JP2013125851A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同一の真空槽内で結晶構成元素の割合を制御して結晶性のよい半導体膜を形成できる成膜装置及び成膜方法を提供する。
【解決手段】真空槽１１と、真空槽内に配置されたターゲット２１と、真空槽内に露出する放出口３２からラジカルを放出するラジカル銃３１と、ターゲットの周囲の第一の雰囲気２０と、放出口の周囲の第二の雰囲気３０とを分離する分離部材１２と、第一、第二の雰囲気に露出する平坦な基板配置面１５に基板４１が配置される基板配置部１４と、第一、第二の雰囲気をそれぞれ真空排気する第一、第二の真空排気部２５，３５とを有し、基板配置部は、基板配置面に配置された基板を移動させて第一の雰囲気又は第二の雰囲気のいずれか一方に露出させるように構成され、基板が前記第一の雰囲気に露出したときに、基板表面にターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達し、基板が第二の雰囲気に露出したときに、基板表面にラジカルが到達する。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置及び成膜方法に係り、特に窒化物半導体素子の製造技術に関する。

従来、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ等のエピタキシャル成長が行われているが、ＭＯＣＶＤ法では特ガスを使うため、除害設備等が必要になり、装置が非常に高価であるという不都合があった。また、粘性流領域での気体の流れと温度のコントロールが難しく、歩留まりが悪いという問題があった。

上記ＭＯＣＶＤ法の問題を解決するためにスパッタ法も提案されたが、従来のスパッタ法では、ＧａＮターゲットからのＲＦスパッタ又はパルスＤＣスパッタや、窒素ガス雰囲気中でのＧａターゲットからの反応スパッタによりＧａＮ薄膜を形成していた。
この場合、結晶成長の良否に重要なパラメータとなるＮ／Ｇａの比（Ｖ／ＩＩＩ比）をコントロールすることができず、結晶性の良いＧａＮをエピタキシャル成長することは困難であった。

特許文献１ではＧａ成膜工程とプラズマによる窒化工程とが開示されているが、プラズマによる窒化では、プラズマ中のイオンにより結晶がダメージを受けるため、良好な結晶性のＧａＮ膜を得ることができないという問題があった。

特開２００９−１２４１００号公報

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、同一の真空槽内で結晶構成元素の割合を制御して結晶性のよい半導体膜を形成できる成膜装置及び成膜方法を提供することにある。

本発明者らは、ラジカルを使用した窒化に注目し、ラジカル銃の動作圧力は１０^-2Ｐａ台であるため、スパッタのプロセス圧力である１０^-1Ｐａ台とは差があり、ＭＢＥのように同一プロセスでは実施できない代わりに、スパッタカソード雰囲気を作動排気することにより、ラジカル銃による窒化とＧａ成膜とを同一真空槽内で実施することが可能となり、上記目的を達成できることを見出した。

