film. The growth rate is 30% or more and 90% or less with respect to the maximum value, and the temperature of the single crystal substrate when the gallium nitride film is formed is the substrate temperature T (° C.), which is supplied to the gallium target. When the bias power is P (W / cm 2 ), the gist is that 600 ≦ T ≦ 1200 and 0 <P ≦ 4.63.
請求項５に記載の発明は、前記制御部が、前記窒素濃度が成長速度の極大値に対して３０％以上９０％以下の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、前記窒化ガリウム膜を形成するときの前記単結晶基板の温度を基板温度Ｔ（℃）、前記ガリウムターゲットに供給される電力をバイアス電力Ｐ（Ｗ／ｃｍ２）とするとき、前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、６００≦Ｔ≦１２００、０＜Ｐ≦４．６３を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御することを要旨とする。 According to a fifth aspect of the present invention, the control unit controls the driving of the gas supply unit so that the nitrogen concentration falls within a range in which the growth rate is 30% or more and 90% or less with respect to the maximum growth rate. When the temperature of the single crystal substrate when forming the gallium nitride film is a substrate temperature T (° C.) and the power supplied to the gallium target is a bias power P (W / cm 2 ), the substrate temperature The gist is to control the heating unit and the power supply unit so that T and the bias power P satisfy 600 ≦ T ≦ 1200 and 0 <P ≦ 4.63.
請求項２に記載の窒化ガリウム膜の形成方法、及び請求項５に記載の窒化ガリウム膜の形成装置では、基板の温度を６００℃以上１２００℃以下とするとともに、ガリウムターゲットの単位面積あたりに供給されるバイアス電力Ｐを０Ｗ／ｃｍ２より大きく４．６３Ｗ／ｃｍ２以下とする。上述のような窒素濃度の条件下において、基板の温度の範囲とバイアス電力の範囲とが規定されるため、基板上にて単体の状態で存在するガリウムの量と
、基板の熱によって蒸発するガリウムの量とを略等しくすることが容易なものとなる。
In the method for forming a gallium nitride film according to claim 2 and the apparatus for forming a gallium nitride film according to claim 5, the temperature of the substrate is set to 600 ° C. or more and 1200 ° C. or less and supplied per unit area of the gallium target. The applied bias power P is set to be greater than 0 W / cm 2 and 4.63 W / cm 2 or less. Since the temperature range of the substrate and the range of the bias power are defined under the nitrogen concentration conditions as described above, the amount of gallium existing alone on the substrate and the gallium evaporated by the heat of the substrate This makes it easy to make the amount of
請求項３に記載の発明は、前記窒素濃度が、前記窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲であり、前記バイアス電力が、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力であり、前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、Ｐ≦０．００８３Ｔ−４．７、Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６を満たすことを要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, the nitrogen concentration is in a range where the growth rate is 60% or more and 70% or less with respect to the maximum value of the growth rate of the gallium nitride film, and the bias power has a frequency of 13 It is a high frequency power of .56 MHz, and the gist is that the substrate temperature T and the bias power P satisfy P ≦ 0.0083T-4.7 and P ≧ 0.0088T-6.6.
請求項６に記載の発明は、前記バイアス電力が、周波数が１３．５６ＭＨＰの高周波電力であり、前記ガス供給部が、前記希ガスであるアルゴンガスと前記窒素含有ガスである窒素ガスとを供給し、前記制御部が、前記窒素濃度が前記窒化ガリウム膜の成長速度の極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御するとともに、前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、Ｐ≦０．００８３Ｔ−４．７、Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御すること要旨とする。 According to a sixth aspect of the present invention, the bias power is high-frequency power having a frequency of 13.56 MHP, and the gas supply unit supplies argon gas that is the rare gas and nitrogen gas that is the nitrogen-containing gas. The control unit controls the driving of the gas supply unit so that the nitrogen concentration falls within a range of 60% to 70% with respect to the maximum value of the growth rate of the gallium nitride film. Controlling the heating unit and the power supply unit so that the substrate temperature T and the bias power P satisfy P ≦ 0.0083T-4.7 and P ≧ 0.0088T-6.6, and To do.
請求項３に記載の窒化ガリウム膜の形成方法、及び請求項６に記載の窒化ガリウム膜の形成装置では、窒化ガリウム膜の形成時に、窒素濃度を該窒素濃度によって窒化ガリウム膜の成長速度が律速される範囲、且つ、窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲としている。つまり、成膜対象である基板に供給されるガリウムの量が、窒素の量に対して過剰である条件にて窒化ガリウム膜の形成を行うようにしている。そのため、基板上においては、上述したようにガリウムの表面拡散が窒素によって抑制されにくくなることから、窒化ガリウム膜が基板面内において二次元的に成長しやすくなる。 The method for forming a gallium nitride film according to claim 3 and the apparatus for forming a gallium nitride film according to claim 6, wherein the growth rate of the gallium nitride film is controlled by the nitrogen concentration when the gallium nitride film is formed. And a range in which the growth rate is 60% or more and 70% or less with respect to the maximum value in the growth rate of the gallium nitride film. That is, the gallium nitride film is formed under the condition that the amount of gallium supplied to the substrate to be deposited is excessive with respect to the amount of nitrogen. Therefore, since the surface diffusion of gallium is hardly suppressed by nitrogen on the substrate as described above, the gallium nitride film is likely to grow two-dimensionally in the substrate plane.
また、上記方法及び構成では、上記窒素濃度を窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲とするときに、上記バイアス電力を周波数が１３，５６ＭＨｚである高周波電力とするとともに、上記基板温度Ｔ及びバイアス電力Ｐが、Ｐ≦０．００８３Ｔ−４．７、Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６を満たす条件で窒化ガリウム膜の形成を行うようにしている。そのため、基板に供給されるガリウムの量が窒素の供給量に対して過剰である窒素濃度であっても、基板上において窒素と反応して窒化ガリウム膜を形成するガリウム以外のガリウム、つまり基板上にて単体の状態で存在するガリウムの量と、基板の熱によって蒸発するガリウムの量とを略等しくすることができる。 Further, in the above method and configuration, when the nitrogen concentration is in a range in which the growth rate is 60% or more and 70% or less with respect to the maximum value in the growth rate of the gallium nitride film, the frequency of the bias power is 13,56 MHz. The gallium nitride film is formed under the condition that the substrate temperature T and the bias power P satisfy P ≦ 0.0083T-4.7 and P ≧ 0.0088T-6.6. ing. Therefore, even if the amount of gallium supplied to the substrate is excessive with respect to the amount of nitrogen supplied, gallium other than gallium that reacts with nitrogen on the substrate to form a gallium nitride film, that is, on the substrate Thus, the amount of gallium present in a single state can be made substantially equal to the amount of gallium evaporated by the heat of the substrate.
したがって、窒化ガリウム膜の形成された基板上には、二次元的に拡散したガリウムと窒素との反応によって得られる窒化ガリウムのみが残存し、且つ、こうした窒化ガリウム膜は面内において引き続き二次元的に成長することから、基板上に平坦な窒化ガリウム膜を形成することができるようになる。 Therefore, only the gallium nitride obtained by the reaction between the two-dimensionally diffused gallium and nitrogen remains on the substrate on which the gallium nitride film is formed, and the gallium nitride film continues to be two-dimensional in the plane. Therefore, a flat gallium nitride film can be formed on the substrate.
しかも、上記窒素濃度、基板温度、及びターゲットに供給されるバイアス電力の条件によれば、上述のように基板表面に到達するガリウムの流束、基板上において窒素と反応するガリウムの量、及び基板上から蒸発するガリウムの流束を適切に制御できる。そのため、こうした窒化ガリウム膜の形成方法、及び窒化ガリウム膜の形成装置は、スパッタ装置の仕様によらず、汎用的に使用することが可能である。転じて、窒化ガリウム膜の形成時において、上述のような条件を実現できる装置であれば、その他の仕様に関わらず窒化ガリウム膜を形成できることから、形成装置としての汎用性も高められることになる。 Moreover, according to the conditions of the nitrogen concentration, the substrate temperature, and the bias power supplied to the target, as described above, the gallium flux reaching the substrate surface, the amount of gallium reacting with nitrogen on the substrate, and the substrate The flux of gallium evaporating from above can be controlled appropriately. Therefore, the gallium nitride film forming method and the gallium nitride film forming apparatus can be used for general purposes regardless of the specifications of the sputtering apparatus. In other words, any device capable of realizing the above-described conditions when forming a gallium nitride film can form a gallium nitride film regardless of other specifications, so that versatility as a forming device is enhanced. .
以下、本発明の窒化ガリウム膜の形成方法及び窒化ガリウム膜の形成装置の一実施形態について図１〜図６を参照して説明する。まず、窒化ガリウム膜の形成装置の全体的な構成について図１を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a gallium nitride film forming method and a gallium nitride film forming apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. First, the overall configuration of the gallium nitride film forming apparatus will be described with reference to FIG.
