JP2020147837A - Method for manufacturing group III nitride semiconductor - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書の技術分野は、プラズマを用いて薄膜を成膜するIII 族窒化物半導体の製造方法に関する。 The technical field of the present specification relates to a method for producing a group III nitride semiconductor for forming a thin film using plasma.
基板に薄膜を成膜する技術として種々の技術がある。例えば、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法が挙げられる。スパッタリング法では、真空中で高速のイオンをターゲットに衝突させ、ターゲットから放出された粒子を基板の上に付着させる。ターゲットに衝突するイオンの運動エネルギーが大きいため、ターゲットから放出される粒子の運動エネルギーも大きい。したがって、緻密で付着力の高い薄膜が得られる。 There are various techniques for forming a thin film on a substrate. For example, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, and an ion plating method can be mentioned. In the sputtering method, high-speed ions are made to collide with the target in a vacuum, and the particles emitted from the target are attached onto the substrate. Since the kinetic energy of the ions colliding with the target is large, the kinetic energy of the particles emitted from the target is also large. Therefore, a dense thin film with high adhesive force can be obtained.
ところで、従来、ＧａＮ（窒化ガリウム）を成膜する際には、ＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法が用いられてきた。そして近年では、高い生産性への期待から、大口径基板にＧａＮを成膜することが要求されるようになってきている。しかし、基板が大きいほど、基板とＧａＮ層との間の熱膨張係数差に起因する歪が大きい。そして、基板とＧａＮ層との界面付近で大きな応力が発生する。このような応力は、ＧａＮ層の結晶性に悪影響を与えるおそれがある。また、応力が半導体層の内部にピエゾ電界を生じさせることがある。そのため、このような半導体層を有する半導体素子における電子の振る舞いに悪影響を及ぼすおそれがある。 By the way, conventionally, when forming a GaN (gallium nitride) film, the MOCVD method and the HVPE method have been used. In recent years, there has been a demand for film formation of GaN on a large-diameter substrate due to high productivity expectations. However, the larger the substrate, the greater the strain caused by the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the GaN layer. Then, a large stress is generated near the interface between the substrate and the GaN layer. Such stress may adversely affect the crystallinity of the GaN layer. In addition, stress may generate a piezo electric field inside the semiconductor layer. Therefore, there is a possibility that the behavior of electrons in the semiconductor element having such a semiconductor layer is adversely affected.
スパッタリング法では、従来のＭＯＣＶＤ法等に比べて低い温度で成膜できる可能性がある。成膜温度が低いほど、熱膨張係数差に起因する応力を抑制できる。そのため、近年では、ＧａＮの成膜にスパッタリング法を用いる技術が開発されてきている。例えば、特許文献１では、ターゲットであるＧａを冷却する技術が開示されている（特許文献の段落［０００７］等参照）。 In the sputtering method, there is a possibility that a film can be formed at a lower temperature than the conventional MOCVD method or the like. The lower the film formation temperature, the more the stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion can be suppressed. Therefore, in recent years, a technique using a sputtering method for forming a GaN film has been developed. For example, Patent Document 1 discloses a technique for cooling a target Ga (see paragraph [0007] of the patent document).
特許文献１のスパッタリング装置を用いてＧａＮを成膜する場合には、Ｇａターゲットから基板に向かうＧａ粒子が窒素ガスおよびアルゴンガスに衝突するおそれがある。Ｇａターゲットから飛び出したＧａ粒子は、窒素ガスおよびアルゴンガスと衝突を繰り返しながら運動エネルギーを失っていく。運動エネルギーを失ったＧａ粒子は、基板の表面でほとんど動き回らない。Ｇａ粒子の運動状態が悪いと、ＧａＮが３次元成長しやすくなる。そうすると、面内に一様で結晶性に優れた半導体層を成長させることが困難になる。 When a GaN film is formed using the sputtering apparatus of Patent Document 1, Ga particles from the Ga target toward the substrate may collide with nitrogen gas and argon gas. The Ga particles that have jumped out of the Ga target lose kinetic energy while repeatedly colliding with nitrogen gas and argon gas. Ga particles that have lost kinetic energy hardly move around on the surface of the substrate. When the motion state of Ga particles is poor, GaN tends to grow three-dimensionally. Then, it becomes difficult to grow a uniform semiconductor layer having excellent crystallinity in the plane.