係る知見に基づいて成された本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置されたターゲットと、前記真空槽内に露出する放出口からラジカルを放出するラジカル銃と、前記ターゲットの周囲の第一の雰囲気と、前記放出口の周囲の第二の雰囲気とを分離する分離部材と、前記第一、第二の雰囲気に露出する平坦な基板配置面を有し、前記基板配置面に基板が配置される基板配置部と、前記第一の雰囲気にスパッタガスを供給するスパッタガス供給部と、前記第一、第二の雰囲気をそれぞれ真空排気する第一、第二の真空排気部と、を有し、前記基板配置部は、前記基板配置面に配置された基板を移動させて前記第一の雰囲気又は前記第二の雰囲気のいずれか一方に露出させるように構成され、前記基板が前記第一の雰囲気に露出したときに、前記基板表面に前記ターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達し、前記基板が前記第二の雰囲気に露出したときに、前記基板表面に前記ラジカルが到達する成膜装置である。
本発明は成膜装置であって、前記基板配置部は、前記基板配置面に対して直角な回転軸線を中心に回転できるように構成され、前記基板配置部が前記回転軸線を中心に回転すると、前記基板配置面に配置された基板は前記回転軸線を中心に旋回移動して前記第一の雰囲気又は前記第二の雰囲気のいずれか一方の雰囲気に露出される成膜装置である。
本発明は成膜装置であって、前記基板配置面と前記分離部材に設けられた開口の周囲との間には隙間が設けられ、前記隙間は２０ｍｍ以下である成膜装置である。
本発明は成膜装置であって、前記第一の雰囲気の体積は前記第二の雰囲気の体積より小さい成膜装置である。
本発明は成膜装置であって、前記ターゲットはＧａを含有し、前記ラジカルはＮを含有する成膜装置である。
本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置されたターゲットと、前記真空槽内に露出する放出口からラジカルを放出するラジカル銃と、前記ターゲットの周囲の第一の雰囲気と、前記放出口の周囲の第二の雰囲気とを分離する分離部材と、前記第一、第二の雰囲気に露出する平坦な基板配置面を有し、前記基板配置面に基板が配置される基板配置部と、前記第一の雰囲気にスパッタガスを供給するスパッタガス供給部と、前記第一、第二の雰囲気をそれぞれ真空排気する第一、第二の真空排気部と、を有し、前記基板配置部は、前記基板配置面に配置された基板を移動させて前記第一の雰囲気又は前記第二の雰囲気のいずれか一方に露出させるように構成された成膜装置を用いた成膜方法であって、前記基板を前記第一の雰囲気に露出させ、前記基板表面に前記ターゲットから放出されたスパッタ粒子を到達させ、前記基板を前記第二の雰囲気に露出させ、前記基板表面に前記ラジカルを到達させ、前記基板表面で前記スパッタ粒子を前記ラジカルと反応させる成膜方法である。
本発明は成膜方法であって、前記第一の雰囲気の圧力を前記第二の雰囲気の圧力より大きくする成膜方法である。
本発明は成膜方法であって、前記基板を前記第一、第二の雰囲気に順に繰り返し露出させ、前記基板表面に薄膜を成長させる成膜方法である。
本発明は成膜方法であって、前記ターゲットはＧａを含有し、前記ラジカルはＮを含有する成膜方法である。

スパッタ雰囲気である第一の雰囲気とラジカル雰囲気である第二の雰囲気とが分離され、スパッタ雰囲気中に反応ガスが流入しづらいため、薄膜中の結晶構成元素の割合（例えばＮ／Ｇａの比）を正確に制御でき、結晶性のよい半導体膜を得ることができる。

本発明の成膜装置の内部構成図 分離部材の別例を説明するための図 実施例で形成したＧａＮ薄膜の電子顕微鏡写真 比較例で形成したＧａＮ薄膜の電子顕微鏡写真

＜成膜装置の構造＞
本発明の成膜装置の構造を説明する。
図１は本発明の成膜装置１０の内部構成図である。

本発明の成膜装置１０は、真空槽１１と、真空槽１１内に配置されたターゲット２１と、真空槽１１内に露出する放出口３２からラジカルを放出するラジカル銃３１と、ターゲット２１の周囲の第一の雰囲気２０と、放出口３２の周囲の第二の雰囲気３０とを分離する分離部材１２と、第一、第二の雰囲気２０、３０に露出する平坦な基板配置面１５を有し、基板配置面１５に基板が配置される基板配置部１４と、第一の雰囲気２０にスパッタガスを供給するスパッタガス供給部２６と、第一、第二の雰囲気２０、３０をそれぞれ真空排気する第一、第二の真空排気部２５、３５とを有している。符号４１は基板配置面１５に配置された基板を示している。

ターゲット２１はここではＧａを含有する物質であり、例えばＧａと、ＧａＮのうちいずれか一方の物質又は両方の物質である。またＧａ又はＧａＮに、Ｉｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ等の添加金属が添加された物質を用いても良い。

真空槽１１内にはカソード電極２２が配置され、ターゲット２１はカソード電極２２上に配置されている。
なお、ターゲット２１がＧａの場合には、溶けて液状ターゲットになるため、ターゲット２１は皿状の容器（不図示）に入れられてカソード電極２２上に配置されている。
カソード電極２２にはターゲット用電源２３が電気的に接続されている。

分離部材１２はここでは中空の容器であり、真空槽１１内に配置され、上方を向いた面には開口１８が設けられている。ターゲット２１は、表面を上方に向けた状態で、分離部材１２の中空の部分に配置されている。

スパッタガス供給部２６は分離部材１２の中空の部分に接続され、ターゲット２１の周囲の第一の雰囲気２０にスパッタガスを供給できるようになっている。スパッタガスは例えばＡｒガスである。