図１に示されるように、スパッタ装置１０の備える円筒状の真空槽１１内には、カソードハウジング１２が配置され、また、該カソードハウジング１２の内部には、マグネトロン磁場を生成するためのマグネット１２ａが収容されている。このカソードハウジング１２のうち、マグネット１２ａの上側には、バッキングプレート１３が配置され、また、バッキングプレート１３の上側には、該バッキングプレート１３に接続されるターゲット１４が配置されている。このターゲット１４は、バッキングプレート１３の上側に配置された容器１４ｂと、該容器１４ｂに収容されるガリウム１４ａとから構成されている。この容器１４ｂに収容されるガリウム１４ａは、バッキングプレート１３を介して電力供給部としての高周波電源１５に接続されるとともに、該高周波電源１５の出力する例えば周波数が１３．５６ＭＨｚである高周波電力としてのバイアス電力が供給されるようになっている。また、上述したマグネット１２ａによるマグネトロン磁場が、このガリウム１４ａの表面上に形成されるように、上記ターゲット１４が配置されている。 As shown in FIG. 1, a cathode housing 12 is disposed in a cylindrical vacuum chamber 11 provided in the sputtering apparatus 10, and a magnet 12 a for generating a magnetron magnetic field is formed inside the cathode housing 12. Is housed. In the cathode housing 12, a backing plate 13 is disposed above the magnet 12 a, and a target 14 connected to the backing plate 13 is disposed above the backing plate 13. The target 14 includes a container 14b disposed on the upper side of the backing plate 13 and gallium 14a accommodated in the container 14b. The gallium 14a accommodated in the container 14b is connected to a high-frequency power source 15 as a power supply unit via the backing plate 13, and the high-frequency power output from the high-frequency power source 15 is, for example, 13.56 MHz. Bias power is supplied. The target 14 is arranged so that the magnetron magnetic field generated by the magnet 12a is formed on the surface of the gallium 14a.
上記真空槽１１内におけるターゲット１４の直上には、窒化ガリウム（ＧａＮ）膜の形成対象である単結晶基板である基板Ｓ、例えばサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を保持する基板ステージ１６が設けられている。また、真空槽１１の内表面には、窒化ガリウムの付着を防ぐ防着板１７が、上記ターゲット１４における基板Ｓに対向する面と、上記基板ステージ１６とを露出させるように配置されている。 A substrate stage 16 for holding a substrate S, which is a single crystal substrate on which a gallium nitride (GaN) film is to be formed, for example, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, is provided immediately above the target 14 in the vacuum chamber 11. ing. Further, on the inner surface of the vacuum chamber 11, an adhesion preventing plate 17 for preventing adhesion of gallium nitride is disposed so as to expose the surface of the target 14 facing the substrate S and the substrate stage 16.
真空槽１１の外表面における上記基板ステージ１６と対向する位置には、円筒状のヒータ室１８が設けられ、また、該ヒータ室１８の内部には、加熱部としてのヒータユニット１９が設置されている。ヒータユニット１９は、例えばハロゲンランプヒータであって、その先端が基板ステージ１６の保持する基板Ｓに対向し、６００℃〜１２００℃の範囲で上記基板Ｓを加熱する。 A cylindrical heater chamber 18 is provided at a position facing the substrate stage 16 on the outer surface of the vacuum chamber 11, and a heater unit 19 as a heating unit is installed inside the heater chamber 18. Yes. The heater unit 19 is, for example, a halogen lamp heater, the tip of the heater unit 19 faces the substrate S held by the substrate stage 16, and heats the substrate S in the range of 600 ° C. to 1200 ° C.
真空槽１１には、ターゲット１４のガリウム１４ａをスパッタするアルゴン等の希ガスを供給する希ガス供給部としてのマスフローコントローラＭＦＣ１が接続されている。また、真空槽１１には、スパッタされたガリウムを窒化するための窒素含有ガスとしての窒素ガスを供給する窒素ガス供給部としてのマスフローコントローラＭＦＣ２が接続されている。さらにまた、真空槽１１には、該真空槽１１内を減圧するための真空ポンプや真空槽１１内の圧力を所定の圧力に調整するための圧力調整弁等から構成される排気部２０が接続されている。 Connected to the vacuum chamber 11 is a mass flow controller MFC1 as a rare gas supply unit for supplying a rare gas such as argon for sputtering the gallium 14a of the target 14. The vacuum chamber 11 is connected to a mass flow controller MFC2 as a nitrogen gas supply unit that supplies nitrogen gas as a nitrogen-containing gas for nitriding the sputtered gallium. Further, the vacuum chamber 11 is connected to an exhaust unit 20 including a vacuum pump for reducing the pressure in the vacuum chamber 11 and a pressure adjusting valve for adjusting the pressure in the vacuum chamber 11 to a predetermined pressure. Has been.
スパッタ装置１０には、上記高周波電源１５、ヒータユニット１９、及びマスフローコントローラＭＦＣ１，ＭＦＣ２に接続されるとともに、これらの動作を制御する制御部３０が搭載されている。制御部３０は、上記ターゲット１４に供給すべき単位面積あたりのバイアス電力を形成条件の一つとして記憶するとともに、該バイアス電力に応じた駆動信号を高周波電源１５に出力する。また、制御部３０は、成膜時における基板Ｓの温度を形成条件の一つとして記憶するとともに、基板Ｓの温度を該成膜時における温度に上昇させるための駆動信号をヒータユニット１９に出力する。また、制御部３０は、成膜時におけるアルゴンガスの流量を形成条件の一つとして記憶するとともに、該流量でアルゴンガスを供給するための駆動信号をマスフローコントローラＭＦＣ１に出力する。また、制御部３０は、成膜時における窒素ガスの流量を形成条件の一つとして記憶するとともに、該流量で窒素ガスを供給するための駆動信号をマスフローコントローラＭＦＣ２に出力する。そして、制御部３０は、真空槽１１内に供給されるアルゴンガス及び窒素ガスの総流量に占める窒素ガスの流量を所定の割合とする。 The sputtering apparatus 10 is equipped with a control unit 30 that is connected to the high-frequency power supply 15, the heater unit 19, and the mass flow controllers MFC 1 and MFC 2 and controls these operations. The control unit 30 stores the bias power per unit area to be supplied to the target 14 as one of the forming conditions, and outputs a drive signal corresponding to the bias power to the high frequency power supply 15. In addition, the control unit 30 stores the temperature of the substrate S at the time of film formation as one of the formation conditions, and outputs a drive signal for raising the temperature of the substrate S to the temperature at the time of film formation to the heater unit 19. To do. In addition, the control unit 30 stores the flow rate of argon gas during film formation as one of the formation conditions, and outputs a drive signal for supplying argon gas at the flow rate to the mass flow controller MFC1. Further, the control unit 30 stores the flow rate of the nitrogen gas at the time of film formation as one of the formation conditions, and outputs a drive signal for supplying the nitrogen gas at the flow rate to the mass flow controller MFC2. Then, the control unit 30 sets the flow rate of nitrogen gas in the total flow rate of argon gas and nitrogen gas supplied into the vacuum chamber 11 to a predetermined ratio.
上述した構成からなるスパッタ装置１０の作用のうち、特に上記スパッタ装置１０において実施される窒化ガリウム膜の形成方法について図２〜図６を参照して以下に説明する。 Among the operations of the sputtering apparatus 10 having the above-described configuration, a method for forming a gallium nitride film, particularly performed in the sputtering apparatus 10, will be described below with reference to FIGS.
上記スパッタ装置１０にて窒化ガリウム膜の形成を行う際には、まず、上記排気部２０によって真空槽１１内が所定の圧力にまで減圧される。そして、図示しない搬出入口から真空槽１１内に基板Ｓが搬入されると、該基板Ｓが上記基板ステージ１６によって保持される。次いで、図２に示されるように、上記真空槽１１内に基板Ｓが搬入されると、アルゴンガス雰囲気においてヒータユニット１９による基板Ｓの昇温が行われる（タイミングｔ１〜タイミングｔ２）。そして、基板Ｓの温度が例えば室温から所定の温度にまで昇温されると、アルゴンガスと窒素ガスとがこれらの総流量に占める窒素ガスの流量が所定の割合となるように供給される。次いで、上記高周波電源１５からターゲット１４に対して所定のバイアス電力Ｐでのバイアス電力の供給が開始される（タイミングｔ２）。これにより、タイミングｔ１から継続して供給されているアルゴンガスによってターゲット１４のガリウム１４ａがスパッタされる。このとき、窒素ガスの供給も開始されていることから、スパッタされたガリウム粒子がプラズマで活性化された窒素ガスによって基板Ｓ上で窒化されることで、窒化ガリウム膜が上記基板Ｓ上に形成される（タイミングｔ２〜タイミングｔ３）。 When the gallium nitride film is formed by the sputtering apparatus 10, first, the inside of the vacuum chamber 11 is reduced to a predetermined pressure by the exhaust unit 20. Then, when the substrate S is carried into the vacuum chamber 11 from a carry-in / out port (not shown), the substrate S is held by the substrate stage 16. Next, as shown in FIG. 2, when the substrate S is carried into the vacuum chamber 11, the temperature of the substrate S is increased by the heater unit 19 in an argon gas atmosphere (timing t1 to timing t2). Then, when the temperature of the substrate S is raised from room temperature to a predetermined temperature, for example, argon gas and nitrogen gas are supplied so that the flow rate of nitrogen gas in the total flow rate becomes a predetermined ratio. Next, supply of bias power at a predetermined bias power P from the high-frequency power supply 15 to the target 14 is started (timing t2). Thereby, the gallium 14a of the target 14 is sputtered by the argon gas continuously supplied from the timing t1. At this time, since the supply of nitrogen gas is started, the sputtered gallium particles are nitrided on the substrate S by the nitrogen gas activated by plasma, so that a gallium nitride film is formed on the substrate S. (Timing t2 to timing t3).