また、本発明者らは、スパッタリングによりＧａＮを成膜する場合には、高い平坦性を備えるＧａＮを得ることが困難であることを発見した。 Further, the present inventors have discovered that it is difficult to obtain GaN having high flatness when forming a GaN film by sputtering.
本明細書の技術が解決しようとする課題は、平坦性に優れた半導体層を成長させることのできるIII 族窒化物半導体の製造方法を提供することである。 An object to be solved by the technique of the present specification is to provide a method for producing a group III nitride semiconductor capable of growing a semiconductor layer having excellent flatness.
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体の製造方法は、基板の上にIII 族窒化物半導体からなる第１半導体層を成膜する第１の工程と、第１半導体層の上にIII 族窒化物半導体からなる第２半導体層を成膜する第２の工程と、を有する。第１の工程では、塩素ガスと希ガスとを含む第１のガスをプラズマ化してターゲットからIII 族原子を基板に供給するとともに、窒素ガスと水素ガスとを含む第２のガスをプラズマ化して基板に供給することにより第１半導体層を成膜する。第２の工程では、希ガスをプラズマ化してターゲットからIII 族原子を基板に供給するとともに、窒素ガスをプラズマ化して基板に供給することにより第２半導体層を成膜する。 The method for producing a group III nitride semiconductor in the first aspect includes a first step of forming a first semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor on a substrate and a group III nitride on the first semiconductor layer. It has a second step of forming a second semiconductor layer made of a physical semiconductor. In the first step, the first gas containing chlorine gas and rare gas is turned into plasma to supply Group III atoms from the target to the substrate, and the second gas containing nitrogen gas and hydrogen gas is turned into plasma. A first semiconductor layer is formed by supplying it to a substrate. In the second step, the rare gas is turned into plasma and Group III atoms are supplied from the target to the substrate, and the nitrogen gas is turned into plasma and supplied to the substrate to form a second semiconductor layer.
この製造方法においては、第１半導体層を形成するため、表面の平坦性が高い第２半導体層を形成することができる。スパッタリングにより半導体層を成膜することができるため、低い基板温度での成膜が可能である。つまり、大口径の基板に半導体層を成膜することに適している。 In this manufacturing method, since the first semiconductor layer is formed, the second semiconductor layer having a high surface flatness can be formed. Since the semiconductor layer can be formed by sputtering, it is possible to form a film at a low substrate temperature. That is, it is suitable for forming a semiconductor layer on a large-diameter substrate.
本明細書では、平坦性に優れた半導体層を成長させることのできるIII 族窒化物半導体の製造方法が提供されている。 The present specification provides a method for producing a group III nitride semiconductor capable of growing a semiconductor layer having excellent flatness.
以下、具体的な実施形態について、III 族窒化物半導体装置とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。 Hereinafter, a specific embodiment will be described with reference to the drawings, taking as an example a group III nitride semiconductor device and a method for manufacturing the same.
（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。
(First Embodiment)
The first embodiment will be described.
１．半導体装置
図１は、第１の実施形態の半導体レーザー素子Ａ１の概略構成を示す図である。半導体レーザー素子Ａ１は、基板１０と、バッファ層２０と、第１半導体層３０と、第２半導体層４０と、ｎ型クラッド層Ａ５０と、活性層Ａ６０と、ｐ型クラッド層Ａ７０と、ｐ型コンタクト層Ａ８０と、ｎ電極Ｎ１と、ｐ電極Ｐ１と、を有する。
1. 1. Semiconductor device FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the semiconductor laser device A1 of the first embodiment. The semiconductor laser element A1 includes a substrate 10, a buffer layer 20, a first semiconductor layer 30, a second semiconductor layer 40, an n-type clad layer A50, an active layer A60, a p-type clad layer A70, and a p-type. It has a contact layer A80, an n-electrode N1, and a p-electrode P1.
基板１０は、半導体層を支持する。基板１０は、例えば、サファイア基板である。または、その他のＧａＮを成長させることのできる成長基板であるとよい。 The substrate 10 supports the semiconductor layer. The substrate 10 is, for example, a sapphire substrate. Alternatively, it may be a growth substrate on which other GaN can be grown.