スパッタガス供給部２６から第一の雰囲気２０にスパッタガスが供給され、ターゲット用電源２３からカソード電極２２に電圧（ＲＦ、ＡＣ又はＤＣ電圧）が印加されると、スパッタガスはプラズマ化され、プラズマ中のイオンがターゲット２１の表面に入射して、ターゲット２１の表面がスパッタされ、スパッタ粒子が放出されるようになっている。

ラジカル銃３１には、例えば、特開２００３−０６８６５６号公報に記載されたプラズマ源が用られる。符号３８はラジカル銃３１に反応ガスを供給する反応ガス供給部を示している。反応ガスはここではＮを含むガスであり、例えばＮ₂ガスと、ＮＨ₃ガスのうちいずれか一方のガス又は両方の混合ガスである。

基板配置部１４は平坦な基板配置面１５を下方に向けた状態で分離部材１２の上方に配置され、基板配置面１５の少なくとも一部は分離部材１２に設けられた開口１８を覆って第一の雰囲気２０に露出され、他の一部は第二の雰囲気３０に露出されている。

基板配置面１５と分離部材１２に設けられた開口１８の周囲との間には隙間１９が設けられ、隙間１９の基板配置面１５に対して直角な方向の長さは２０ｍｍ以下である。すなわち、第一、第二の雰囲気２０、３０は基板配置面１５に対して直角な方向の長さが２０ｍｍ以下の通路で接続されている。２０ｍｍより大きいと、隙間１９のコンダクタンスが大きく、放出口３２から第二の雰囲気３０に放出された反応ガスが隙間１９を通って第一の雰囲気２０に流入するという不都合がある。

第一の真空排気部２５は分離部材１２の中空の部分に接続され、第二の真空排気部３５は真空槽１１に接続されており、第一、第二の真空排気部２５、３５は第一、第二の雰囲気２０、３０をそれぞれ個別に真空排気できるようにされている。

第一、第二の真空排気部２５、３５を動作させて第一、第二の雰囲気２０、３０をそれぞれ個別に真空排気すると、基板配置面１５と開口１８の周囲との間の隙間１９のコンダクタンスにより、第一、第二の雰囲気２０、３０にそれぞれ異なる圧力の真空雰囲気が形成できるようになっている。
なお、図１の図面上では、第一、第二の真空排気部２５、３５は別々の真空ポンプで構成されているが、同一の真空ポンプで構成されていてもよい。

本実施形態では、基板配置部１４にはモーター１６が接続されており、モーター１６から動力を受けると、基板配置部１４は、基板配置面１５に対して直角な回転軸線１７を中心に回転できるように構成されている。

基板配置面１５のうち回転軸線１７から離間した位置に基板４１が配置された状態で、基板配置部１４が回転軸線１７を中心に回転すると、基板４１は回転軸線１７を中心に旋回移動して第一の雰囲気２０又は第二の雰囲気３０のいずれか一方に露出されるようになっている。

基板配置部１４の回転軸線１７は基板配置面１５に対して直角に向けられており、基板配置部１４を回転させても、基板配置面１５と開口１８の周囲との間の隙間１９の基板配置面１５に対して直角な方向の長さは変わらない。

なお、基板配置部１４は、基板配置面１５に配置された基板４１を移動させて第一、第二の雰囲気２０、３０のいずれか一方に露出させるように構成されているならば、上記構成に限定されず、例えば基板配置面１５と平行な直線上を往復移動して、基板配置面１５に配置された基板４１表面が第一、第二の雰囲気２０、３０のいずれか一方に露出するように構成されていてもよい。

なお、分離部材１２は、第一、第二の雰囲気２０、３０を互いに分離し、かつ基板配置面１５と開口１８の周囲との間の隙間１９のコンダクタンスが反応ガスの流入を妨げるほど小さいならば、上述のような容器状に限定されず、図２に示すように端部が真空槽１１の壁面に密着された壁で構成され、すなわち分離部材１２の壁と真空槽１１の壁面とで中空の容器が構成されていてもよい。

ただし、第一の雰囲気２０の体積が第二の雰囲気３０の体積より小さい方が、第一の雰囲気２０に露出する壁面にスパッタ粒子が付着しても第二の雰囲気３０に露出する壁面より表面積が小さくて洗浄が容易なために好ましい。