なお、このとき、窒素ガスは所定の流量Ｆｎ１にて真空槽１１内に供給されるとともに、アルゴンガスは所定の流量Ｆａ２にて同真空槽１１内に供給される。これにより、真空槽１１内に供給されるガスの総流量Ｆｎ１＋Ｆａ２に対して窒素ガスの流量Ｆｎ１が所定の割合とされる。この際、タイミングｔ１からタイミングｔ２にわたって供給されていたアルゴンの流量Ｆａ１と、タイミングｔ２からの上記総流量Ｆｎ１＋Ｆａ２とを略同一とすることで、真空槽１１内における圧力の変動を抑えられる。これにより、アルゴンガスとは異なる窒素ガスが添加されるとしても、こうしたガス種の変更にかかわらず、以後に行われるスパッタの開始時にてプラズマの状態が安定するようになる。 At this time, nitrogen gas is supplied into the vacuum chamber 11 at a predetermined flow rate Fn1, and argon gas is supplied into the vacuum chamber 11 at a predetermined flow rate Fa2. As a result, the flow rate Fn1 of nitrogen gas is set to a predetermined ratio with respect to the total flow rate Fn1 + Fa2 of gas supplied into the vacuum chamber 11. At this time, by making the argon flow rate Fa1 supplied from timing t1 to timing t2 substantially the same as the total flow rate Fn1 + Fa2 from timing t2, fluctuations in pressure in the vacuum chamber 11 can be suppressed. As a result, even if a nitrogen gas different from the argon gas is added, the plasma state becomes stable at the start of subsequent sputtering regardless of the change in the gas type.
そして、タイミングｔ２から所定の時間が経過すると、上記アルゴンガスの供給及びバイアス電力の供給を停止することで、ターゲット１４のスパッタを終了する（タイミングｔ３）。なお、上記制御部３０は、窒化ガリウムの膜厚に応じた成膜時間を形成条件の一つとして記憶しており、タイミングｔ２からタイミングｔ３の期間が、上記成膜時間に設定される。 Then, when a predetermined time elapses from the timing t2, the supply of the argon gas and the supply of the bias power are stopped, thereby terminating the sputtering of the target 14 (timing t3). The control unit 30 stores a film formation time corresponding to the film thickness of gallium nitride as one of the formation conditions, and a period from timing t2 to timing t3 is set as the film formation time.
また、タイミングｔ３において、上記ヒータユニット１９による基板Ｓの加熱も終了されることで、基板Ｓの温度が例えば室温にまで冷却される（タイミングｔ４）。基板Ｓの
冷却期間であるタイミングｔ３からタイミングｔ４までにわたり、真空槽１１内には、窒素ガスが、上記流量Ｆｎ１よりも大きい流量Ｆｎ２にて供給され続ける。これにより窒化ガリウムの成長温度において蒸気圧の高い窒素が窒化ガリウム膜から脱離することで、表面欠陥が生じることを抑制することができる。
Further, at the timing t3, the heating of the substrate S by the heater unit 19 is also finished, whereby the temperature of the substrate S is cooled to, for example, room temperature (timing t4). Nitrogen gas continues to be supplied into the vacuum chamber 11 at a flow rate Fn2 larger than the flow rate Fn1 from timing t3 to timing t4, which is the cooling period of the substrate S. Thereby, it is possible to suppress generation of surface defects due to desorption of nitrogen having a high vapor pressure from the gallium nitride film at the growth temperature of gallium nitride.
ちなみに、例えば、窒化ガリウム膜の形成時（タイミングｔ２〜タイミングｔ３）において、基板Ｓの温度を８００℃とし、上記総流量Ｆｎ１＋Ｆａ２に対する窒素ガスの流量Ｆｎ１の割合である窒素濃度を１８％とするときには、以下のような条件にて窒化ガリウム膜の形成を行う。 For example, when the gallium nitride film is formed (timing t2 to timing t3), the temperature of the substrate S is set to 800 ° C., and the nitrogen concentration that is the ratio of the flow rate Fn1 of nitrogen gas to the total flow rate Fn1 + Fa2 is set to 18%. The gallium nitride film is formed under the following conditions.
すなわち、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの２０分間で、基板Ｓの温度を室温から８００℃にまで昇温する。このときのアルゴンガスの流量Ｆａ１を５５ｓｃｃｍとする。そして、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの４０分間で、基板Ｓの温度を８００℃に維持しつつ、直径１２０ｍｍのターゲット１４に対して１５０Ｗの高周波電力を供給して、基板Ｓ上に窒化ガリウム膜を形成する。このときのアルゴンガスの流量Ｆａ２を４５ｓｃｃｍとし、窒素ガスの流量Ｆｎ１を１０ｓｃｃｍとすることで、上記窒素濃度を１８％とする。次いで、タイミングｔ３からタイミングｔ４の２０分間で、基板Ｓの温度を８００℃から室温にまで冷却する。このときの窒素ガスの流量Ｆｎ２を１００ｓｃｃｍとする。 That is, the temperature of the substrate S is raised from room temperature to 800 ° C. in 20 minutes from timing t1 to timing t2. At this time, the flow rate Fa1 of the argon gas is set to 55 sccm. Then, for 40 minutes from timing t2 to timing t3, while maintaining the temperature of the substrate S at 800 ° C., 150 W high-frequency power is supplied to the target 14 having a diameter of 120 mm, and the gallium nitride film is formed on the substrate S. Form. At this time, the flow rate Fa2 of argon gas is 45 sccm and the flow rate Fn1 of nitrogen gas is 10 sccm, so that the nitrogen concentration is 18%. Next, the temperature of the substrate S is cooled from 800 ° C. to room temperature in 20 minutes from timing t3 to timing t4. At this time, the flow rate Fn2 of nitrogen gas is set to 100 sccm.
本実施形態の窒化ガリウム膜の形成方法においては、上記タイミングｔ２からタイミングｔ３での窒化ガリウム膜の形成に際し、真空槽１１内に供給されるガスの総流量Ｆｎ１＋Ｆａ２に占める窒素ガスの流量Ｆｎ１の割合である上記窒素濃度と、基板Ｓの温度、及びバイアス電力を所定の範囲に制御するようにしている。これにより、基板Ｓの面内において平坦な窒化ガリウム膜が形成できるようになる。 In the method for forming a gallium nitride film of this embodiment, the ratio of the flow rate Fn1 of nitrogen gas to the total flow rate Fn1 + Fa2 of the gas supplied into the vacuum chamber 11 when forming the gallium nitride film from the timing t2 to the timing t3. The nitrogen concentration, the temperature of the substrate S, and the bias power are controlled within a predetermined range. Thereby, a flat gallium nitride film can be formed in the plane of the substrate S.
以下、上記窒素濃度、基板温度、及びバイアス電力の範囲の詳細について、図３〜図６を参照して説明する。図３は、上述した窒化ガリウム膜の形成装置を用いて形成される窒化ガリウム膜の成長速度における窒素濃度（Ｎ２％）の依存性を示すグラフである。なお、一点鎖線で示される曲線Ｃ１、実線で示される曲線Ｃ２、及び二点鎖線で示される曲線Ｃ３は、各々の形成条件のうち、窒素ガスの流量のみが変更されたときの成長速度を示している。また、曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の各々の条件では、成膜時の基板温度Ｔが互いに等しく、ターゲット１４に供給されるバイアス電力が、曲線Ｃ１、曲線Ｃ２、曲線Ｃ３の順に大きくなるように設定されている。 Details of the nitrogen concentration, substrate temperature, and bias power ranges will be described below with reference to FIGS. FIG. 3 is a graph showing the dependence of the nitrogen concentration (N 2 %) on the growth rate of the gallium nitride film formed using the gallium nitride film forming apparatus described above. In addition, the curve C1 shown with a dashed-dotted line, the curve C2 shown with a continuous line, and the curve C3 shown with a dashed-two dotted line show the growth rate when only the flow volume of nitrogen gas is changed among each formation conditions. ing. Under the conditions of the curves C1, C2, and C3, the substrate temperatures T during film formation are equal to each other, and the bias power supplied to the target 14 is set to increase in the order of the curves C1, C2, and C3. Has been.
図３に示されるように、窒化ガリウム膜の形成速度は、上記窒素濃度（Ｎ２％）によって変化するものである。三つの曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３から明らかなように、成長速度は、基板温度及びバイアス電力の条件に関わらず、上記窒素濃度に対して極大となる値を有する。 As shown in FIG. 3, the formation rate of the gallium nitride film varies depending on the nitrogen concentration (N 2 %). As is apparent from the three curves C1, C2, and C3, the growth rate has a maximum value with respect to the nitrogen concentration regardless of the conditions of the substrate temperature and the bias power.