バッファ層２０は、ＧａＮを成長させるための低温バッファ層である。バッファ層２０の材質は、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）である。またはその他のバッファ層であってもよい。 The buffer layer 20 is a low temperature buffer layer for growing GaN. The material of the buffer layer 20 is, for example, AlN (aluminum nitride). Alternatively, it may be another buffer layer.
第１半導体層３０は、基板１０の上に位置している。第１半導体層３０は、例えば、ＧａＮ層である。第１半導体層３０は、水素および塩素を添加した反応性スパッタリング法により成膜されたIII 族窒化物半導体層である。第１半導体層３０の膜厚は、２０ｎｍ以上であるとよい。好ましくは３０ｎｍ以上である。より好ましくは４０ｎｍ以上である。第１半導体層３０の膜厚は、３００ｎｍ以下であるとよい。第２半導体層４０の表面の平坦性が向上するからである。好ましくは２００ｎｍ以下である。より好ましくは１００ｎｍ以下である。水素および塩素を添加した反応性スパッタリング法により成膜された第１半導体層３０は、半導体レーザー素子Ａ１の素子本来の機能とは無関係であるためである。 The first semiconductor layer 30 is located on the substrate 10. The first semiconductor layer 30 is, for example, a GaN layer. The first semiconductor layer 30 is a group III nitride semiconductor layer formed by a reactive sputtering method to which hydrogen and chlorine are added. The film thickness of the first semiconductor layer 30 is preferably 20 nm or more. It is preferably 30 nm or more. More preferably, it is 40 nm or more. The film thickness of the first semiconductor layer 30 is preferably 300 nm or less. This is because the flatness of the surface of the second semiconductor layer 40 is improved. It is preferably 200 nm or less. More preferably, it is 100 nm or less. This is because the first semiconductor layer 30 formed by the reactive sputtering method to which hydrogen and chlorine are added has nothing to do with the original function of the semiconductor laser element A1.
第２半導体層４０は、第１半導体層３０の上に位置している。第２半導体層４０は、例えば、ＧａＮ層である。第２半導体層４０は、物理的スパッタリング法により成膜されたIII 族窒化物半導体層である。 The second semiconductor layer 40 is located above the first semiconductor layer 30. The second semiconductor layer 40 is, for example, a GaN layer. The second semiconductor layer 40 is a group III nitride semiconductor layer formed by a physical sputtering method.
ｎ型クラッド層Ａ５０は、例えば、ｎ型ＧａＮ層である。ｎ型クラッド層Ａ５０は、ｎ電極Ｎ１に接触するｎ型コンタクト層も兼ねている。活性層Ａ６０は、井戸層と障壁層とを有する。井戸層および障壁層は、III 族窒化物半導体層である。ｐ型クラッド層Ａ７０は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層である。ｐ型コンタクト層Ａ８０は、例えば、ｐ型ＧａＮ層である。もちろん、上記以外の構造を有していてもよい。 The n-type clad layer A50 is, for example, an n-type GaN layer. The n-type clad layer A50 also serves as an n-type contact layer that contacts the n-electrode N1. The active layer A60 has a well layer and a barrier layer. The well layer and barrier layer are group III nitride semiconductor layers. The p-type clad layer A70 is, for example, a p-type AlGaN layer. The p-type contact layer A80 is, for example, a p-type GaN layer. Of course, it may have a structure other than the above.
２．成膜装置
図２は、第１の実施形態の成膜装置１０００の概略構成を示す図である。第１の実施形態の成膜装置１０００は、スパッタリング法により基板の上に薄膜を成膜する装置である。成膜装置１０００は、筐体１００１と、区画部３００と、を有する。ここで、筐体１００１と区画部３００との材質は、例えば、ニッケルめっきされたＳＵＳ（ステンレス鋼）である。筐体１００１と区画部３００とは、接地されている。
2. 2. The film forming apparatus FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the film forming apparatus 1000 of the first embodiment. The film forming apparatus 1000 of the first embodiment is an apparatus for forming a thin film on a substrate by a sputtering method. The film forming apparatus 1000 has a housing 1001 and a compartment 300. Here, the material of the housing 1001 and the compartment 300 is, for example, nickel-plated SUS (stainless steel). The housing 1001 and the compartment 300 are grounded.