＜成膜方法＞
上述の成膜装置１０を用いた成膜方法を説明する。
（準備工程）
まず、第一、第二の真空排気部２５、３５により、第一、第二の雰囲気２０、３０をそれぞれ真空排気して真空雰囲気を形成する。
以後、第一、第二の雰囲気２０、３０の真空排気を継続して、真空雰囲気を維持する。

真空槽１１内の真空雰囲気を維持しながら、真空槽１１内に基板４１を搬入し、基板配置面１５のうち回転軸線１７から離間した位置に配置する。基板４１はここではサファイア基板である。
基板配置部１４には不図示のヒーターが設けられている。ヒーターを発熱させて基板４１をここでは５００℃以上１０００℃以下に加熱する。以後、基板４１の加熱を継続する。

（成長工程）
基板配置部１４を回転軸線１７を中心に回転させて、基板４１を連続して旋回移動させ、基板４１表面を第一の雰囲気２０と第二の雰囲気３０に順に繰り返し露出させる。以後、基板４１の旋回移動を継続する。

第一の雰囲気２０にスパッタガスをここでは２０ｓｃｃｍの流量で供給し、プラズマを生成して、ターゲット２１表面をスパッタする。
また、ラジカル銃３１にＮを含む反応ガスをここでは２ｓｃｃｍの流量で供給し、プラズマを生成して、放出口３２から第二の雰囲気３０にＮを含むラジカルを放出させる。
ここでは、第二の雰囲気３０の圧力を第一の雰囲気２０の圧力より小さくしておく。例えば第二の雰囲気３０の圧力を０．０５Ｐａにし、第一の雰囲気の圧力を０．１Ｐａにする。

基板４１表面が第一の雰囲気２０に露出するときには、ターゲット２１表面から放出されたスパッタ粒子は、分離部材１２の開口１８を通過して、基板４１表面に到達する。一方、基板４１表面が第二の雰囲気３０に露出するときには、放出口３２から放出されたラジカルが基板４１表面に到達する。

第二の雰囲気３０の圧力は第一の雰囲気２０の圧力より小さく、放出されたラジカルは不純物ガスと衝突して消失することなく効率よく基板４１表面に到達し、基板４１の表面でスパッタ粒子はラジカルと反応して窒化され、ＧａＮ結晶の薄膜が生成される。

本発明ではＮを含むラジカルにより窒化するため、Ｎを含むイオンにより窒化する方法とは異なり、イオンの侵入により結晶がダメージを受けることはなく、結晶性のよい薄膜が得られる。

ここでは基板４１表面が第一の雰囲気２０に一回露出している間に基板４１表面に堆積するスパッタ粒子の膜厚を１原子層未満から数原子層（９原子層以下）でコントロールでき、薄膜中の各原子はそれぞれ第二の雰囲気３０に露出してラジカルと容易に反応することができる。そのため、薄膜中のＮ／Ｇａの比を容易に制御できる。

本発明では第一、第二の雰囲気２０、３０は分離部材１２により分離され、開口１８の周囲と基板配置面１５との間の隙間１９のコンダクタンスは反応ガスの流入を妨げるように設計されており、放出口３２から第二の雰囲気３０に放出された反応ガスが隙間１９を通って第一の雰囲気２０に流入することが少ない。
さらに、第一の雰囲気２０の圧力は第二の雰囲気３０の圧力より大きくされており、第二の雰囲気３０の反応ガスは、より第一の雰囲気２０に流入しづらくなっている。
従って、ターゲット２１のスパッタ中にターゲット２１の表面又は基板４１に反応ガスが到達することが少なく、Ｎ／Ｇａの比を正確に制御でき、結晶性のよい薄膜が得られる。

Ｇａ成膜とラジカル窒素による窒化とを連続して複数回繰り返して、所望の膜厚に成長させた後、ターゲット２１とラジカル銃３１の放電を停止して、ＧａＮ結晶の成長を終了する。真空槽１１内の真空雰囲気を維持しながら、基板４１を真空槽１１の外側に搬出する。

なお、上述の説明では基板４１を中心軸線１７を中心に連続して旋回移動させたが、成膜レートによっては、基板４１が第一、第二の雰囲気２０、３０に露出する都度旋回移動を一時停止させてもよい。