三つの曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の各々において、極大値を与える窒素濃度よりも低濃度側、すなわち窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃは、窒素濃度が高くなるほど、窒化ガリウム膜の成長速度が高くなる領域である。このような窒素濃度の依存性から、こうした低濃度側の領域の殆どは、基板Ｓの表面に到達するガリウムの量に対して、同基板Ｓの表面に供給される窒素の量が少ない領域であって、窒化されるガリウムの量が窒素の量によって律速されている領域といえる。それゆえに、このような窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃであれば、窒化される前のガリウムを概ね基板Ｓの表面で流動させることが可能となる。 In each of the three curves C1, C2, and C3, the growth rate of the gallium nitride film increases as the nitrogen concentration increases on the lower concentration side than the nitrogen concentration that gives the maximum value, that is, in the nitrogen concentration ranges Na, Nb, and Nc. It is an area. Due to the dependency of the nitrogen concentration, most of the low concentration region is a region where the amount of nitrogen supplied to the surface of the substrate S is smaller than the amount of gallium reaching the surface of the substrate S. Therefore, it can be said that the amount of gallium nitrided is limited by the amount of nitrogen. Therefore, in such a nitrogen concentration range Na, Nb, Nc, gallium before being nitrided can be made to flow almost on the surface of the substrate S.
これに対し、三つの曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の各々において、極大値Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃを与える窒素濃度よりも高濃度側は、窒素濃度が高くなるほど、窒化ガリウム膜の成長速度
が低くなる領域である。このような窒素濃度の依存性から、こうした高濃度側の領域とは、基板Ｓに到達するガリウムの量に対して、同基板Ｓの表面に供給される窒素の量が過剰となる領域であって、窒化されるガリウムの量がガリウムの量によって律速されている領域といえる。それゆえに、このような領域では、スパッタされたガリウムが基板Ｓの表面に到達しても、基板Ｓの表面に存在する窒素が多い分、こうしたガリウムと窒素との反応機会が多くなり、結局のところ、基板Ｓの表面におけるガリウムの拡散が抑制されてしまう。
On the other hand, in each of the three curves C1, C2, and C3, a region where the growth rate of the gallium nitride film decreases as the nitrogen concentration increases on the higher concentration side than the nitrogen concentration that gives the maximum values Ma, Mb, and Mc. It is. Due to the dependency of the nitrogen concentration, the region on the high concentration side is a region where the amount of nitrogen supplied to the surface of the substrate S is excessive with respect to the amount of gallium reaching the substrate S. Thus, it can be said that the amount of gallium nitrided is controlled by the amount of gallium. Therefore, in such a region, even if the sputtered gallium reaches the surface of the substrate S, the amount of nitrogen present on the surface of the substrate S increases, so the chance of reaction between such gallium and nitrogen increases. However, the diffusion of gallium on the surface of the substrate S is suppressed.
つまり、層状構造の窒化ガリウム膜の形成に際しては、曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の各々における上記窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ内とすることが好ましい。しかしながら、これら曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３における窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃが互いに異なる範囲であることからも明らかなように、窒化ガリウム膜の好ましい形成条件は、窒素濃度のみによって規定されるものではない。そのうえ、上記窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃを用いて成膜を行ったとしても、図４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、三種類の構造を有する窒化ガリウム膜が基板Ｓ上に形成されることが本発明者らの実験によって認められた。 That is, when forming the layered gallium nitride film, it is preferable that the nitrogen concentration ranges Na, Nb, and Nc in the curves C1, C2, and C3, respectively. However, as is apparent from the fact that the nitrogen concentration ranges Na, Nb, and Nc in these curves C1, C2, and C3 are different from each other, the preferable conditions for forming the gallium nitride film are not limited only by the nitrogen concentration. Absent. In addition, even when film formation is performed using the nitrogen concentration ranges Na, Nb, and Nc, the gallium nitride films having three types of structures are formed on the substrate S as shown in FIGS. It was confirmed by the inventors' experiment.
詳述すると、上記窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃのうち、基板Ｓの表面に到達するガリウムの流束が、同基板Ｓの表面に到達するプラズマによって活性化された窒素の流束に対して過剰になる程度が大きい範囲、つまり成長速度が小さい側の範囲では、図４（ａ）に示されるように、ガリウムの単体が、基板Ｓの表面に半球状をなして析出してしまうことが認められた。 More specifically, the gallium flux reaching the surface of the substrate S out of the nitrogen concentration ranges Na, Nb, and Nc is compared with the nitrogen flux activated by the plasma reaching the surface of the substrate S. In a range where the degree of excess is large, that is, a range where the growth rate is small, gallium simple substance may be deposited in a hemispherical shape on the surface of the substrate S as shown in FIG. Admitted.
他方、上記窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃのうち、基板Ｓの表面に到達するガリウムの流束が、同基板Ｓの表面に到達するプラズマによって活性化された窒素の流束に対して過剰になる程度が小さい範囲、つまり成長速度の極大近傍の範囲では、図４（ｃ）に示されるように、ガリウムの拡散が抑制されて窒化ガリウムが３次元的に成長することで、表面に凹凸が形成されることが認められた。 On the other hand, out of the nitrogen concentration ranges Na, Nb, and Nc, the gallium flux reaching the surface of the substrate S is excessive with respect to the nitrogen flux activated by the plasma reaching the surface of the substrate S. In a small range, that is, in the range near the maximum of the growth rate, as shown in FIG. 4C, gallium nitride is three-dimensionally grown by suppressing the diffusion of gallium, so that the surface has irregularities. It was observed that it was formed.
これは、図４（ｂ）に示されるような層状構造の窒化ガリウム膜を形成するためには、基板Ｓの表面に到達するガリウムの流束と基板表面から蒸発するガリウムの流束とを制御するパラメータの範囲を上記窒素濃度に加えて新たに規定する必要があることを示すものである。 In order to form a layered gallium nitride film as shown in FIG. 4B, the gallium flux reaching the surface of the substrate S and the gallium flux evaporating from the substrate surface are controlled. This indicates that it is necessary to newly define the range of parameters to be added in addition to the nitrogen concentration.
ちなみに、上記成長速度の極大値Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃよりも高濃度側においても、図４（ｃ）に示されるように、窒化ガリウムが３次元的に成長することで、表面に凹凸が形成されることが認められた。 Incidentally, even on the higher concentration side than the maximum values Ma, Mb, Mc of the growth rate, as shown in FIG. 4C, gallium nitride grows three-dimensionally, thereby forming irregularities on the surface. It was recognized that
ここで、上記ターゲット１４に供給するバイアス電力が大きい程、ターゲット１４がスパッタされやすくなる。そのため、基板Ｓの表面に到達するガリウムの量は、ターゲット１４に供給する高周波電力の大きさに正の相関を有し、それゆえに、このバイアス電力を制御することによって、基板Ｓの表面に到達するガリウムの流束を独立して制御することが可能となる。 Here, the larger the bias power supplied to the target 14, the easier the target 14 is sputtered. Therefore, the amount of gallium that reaches the surface of the substrate S has a positive correlation with the magnitude of the high-frequency power supplied to the target 14, and therefore reaches the surface of the substrate S by controlling this bias power. It is possible to independently control the gallium flux.
また一方、ガリウムは、一旦基板Ｓの表面に到達したとしても、単体の状態にあるときに基板Ｓから熱を受けて蒸発する場合もある。このようにして基板Ｓの表面から蒸発するガリウムの量は、基板Ｓの温度に正の相関を有し、それゆえに、この基板Ｓの温度を制御することによって、基板Ｓの表面から蒸発するガリウムの流束を独立して制御することが可能となる。 On the other hand, even if gallium once reaches the surface of the substrate S, it may evaporate by receiving heat from the substrate S when in a single state. The amount of gallium evaporated from the surface of the substrate S in this way has a positive correlation with the temperature of the substrate S. Therefore, by controlling the temperature of the substrate S, the gallium evaporated from the surface of the substrate S. It is possible to independently control the flux of the.
そして、上記窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃであれば、少なからずガリウムの有する流
動性によって、ガリウムそのものが二次元的に拡散し、図４（ａ）あるいは図４（ｂ）に示されるように、窒化ガリウム膜の柱状成長が基板表面上にて抑えられる。これに加え、基板Ｓの表面に到達したガリウムのうち、窒素と反応して窒化ガリウムとなる分を除くガリウムの量と、基板Ｓの表面から蒸発する量とが等しくなるような条件であれば、上述のようにして拡散したガリウムの余剰分が、基板Ｓの表面上から蒸発することになる。それゆえに、下記（条件１）及び（条件２）を満たす形成条件であれば、図４（ａ）に示されるようなガリウムの析出が抑えられ、先の図４（ｂ）に示すような層状構造の窒化ガリウム膜を形成することができる。
（条件１）バイアス電力が、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板Ｓの表面に到達させる範囲である。
（条件２）基板Ｓの温度が、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを基板Ｓの表面から蒸発させる範囲である。
In the nitrogen concentration range Na, Nb, Nc, the gallium itself diffuses two-dimensionally due to the fluidity of the gallium, and as shown in FIG. 4A or 4B. The columnar growth of the gallium nitride film is suppressed on the substrate surface. In addition to this, the amount of gallium except the amount of gallium that has reacted with nitrogen to become gallium nitride out of the gallium that has reached the surface of the substrate S is equal to the amount evaporated from the surface of the substrate S. The surplus gallium diffused as described above evaporates from the surface of the substrate S. Therefore, if the formation conditions satisfy the following (Condition 1) and (Condition 2), the precipitation of gallium as shown in FIG. 4A is suppressed, and the layered state as shown in FIG. A gallium nitride film having a structure can be formed.
(Condition 1) The bias power is a range in which gallium other than gallium to be nitrided reaches the surface of the substrate S.
(Condition 2) The temperature of the substrate S is a range in which all of the gallium other than the gallium to be nitrided is evaporated from the surface of the substrate S.
以下に、上記（条件１）及び（条件２）が満たされる形成条件の一例を図５及び図６を参照して以下に説明する。図５及び図６は、上述した窒化ガリウム膜の形成装置を用いて、上記窒素濃度を窒化ガリウム膜の成長速度を窒素供給が律速する範囲とし、且つ成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲としたときの窒化ガリウム膜の構造を示すグラフ及びＳＥＭ写真である。 Hereinafter, an example of formation conditions that satisfy the above (Condition 1) and (Condition 2) will be described with reference to FIGS. 5 and 6 show that the nitrogen concentration is within the range in which the growth rate of the gallium nitride film is controlled by the nitrogen supply, and the growth rate of the gallium nitride film is 60% or more with respect to the maximum value in the growth rate. It is the graph and SEM photograph which show the structure of a gallium nitride film when it is set as the range used as the growth rate of 70% or less.
（領域１：析出領域：条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）
図５に示されるように、基板Ｓの温度が相対的に低く、且つターゲット１４に供給されるバイアス電力も相対的に小さい下記条件Ａ，Ｂでは、図６（ａ）に示されるように、基板Ｓの表面に半球状をなすようなガリウムの析出が認められた。
・条件Ａ：基板温度Ｔが６００℃、バイアス電力Ｐが１．３９Ｗ／ｃｍ２
・条件Ｂ：基板温度Ｔが７００℃、バイアス電力Ｐが１．３９Ｗ／ｃｍ２
また、条件Ａ及び条件Ｂよりも基板温度が高く、且つターゲットに供給されるバイアス電力がより大きい下記条件Ｃ，Ｄでも、条件Ａ，Ｂよりも少ないとはいえ、図６（ｂ）に示されるように、基板Ｓ表面にて半球状をなすガリウムの析出が認められた。
・条件Ｃ：基板温度Ｔが８００℃、バイアス電力Ｐが４．１７Ｗ／ｃｍ２
・条件Ｄ：基板温度Ｔが１０００℃、バイアス電力Ｐが４．１７Ｗ／ｃｍ２
こうした結果から、上記条件Ａ〜条件Ｄを含む領域１とは、基板Ｓに到達したガリウムのうちで窒化された分を除くガリウムの量が、基板Ｓ上での加熱によって蒸発するガリウムの量よりも過剰となる領域であると言える。
(Region 1: Precipitation region: Conditions A, B, C, D)
As shown in FIG. 5, under the following conditions A and B where the temperature of the substrate S is relatively low and the bias power supplied to the target 14 is relatively small, as shown in FIG. Precipitation of gallium having a hemispherical shape was observed on the surface of the substrate S.
Condition A: substrate temperature T is 600 ° C. and bias power P is 1.39 W / cm 2
Condition B: substrate temperature T is 700 ° C. and bias power P is 1.39 W / cm 2
Further, even in the following conditions C and D where the substrate temperature is higher than the conditions A and B and the bias power supplied to the target is larger, the conditions shown in FIG. 6B are less than the conditions A and B. As can be seen, precipitation of hemispherical gallium was observed on the surface of the substrate S.
Condition C: substrate temperature T is 800 ° C. and bias power P is 4.17 W / cm 2
Condition D: substrate temperature T is 1000 ° C. and bias power P is 4.17 W / cm 2
From these results, the region 1 including the above conditions A to D is that the amount of gallium excluding the nitrided portion of the gallium that has reached the substrate S is more than the amount of gallium evaporated by heating on the substrate S. It can be said that this is an excessive region.
（領域２：層状構造領域：条件Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ）
一方、条件Ｃと同一の基板温度であっても、ターゲット１４に供給されるバイアス電力がより小さい下記条件Ｅ，Ｆ，Ｇでは、図６（ｃ）に示されるように、基板Ｓの表面に平坦な窒化ガリウム膜が形成された。
・条件Ｅ：基板温度Ｔが８００℃、バイアス電力Ｐが０．４４Ｗ／ｃｍ２
・条件Ｆ：基板温度Ｔが８００℃、バイアス電力Ｐが１．３９Ｗ／ｃｍ２
・条件Ｇ：基板温度Ｔが８００℃、バイアス電力Ｐが２．０２Ｗ／ｃｍ２
また、これら条件Ｅ，Ｆ，Ｇよりも高い基板温度である下記条件Ｈでも、条件Ｅ，Ｆ，Ｇにより形成された窒化ガリウム膜よりは平坦性に劣るものの、図６（ｄ）に示されるように、平坦な窒化ガリウム膜の形成が認められた。
・条件Ｈ：基板温度Ｔが９００℃、バイアス電力Ｐが１．３２Ｗ／ｃｍ２
さらにまた、条件Ｅ，Ｆ，Ｇよりも高い基板温度であって、且つ高いバイアス電力である下記条件でも、条件Ｅ，Ｆ，Ｇにより形成された窒化ガリウム膜よりは平坦性に劣るものの、平坦な窒化ガリウム膜の形成が認められた。
・条件Ｉ：基板温度Ｔが１０００℃、バイアス電力Ｐが２．２０Ｗ／ｃｍ２
・条件Ｊ：基板温度Ｔが１０００℃、バイアス電力Ｐが２．７８Ｗ／ｃｍ２
・条件Ｋ：基板温度Ｔが１０００℃、バイアス電力Ｐが３．７０Ｗ／ｃｍ２
こうした結果から、上記条件Ｅ〜条件Ｋを含む領域２とは、基板Ｓに到達したガリウムのうちで窒素と反応せずに基板Ｓ上に単体として存在するガリウムの量と、基板Ｓ上での加熱によって蒸発するガリウムの量とが略等しくなる領域であると言える。
(Region 2: Layered structure region: Conditions E, F, G, H, I, J, K)
On the other hand, even when the substrate temperature is the same as that in the condition C, the following conditions E, F, and G in which the bias power supplied to the target 14 is smaller, as shown in FIG. A flat gallium nitride film was formed.
Condition E: substrate temperature T is 800 ° C. and bias power P is 0.44 W / cm 2
Condition F: substrate temperature T is 800 ° C. and bias power P is 1.39 W / cm 2
Condition G: substrate temperature T is 800 ° C. and bias power P is 2.02 W / cm 2
Also, the following condition H, which is a substrate temperature higher than these conditions E, F, and G, is inferior in flatness to the gallium nitride film formed under the conditions E, F, and G, but is shown in FIG. Thus, formation of a flat gallium nitride film was recognized.
Condition H: substrate temperature T is 900 ° C. and bias power P is 1.32 W / cm 2
Furthermore, even under the following conditions where the substrate temperature is higher than the conditions E, F, and G and the bias power is high, the gallium nitride film formed under the conditions E, F, and G is inferior in flatness, but is flat. Gallium nitride film formation was observed.
Condition I: substrate temperature T is 1000 ° C. and bias power P is 2.20 W / cm 2
Condition J: substrate temperature T is 1000 ° C. and bias power P is 2.78 W / cm 2
Condition K: substrate temperature T is 1000 ° C. and bias power P is 3.70 W / cm 2
From these results, the region 2 including the above conditions E to K is the amount of gallium that does not react with nitrogen among the gallium that has reached the substrate S and exists as a simple substance on the substrate S, and the region 2 on the substrate S. It can be said that this is a region where the amount of gallium evaporated by heating is substantially equal.
（領域３：柱状構造領域：条件Ｌ，Ｍ）
他方、上記条件Ｅ，Ｆ，Ｇと同一の基板温度であっても、よりターゲット１４に供給されるバイアス電力が小さい下記条件Ｌでは、図６（ｅ）に示されるように、柱状構造の窒化ガリウムが成長していた。
・条件Ｌ：基板温度Ｔが８００℃、バイアス電力Ｐが０．２３Ｗ／ｃｍ２
また、条件Ｈよりも基板温度が高い下記条件Ｍでは、図６（ｆ）に示されるように、基板Ｓ上に凹凸に形成された柱状構造の窒化ガリウムが認められた。
・条件Ｍ：基板温度Ｔが１０００℃、バイアス電力Ｐが１．３９Ｗ／ｃｍ２
こうした結果から、上記条件Ｌ，Ｍを含む領域３とは、基板Ｓに対して到達するガリウムの量から窒素と反応した分を除いた量よりも、基板Ｓでの加熱によって蒸発するガリウムの量が多い領域であるといえる。加えて、基板Ｓの表面に供給された窒素と反応する以前に蒸発するガリウムの量が、上記領域３よりも多くなる程度に基板温度の高い領域であると言える。
(Region 3: Columnar structure region: Conditions L and M)
On the other hand, even if the substrate temperature is the same as the above conditions E, F, and G, under the following condition L where the bias power supplied to the target 14 is smaller, as shown in FIG. Gallium was growing.