＜実施例＞
上述の成膜方法によりＧａＮ結晶の薄膜を形成した。ただし、ターゲットにはＧａを使用し、反応ガスにはＮ₂ガスを使用し、スパッタガスにはＡｒガスを使用した。図３は形成した薄膜の電子顕微鏡写真である。結晶性のよいＧａＮが得られたことが分かる。

＜比較例＞
真空槽内にＧａターゲットを配置し、Ｎ₂ガスとＡｒガスとの混合ガス雰囲気中でスパッタしてＧａＮ結晶の薄膜を形成した。図４は形成した薄膜の電子顕微鏡写真である。結晶性のよいＧａＮが得られなかったことが分かる。

１０……成膜装置
１１……真空槽
１２……分離部材
１４……基板配置部
１５……基板配置面
１７……回転軸線
１９……隙間
２０……第一の雰囲気
２１……ターゲット
２５……第一の真空排気部
２６……スパッタガス供給部
３０……第二の雰囲気
３１……ラジカル銃
３２……放出口
３５……第二の真空排気部

Claims (9)

1. 真空槽と、
   前記真空槽内に配置されたターゲットと、
   前記真空槽内に露出する放出口からラジカルを放出するラジカル銃と、
   前記ターゲットの周囲の第一の雰囲気と、前記放出口の周囲の第二の雰囲気とを分離する分離部材と、
   前記第一、第二の雰囲気に露出する平坦な基板配置面を有し、前記基板配置面に基板が配置される基板配置部と、
   前記第一の雰囲気にスパッタガスを供給するスパッタガス供給部と、
   前記第一、第二の雰囲気をそれぞれ真空排気する第一、第二の真空排気部と、
   を有し、
   前記基板配置部は、前記基板配置面に配置された基板を移動させて前記第一の雰囲気又は前記第二の雰囲気のいずれか一方に露出させるように構成され、
   前記基板が前記第一の雰囲気に露出したときに、前記基板表面に前記ターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達し、前記基板が前記第二の雰囲気に露出したときに、前記基板表面に前記ラジカルが到達する成膜装置。
2. 前記基板配置部は、前記基板配置面に対して直角な回転軸線を中心に回転できるように構成され、
   前記基板配置部が前記回転軸線を中心に回転すると、前記基板配置面に配置された基板は前記回転軸線を中心に旋回移動して前記第一の雰囲気又は前記第二の雰囲気のいずれか一方の雰囲気に露出される請求項１記載の成膜装置。
3. 前記基板配置面と前記分離部材に設けられた開口の周囲との間には隙間が設けられ、前記隙間は２０ｍｍ以下である請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の成膜装置。
4. 前記第一の雰囲気の体積は前記第二の雰囲気の体積より小さい請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の成膜装置。
5. 前記ターゲットはＧａを含有し、前記ラジカルはＮを含有する請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の成膜装置。
6. 真空槽と、
   前記真空槽内に配置されたターゲットと、
   前記真空槽内に露出する放出口からラジカルを放出するラジカル銃と、
   前記ターゲットの周囲の第一の雰囲気と、前記放出口の周囲の第二の雰囲気とを分離する分離部材と、
   前記第一、第二の雰囲気に露出する平坦な基板配置面を有し、前記基板配置面に基板が配置される基板配置部と、
   前記第一の雰囲気にスパッタガスを供給するスパッタガス供給部と、
   前記第一、第二の雰囲気をそれぞれ真空排気する第一、第二の真空排気部と、
   を有し、
   前記基板配置部は、前記基板配置面に配置された基板を移動させて前記第一の雰囲気又は前記第二の雰囲気のいずれか一方に露出させるように構成された成膜装置を用いた成膜方法であって、
   前記基板を前記第一の雰囲気に露出させ、前記基板表面に前記ターゲットから放出されたスパッタ粒子を到達させ、
   前記基板を前記第二の雰囲気に露出させ、前記基板表面に前記ラジカルを到達させ、前記基板表面で前記スパッタ粒子を前記ラジカルと反応させる成膜方法。
7. 前記第一の雰囲気の圧力を前記第二の雰囲気の圧力より大きくする請求項６記載の成膜方法。
8. 前記基板を前記第一、第二の雰囲気に繰り返し露出させ、前記基板表面に薄膜を成長させる請求項６又は請求項７のいずれか１項記載の成膜方法。
9. 前記ターゲットはＧａを含有し、前記ラジカルはＮを含有する請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の成膜方法。