Condition L: substrate temperature T is 800 ° C. and bias power P is 0.23 W / cm 2
Further, under the following condition M where the substrate temperature is higher than the condition H, columnar gallium nitride formed in irregularities on the substrate S was observed as shown in FIG.
Condition M: substrate temperature T is 1000 ° C. and bias power P is 1.39 W / cm 2
From these results, the region 3 including the above conditions L and M is the amount of gallium evaporated by heating on the substrate S rather than the amount of gallium reaching the substrate S minus the amount reacted with nitrogen. It can be said that this is an area where there are many. In addition, it can be said that this is a region where the substrate temperature is high enough that the amount of gallium evaporated before reacting with the nitrogen supplied to the surface of the substrate S is larger than the region 3.
ちなみに、図５示されるように、先のいずれの条件よりも基板温度の高い下記条件Ｎでは、基板Ｓ上での窒化ガリウムの成長が認められなかった。つまり、該条件Ｎを含む領域４とは、基板Ｓに到達したガリウムが窒化されることなく基板Ｓから蒸発してしまう領域であると言える。
・条件Ｎ：基板温度Ｔが１２００℃、バイアス電力が１．３９Ｗ／ｃｍ２
したがって、基板温度が６００℃以上１２００℃以下の範囲であって、且つ、ターゲット１４に供給されるバイアス電力が０Ｗ／ｃｍ２より大きく４．６３Ｗ／ｃｍ２以下であるときには、上記二つの直線で挟まれる上記領域２に含まれるように、基板温度Ｔとバイアス電力Ｐとが設定される。
・条件Ｇ，Ｋを通る第一直線：Ｐ＝０．００８４Ｔ−４．７
・条件Ｅ，Ｈ，Ｉを通る第二直線：Ｐ＝０．００８８Ｔ−６．６
なお、バイアス電力Ｐと基板Ｓの表面に到達するガリウムの量との関係は、線形近似されるものであるとともに、基板温度Ｔが６００℃以上１２００℃以下の範囲であれば、該基板温度Ｔと基板の表面から蒸発するガリウムの量との関係は、概ね線形近似されるものである。そのため、基板Ｓの表面にて余剰となるガリウムの量と基板の表面から蒸発するガリウムの量とが等しくなるようなバイアス電力Ｐと基板温度Ｔとの関係も線形近似されるものである。ちなみに、上記領域２に含まれる基板温度及びターゲット１４へのバイアス電力の条件によって形成された窒化ガリウム膜をＨＣｌ水溶液によってエッチングしたところ、該水溶性による窒化ガリウム膜のエッチングが認められなかった。そのため、同条件によって形成された窒化ガリウム膜は、窒素極性ではなく、ガリウム極性を有していると言える。
Incidentally, as shown in FIG. 5, no growth of gallium nitride on the substrate S was observed under the following condition N where the substrate temperature was higher than any of the previous conditions. That is, it can be said that the region 4 including the condition N is a region where the gallium that reaches the substrate S evaporates from the substrate S without being nitrided.
Condition N: substrate temperature T is 1200 ° C. and bias power is 1.39 W / cm 2
Accordingly, the substrate temperature is in the range of 600 ° C. or higher 1200 ° C. or less, and, when the bias power supplied to the target 14 is large 4.63W / cm 2 or less than 0 W / cm 2 is in the above two straight lines The substrate temperature T and the bias power P are set so as to be included in the sandwiched region 2.
-First straight line passing through conditions G and K: P = 0.0084T-4.7
-Second straight line passing through conditions E, H, I: P = 0.0088T-6.6
Note that the relationship between the bias power P and the amount of gallium reaching the surface of the substrate S is linearly approximated, and if the substrate temperature T is in the range of 600 ° C. to 1200 ° C., the substrate temperature T And the amount of gallium evaporated from the surface of the substrate is approximately linearly approximated. Therefore, the relationship between the bias power P and the substrate temperature T so that the amount of gallium surplus on the surface of the substrate S is equal to the amount of gallium evaporated from the surface of the substrate is also linearly approximated. Incidentally, when the gallium nitride film formed according to the conditions of the substrate temperature included in the region 2 and the bias power applied to the target 14 was etched with an aqueous HCl solution, no etching of the gallium nitride film due to the water solubility was observed. Therefore, it can be said that the gallium nitride film formed under the same conditions has not gallium polarity but gallium polarity.
また、上記スパッタ装置１０を用いたスパッタ法によって窒化ガリウム膜を形成することにより、従来のＭＯＣＶＤ法等による窒化ガリウム膜の形成方法のように、窒化ガリウム膜の形成を可能とするバッファ層を基板Ｓ上に形成することなく、基板Ｓ上に直接窒化ガリウム膜を形成することができる。つまり、バッファ層の形成が割愛できる分だけ、窒化ガリウム膜をより少ない工程で形成することができるようになる。これは、窒化ガリウム膜の形成初期に、基板Ｓの表面に到達したガリウムと、基板Ｓを構成する原子とが、これらの境界において互いに拡散した相互拡散層が形成されることで、窒化ガリウム膜に対する基板Ｓの濡れ性が改善されたためと考えられる。 Further, by forming a gallium nitride film by a sputtering method using the sputtering apparatus 10, a buffer layer capable of forming a gallium nitride film is formed as in the conventional method for forming a gallium nitride film by a MOCVD method or the like. A gallium nitride film can be formed directly on the substrate S without being formed on S. In other words, the gallium nitride film can be formed with fewer steps as much as the formation of the buffer layer can be omitted. This is because the gallium nitride film is formed by forming an interdiffusion layer in which the gallium reaching the surface of the substrate S and the atoms constituting the substrate S are diffused at the boundary at the initial stage of the formation of the gallium nitride film. This is considered to be because the wettability of the substrate S with respect to is improved.
以上説明した実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）バイアス電力が、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板Ｓの表面に到達させるものであり、基板温度が、上記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを基板の表面から蒸発させるものである。窒化ガリウム膜を形成するパラメータのうち、バイアス電力とは、基板Ｓの表面に到達するガリウムの流量を独立して制御することの可能なパラメータであり、また、基板温度とは、基板Ｓの表面から蒸発するガリウムの流束をこれもまた独立して制御することの可能なパラメータである。
According to the embodiment described above, the effects listed below can be obtained.
(1) The bias power causes gallium other than gallium to be nitrided to reach the surface of the substrate S, and the substrate temperature evaporates all gallium other than the gallium to be nitrided from the surface of the substrate. . Of the parameters for forming the gallium nitride film, the bias power is a parameter capable of independently controlling the flow rate of gallium reaching the surface of the substrate S, and the substrate temperature is the surface of the substrate S. This is also a parameter that can be controlled independently of the flux of gallium evaporating from
それゆえに、基板Ｓの表面におけるガリウムの流束を直接的に制御することの可能なバイアス電力と基板Ｓの温度とによってプロセスが構築されるため、上記層状構造の窒化ガリウム膜を汎用性の高められたプロセスで選択的に形成することが可能となる。 Therefore, since the process is constructed by the bias power capable of directly controlling the gallium flux on the surface of the substrate S and the temperature of the substrate S, the layered gallium nitride film is improved in versatility. It is possible to selectively form by a given process.
（２）窒化ガリウム膜の形成時に、窒素濃度を該窒素濃度によって窒化ガリウム膜の成膜速度が律速される割合で、且つ、窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲とした。そのため、基板Ｓ上においては、ガリウムの表面拡散が窒素によって抑制されにくくなることから、窒化ガリウム膜が基板面内において二次元的に成長しやすくなる。 (2) At the time of forming the gallium nitride film, the nitrogen concentration is such that the film formation rate of the gallium nitride film is determined by the nitrogen concentration, and 60% or more and 70% with respect to the maximum value in the growth rate of the gallium nitride film. It was set as the range used as the following growth rates. Therefore, since the surface diffusion of gallium is hardly suppressed by nitrogen on the substrate S, the gallium nitride film is likely to grow two-dimensionally in the substrate surface.
（３）また、上記窒素濃度の条件に加えて、基板Ｓの温度を６００℃以上１２００℃以下とするとともに、ターゲット１４の単位面積あたりに供給されるバイアス電力Ｐを０Ｗより大きく４．６３Ｗ以下とした。そして、こうした範囲においてＰ≦０．００８３Ｔ−４．７、Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６を満たす条件で窒化ガリウム膜の形成を行うようにした。 (3) In addition to the nitrogen concentration condition, the temperature of the substrate S is set to 600 ° C. or more and 1200 ° C. or less, and the bias power P supplied per unit area of the target 14 is larger than 0 W and 4.63 W or less. It was. In such a range, the gallium nitride film is formed under the conditions satisfying P ≦ 0.0083T-4.7 and P ≧ 0.0088T-6.6.
そのため、基板Ｓに供給されるガリウムの量が窒素の供給量に対して過剰である窒素濃度であっても、基板Ｓ上において窒素と反応して窒化ガリウム膜を形成するガリウム以外のガリウム、つまり基板Ｓ上にて単体の状態で存在するガリウムの量と、基板の熱によって蒸発するガリウムの量とを略等しくすることができる。これにより、窒化ガリウム膜の形成された基板Ｓ上には、窒素と反応したガリウムのみが残存し、且つ、こうした窒化ガリウム膜は面内において二次元的に成長することから、基板Ｓ上に平坦な窒化ガリウム膜を形成することができるようになる。 Therefore, even if the amount of gallium supplied to the substrate S is excessive with respect to the amount of nitrogen supplied, gallium other than gallium that reacts with nitrogen on the substrate S to form a gallium nitride film, that is, The amount of gallium present in a single state on the substrate S can be made substantially equal to the amount of gallium evaporated by the heat of the substrate. As a result, only the gallium that has reacted with nitrogen remains on the substrate S on which the gallium nitride film is formed, and such a gallium nitride film grows two-dimensionally in the plane, so that it is flat on the substrate S. A gallium nitride film can be formed.
なお、上述した第一直線及び第二直線に基づいて規定される範囲は、窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度を示す窒素濃度領域においてのみ成り立つものである。しかしながら、他の窒素濃度範囲、すなわち、窒化ガリウム膜の成長速度が、その極大値に対して３０％以上９０％以下となる窒素濃度の範囲であれば、上記バイアス電力と基板温度との調整により層状構造を選択的に形成可能である。 The range defined based on the first straight line and the second straight line described above is established only in the nitrogen concentration region where the growth rate is 60% or more and 70% or less with respect to the maximum value of the growth rate of the gallium nitride film. is there. However, in another nitrogen concentration range, that is, a nitrogen concentration range in which the growth rate of the gallium nitride film is 30% or more and 90% or less with respect to the maximum value, the adjustment of the bias power and the substrate temperature is performed. A layered structure can be selectively formed.
（４）スパッタ法によって窒化ガリウム膜を形成するようにした。これにより、従来のＭＯＣＶＤ法等による窒化ガリウム膜の形成方法のように、窒化ガリウム膜の形成を可能とするバッファ層を基板Ｓ上に形成することなく、基板Ｓ上に直接窒化ガリウム膜を形成することができる。つまり、バッファ層の形成が割愛できる分だけ、窒化ガリウム膜をより少ない工程で形成することができるようになる。 (4) A gallium nitride film is formed by sputtering. As a result, a gallium nitride film is formed directly on the substrate S without forming a buffer layer on the substrate S that enables the formation of the gallium nitride film as in the conventional method of forming a gallium nitride film by MOCVD or the like. can do. In other words, the gallium nitride film can be formed with fewer steps as much as the formation of the buffer layer can be omitted.
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・ターゲット１４をスパッタする希ガスとしてアルゴンガスを用いるようにしたが、アルゴン以外の希ガス、例えばヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス、キセノンガス等を用いるようにしてもよい。
In addition, the said embodiment can also be suitably changed and implemented as follows.
Although argon gas is used as a rare gas for sputtering the target 14, a rare gas other than argon, for example, helium gas, neon gas, krypton gas, xenon gas, or the like may be used.
・窒化されるガリウム以外のガリウムが基板Ｓの表面に到達しているか否かは、基板Ｓの表面に向けて進行する流束を計測するとともに、計測された流束の積算値と成膜された窒化ガリウム膜中のガリウムの量とを比較することによって確認することもできる。それゆえに、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板の表面に到達させるバイアス電力は、上述した第一直線及び第二直線に基づいて規定される範囲の他、基板に到達するガリウムの流速と窒化ガリウム膜中に含まれるガリウムの量との計測値に基づく範囲に設定することもできる。要は、成膜時のバイアス電力は、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板の表面に到達させる範囲であれば、その範囲を規定する方法について特に限定されるものではない。 Whether gallium other than the gallium to be nitrided has reached the surface of the substrate S is determined by measuring the flux traveling toward the surface of the substrate S and forming a film with the integrated value of the measured flux. It can also be confirmed by comparing the amount of gallium in the gallium nitride film. Therefore, the bias power for reaching gallium other than gallium nitride to reach the surface of the substrate is not limited to the range defined based on the first straight line and the second straight line, but the flow rate of gallium reaching the substrate and the gallium nitride film. It can also be set to a range based on the measured value with the amount of gallium contained therein. In short, the bias power at the time of film formation is not particularly limited as long as the gallium other than gallium to be nitrided is within a range that reaches the surface of the substrate.
・窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが基板の表面から蒸発しているか否かは、上記窒化されるガリウム以外のガリウムの量とガリウムの蒸発速度とに基づいて確認することもできる。それゆえに、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが基板の表面から蒸発するような基板温度は、上述した第一直線及び第二直線に基づいて規定される範囲の他、上記窒化されるガリウム以外のガリウムの量とガリウムの蒸発速度に基づく範囲に設定することもできる。要は、成膜時の基板温度は、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが基板の表面から蒸発する範囲であれば、その範囲を規定する方法について特に限定されるものではない。 Whether or not all of the gallium other than the gallium nitride is evaporated from the surface of the substrate can be confirmed based on the amount of gallium other than the gallium nitride and the evaporation rate of gallium. Therefore, the substrate temperature at which all of the gallium other than gallium nitride is evaporated from the surface of the substrate is not limited to the range defined based on the first straight line and the second straight line described above, It can also be set to a range based on the amount of gallium and the evaporation rate of gallium. In short, the substrate temperature at the time of film formation is not particularly limited with respect to the method for defining the range as long as all the gallium other than the gallium to be nitrided is evaporated from the surface of the substrate.
・窒素含有ガスは、希ガスと窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、窒化ガリウム膜の成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように真空槽内に供給されるものであればよく、こうした窒素濃度であれば該窒素濃度は上記範囲に限定されるものではない。 The nitrogen-containing gas is in a nitrogen concentration range in which the growth rate of the gallium nitride film is controlled by the nitrogen supply, out of the nitrogen concentration that is the ratio of the nitrogen-containing gas to the total flow rate of the rare gas and the nitrogen-containing gas. As long as it is supplied to the inside of the vacuum chamber, the nitrogen concentration is not limited to the above range as long as it is such a nitrogen concentration.
・上記単結晶基板Ｓは、サファイア基板の他に、炭化シリコンＳｉＣ基板、シリコンＳｉ基板等であってもよい。
・上記単結晶基板Ｓ上に、バッファ層が形成されていてもよい。
The single crystal substrate S may be a silicon carbide SiC substrate, a silicon Si substrate, or the like in addition to the sapphire substrate.
A buffer layer may be formed on the single crystal substrate S.
・窒素ガス以外の窒素含有ガス、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガス、一酸化窒素（ＮＯ）ガス、及び二酸化窒素（ＮＯ２）ガス等を用いるようにしてもよい。
・ターゲット１４に電力を供給する電源として高周波電源１５を用いるようにした。これに限らず、直流電源から直流電力を供給するようにしてもよい。また、ターゲット１４への直流電力の供給は、窒化ガリウム膜の形成期間である上記タイミングｔ２からタイミングｔ３の間に、間欠的に行うようにしてもよい。また、ターゲット１４に対して直流電力と高周波電力とを同時に供給するようにしてもよい。
A nitrogen-containing gas other than nitrogen gas, for example, ammonia (NH 3 ) gas, nitrogen monoxide (NO) gas, nitrogen dioxide (NO 2 ) gas, or the like may be used.
A high frequency power supply 15 is used as a power supply for supplying power to the target 14. Not limited to this, DC power may be supplied from a DC power supply. Further, the supply of DC power to the target 14 may be intermittently performed between the timing t2 and the timing t3, which is the formation period of the gallium nitride film. Moreover, you may make it supply DC power and high frequency power with respect to the target 14 simultaneously.
１０…スパッタ装置、１１…真空槽、１２…カソードハウジング、１２ａ…マグネット、１３…バッキングプレート、１４…ターゲット、１４ａ…ガリウム、１４ｂ…容器、１５…高周波電源、１６…基板ステージ、１７…防着板、１８…ヒータ室、１９…ヒータユニット、２０…排気部、３０…制御部、ＭＦＣ１，ＭＦＣ２…マスフローコントローラ、Ｓ…基板。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sputtering device, 11 ... Vacuum chamber, 12 ... Cathode housing, 12a ... Magnet, 13 ... Backing plate, 14 ... Target, 14a ... Gallium, 14b ... Container, 15 ... High frequency power supply, 16 ... Substrate stage, 17 ... Adhesion Plate 18, heater chamber 19, heater unit 20, exhaust unit, 30 control unit, MFC 1, MFC 2 mass flow controller, S substrate.
Claims (6)
前記真空槽内に供給されて、プラズマにより活性化された窒素含有ガスと、前記スパッタされたガリウムとを、前記真空槽内で加熱される単結晶基板上にて反応させることで窒化ガリウム膜を形成する工程と
を有する窒化ガリウム膜の形成方法であって、
前記窒素含有ガスが、前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、前記窒化ガリウム膜の成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記真空槽内に供給されるものであり、
前記バイアス電力が、前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるものであり、
前記単結晶基板の温度が、前記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを前記単結晶基板の表面から蒸発させるものである
ことを特徴とする窒化ガリウム膜の形成方法。 Supplying a bias power to a gallium target disposed in a vacuum chamber, and sputtering the gallium target with a rare gas supplied in the vacuum chamber;
A gallium nitride film is formed by reacting a nitrogen-containing gas activated by plasma and the sputtered gallium on a single crystal substrate heated in the vacuum chamber. A method of forming a gallium nitride film comprising:
Of the nitrogen concentration, which is the ratio of the nitrogen-containing gas to the total flow rate of the rare gas and the nitrogen-containing gas, the nitrogen-containing gas has a nitrogen concentration at which the growth rate of the gallium nitride film is controlled by nitrogen supply. Is supplied into the vacuum chamber to be in a range,
The bias power causes gallium to reach the surface of the single crystal substrate in addition to the gallium to be nitrided,
The method for forming a gallium nitride film, characterized in that the temperature of the single crystal substrate evaporates all gallium other than the gallium to be nitrided from the surface of the single crystal substrate.
前記窒化ガリウム膜を形成するときの前記窒素濃度を該窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して３０％以上９０％以下の成長速度となる範囲とし、
且つ、前記窒化ガリウム膜を形成するときの前記単結晶基板の温度を基板温度Ｔ（℃）、
前記ガリウムターゲットに供給される電力をバイアス電力Ｐ（Ｗ／ｃｍ２）とするとき、
６００≦Ｔ≦１２００
０＜Ｐ≦４．６３
を満たす
請求項１に記載の窒化ガリウム膜の形成方法。 The nitrogen-containing gas is nitrogen gas, the noble gas is argon gas,
The nitrogen concentration when forming the gallium nitride film is in a range where the growth rate is 30% or more and 90% or less with respect to the maximum value in the growth rate of the gallium nitride film,
And, the temperature of the single crystal substrate when forming the gallium nitride film is a substrate temperature T (° C.),
When the power supplied to the gallium target is a bias power P (W / cm 2 ),
600 ≦ T ≦ 1200
0 <P ≦ 4.63
The method for forming a gallium nitride film according to claim 1.
前記バイアス電力が、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力であり、
前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、
Ｐ≦０．００８３Ｔ−４．７
Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６
を満たす
請求項２に記載の窒化ガリウム膜の形成方法。 The nitrogen concentration is in a range where the growth rate is 60% or more and 70% or less with respect to the maximum value in the growth rate of the gallium nitride film,
The bias power is high frequency power having a frequency of 13.56 MHz;
The substrate temperature T and the bias power P are
P ≦ 0.0083T-4.7
P ≧ 0.0088T-6.6
The method for forming a gallium nitride film according to claim 2.
前記真空槽内に希ガスと窒素含有ガスとを供給するガス供給部と、
前記真空槽内に配置されたガリウムターゲットと、
前記ガリウムターゲットにバイアス電力を供給する電力供給部と、
前記ガリウムターゲットを前記希ガスでスパッタするときに、前記加熱部、前記ガス供給部、及び前記電力供給部の動作を制御する制御部と
を備える窒化ガリウム膜の形成装置であって、
前記制御部は、
前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、前記窒化ガリウム膜の成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、
前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるように
前記電力供給部に前記バイアス電力を出力させるとともに、前記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを前記単結晶基板の表面から蒸発させるように前記加熱部に前記単結晶基板を加熱させる
ことを特徴とする窒化ガリウム膜の形成装置。 A vacuum chamber containing a single crystal substrate and having a heating unit for heating the single crystal substrate;
A gas supply unit for supplying a rare gas and a nitrogen-containing gas into the vacuum chamber;
A gallium target disposed in the vacuum chamber;
A power supply for supplying bias power to the gallium target;
A control unit that controls operations of the heating unit, the gas supply unit, and the power supply unit when the gallium target is sputtered with the rare gas, and a gallium nitride film forming apparatus comprising:
The controller is
Of the nitrogen concentration, which is the ratio of the nitrogen-containing gas to the total flow rate of the noble gas and the nitrogen-containing gas, the growth rate of the gallium nitride film is in the range of the nitrogen concentration limited by the nitrogen supply. Control the drive of the gas supply,
In addition to the gallium nitride, the bias power is output to the power supply unit so that gallium reaches the surface of the single crystal substrate, and all the gallium other than the gallium nitride is supplied to the single crystal substrate. The apparatus for forming a gallium nitride film, wherein the heating unit heats the single crystal substrate to evaporate from the surface.
前記窒素濃度が成長速度の極大値に対して３０％以上９０％以下の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、
前記窒化ガリウム膜を形成するときの前記単結晶基板の温度を基板温度Ｔ（℃）、
前記ガリウムターゲットに供給される電力をバイアス電力Ｐ（Ｗ／ｃｍ２）とするとき、
前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、
６００≦Ｔ≦１２００
０＜Ｐ≦４．６３
を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御する
請求項４に記載の窒化ガリウム膜の形成装置。 The control unit is
Controlling the driving of the gas supply unit so that the nitrogen concentration falls within a range of 30% or more and 90% or less with respect to the maximum value of the growth rate;
The temperature of the single crystal substrate when forming the gallium nitride film is a substrate temperature T (° C.),
When the power supplied to the gallium target is a bias power P (W / cm 2 ),
The substrate temperature T and the bias power P are
600 ≦ T ≦ 1200
0 <P ≦ 4.63
The apparatus for forming a gallium nitride film according to claim 4, wherein the heating unit and the power supply unit are controlled so as to satisfy the condition.
前記ガス供給部が、前記希ガスであるアルゴンガスと前記窒素含有ガスである窒素ガスとを供給し、
前記制御部が、
前記窒素濃度が前記窒化ガリウム膜の成長速度の極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御するとともに、
前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、
Ｐ≦０．００８３Ｔ−４．７
Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６
を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御する
請求項５に記載の窒化ガリウム膜の形成装置。 The bias power is high frequency power having a frequency of 13.56 MHz;
The gas supply unit supplies argon gas that is the rare gas and nitrogen gas that is the nitrogen-containing gas,
The control unit is
Controlling the driving of the gas supply unit so that the nitrogen concentration is in a range of 60% to 70% with respect to the maximum value of the growth rate of the gallium nitride film;
The substrate temperature T and the bias power P are
P ≦ 0.0083T-4.7
P ≧ 0.0088T-6.6
The apparatus for forming a gallium nitride film according to claim 5, wherein the heating unit and the power supply unit are controlled so as to satisfy the condition.
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012246204A (en) * | 2011-05-31 | 2012-12-13 | Ulvac Japan Ltd | Method for forming gallium nitride columnar structure and apparatus for forming gallium nitride columnar structure |
| WO2020004249A1 (en) * | 2018-06-26 | 2020-01-02 | 株式会社Flosfia | Film-forming method and crystalline layered structure |
| CN111979514A (en) * | 2020-08-05 | 2020-11-24 | 清华大学无锡应用技术研究院 | Device for rapidly preparing gallium nitride film |
| CN112771647A (en) * | 2018-10-09 | 2021-05-07 | 东京毅力科创株式会社 | Method for forming nitride semiconductor film |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008166393A (en) * | 2006-12-27 | 2008-07-17 | Showa Denko Kk | Method of manufacturing group iii nitride semiconductor light-emitting element |
| JP2009155672A (en) * | 2007-12-25 | 2009-07-16 | Showa Denko Kk | Method for manufacturing group-iii nitride semiconductor, method for manufacturing light-emitting device of group-iii nitride semiconductor, apparatus for manufacturing group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor and light-emitting device of group-iii nitride semiconductor, and lamp |
| WO2009157228A1 (en) * | 2008-06-26 | 2009-12-30 | キヤノンアネルバ株式会社 | Sputtering apparatus, sputtering method and light emitting element manufacturing method |
-
2011
- 2011-02-18 JP JP2011033586A patent/JP5731225B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008166393A (en) * | 2006-12-27 | 2008-07-17 | Showa Denko Kk | Method of manufacturing group iii nitride semiconductor light-emitting element |
| JP2009155672A (en) * | 2007-12-25 | 2009-07-16 | Showa Denko Kk | Method for manufacturing group-iii nitride semiconductor, method for manufacturing light-emitting device of group-iii nitride semiconductor, apparatus for manufacturing group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor and light-emitting device of group-iii nitride semiconductor, and lamp |
| WO2009157228A1 (en) * | 2008-06-26 | 2009-12-30 | キヤノンアネルバ株式会社 | Sputtering apparatus, sputtering method and light emitting element manufacturing method |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012246204A (en) * | 2011-05-31 | 2012-12-13 | Ulvac Japan Ltd | Method for forming gallium nitride columnar structure and apparatus for forming gallium nitride columnar structure |
| WO2020004249A1 (en) * | 2018-06-26 | 2020-01-02 | 株式会社Flosfia | Film-forming method and crystalline layered structure |
| US11488821B2 (en) | 2018-06-26 | 2022-11-01 | Flosfia Inc. | Film forming method and crystalline multilayer structure |
| CN112771647A (en) * | 2018-10-09 | 2021-05-07 | 东京毅力科创株式会社 | Method for forming nitride semiconductor film |
| CN111979514A (en) * | 2020-08-05 | 2020-11-24 | 清华大学无锡应用技术研究院 | Device for rapidly preparing gallium nitride film |
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| Publication number | Publication date |
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