筐体１００１は、第１室１００および第２室２００を収容している。区画部３００は、第１室１００を収容している。区画部３００は、第１室１００と第２室２００とを区切っている。つまり、成膜装置１０００は、第１室１００と、第２室２００と、第１室１００と第２室２００とを区画する区画部３００と、を有する。 The housing 1001 houses the first chamber 100 and the second chamber 200. The compartment 300 accommodates the first room 100. The section 300 separates the first room 100 and the second room 200. That is, the film forming apparatus 1000 has a first chamber 100, a second chamber 200, and a compartment 300 for partitioning the first chamber 100 and the second chamber 200.
２−１．第１室
第１室１００は、ターゲット収容部１１０と、ターゲット収容部支持部１２０と、冷却部１３０と、第１の電位付与部１４０と、第１のガス供給部１５０と、第１のガス供給管１６０と、を有している。
2-1. The first chamber 1st chamber 100 includes a target accommodating portion 110, a target accommodating portion supporting portion 120, a cooling portion 130, a first potential applying portion 140, a first gas supply unit 150, and a first gas. It has a supply pipe 160 and.
ターゲット収容部１１０は、ターゲットＴ１を収容するためのものである。そのため、ターゲット収容部１１０は、ターゲットＴ１を載置するための凹部を有するとよい。ターゲットＴ１は、スパッタリングに用いられる材料である。ターゲットＴ１は、例えば、Ｇａ（ガリウム）である。ターゲット収容部１１０は、後述する基板支持部２１０と対向する位置に配置されている。そのため、ターゲットＴ１は、基板１０と対向する位置に配置されることとなる。 The target accommodating portion 110 is for accommodating the target T1. Therefore, the target accommodating portion 110 may have a recess for mounting the target T1. The target T1 is a material used for sputtering. The target T1 is, for example, Ga (gallium). The target accommodating portion 110 is arranged at a position facing the substrate supporting portion 210 described later. Therefore, the target T1 is arranged at a position facing the substrate 10.
ターゲット収容部支持部１２０は、ターゲット収容部１１０を支持するためのものである。また、ターゲット収容部支持部１２０は、磁石を有している。 The target accommodating portion support 120 is for supporting the target accommodating portion 110. Further, the target accommodating portion support portion 120 has a magnet.
冷却部１３０は、ターゲット収容部１１０を冷却するためのものである。冷却部１３０は、水を流す流路１３１と、流路１３１に水を流すポンプ（図示せず）と、ポンプを制御するポンプ制御部（図示せず）と、を有する。水の温度は、例えば１０℃である。水温は、ターゲットＴ１の材料に応じて変更してもよい。冷却部１３０は、ターゲット収容部１１０を介してターゲットＴ１を冷却する。 The cooling unit 130 is for cooling the target accommodating unit 110. The cooling unit 130 includes a flow path 131 for flowing water, a pump for flowing water through the flow path 131 (not shown), and a pump control unit (not shown) for controlling the pump. The temperature of water is, for example, 10 ° C. The water temperature may be changed depending on the material of the target T1. The cooling unit 130 cools the target T1 via the target accommodating unit 110.
第１の電位付与部１４０は、ターゲット収容部１１０に高周波電位を付与するためのものである。そのため、第１の電位付与部１４０は、ターゲット収容部１１０を介してターゲットＴ１に電位を付与することができる。高周波電位の周波数は、例えば、１３．５６ＭＨｚである。もちろん、これ以外の周波数を用いてもよい。 The first potential applying unit 140 is for applying a high frequency potential to the target accommodating unit 110. Therefore, the first potential applying unit 140 can apply the potential to the target T1 via the target accommodating unit 110. The frequency of the high frequency potential is, for example, 13.56 MHz. Of course, frequencies other than this may be used.
第１のガス供給部１５０は、第１室１００の内部に第１のガスを供給するためのものである。第１のガス供給部１５０は、第１のガスを収容する役割も担っている。第１のガス供給部１５０は、第１のガスとして例えばアルゴンガスを第１室１００に供給する。第１のガスは、後述する第１のプラズマ生成領域でプラズマ化し、ターゲットＴ１に高速で入射する粒子となるものである。第１のガスは、その他の希ガスであってもよい。第１のガスは、その他の不活性ガスであってもよい。 The first gas supply unit 150 is for supplying the first gas to the inside of the first chamber 100. The first gas supply unit 150 also plays a role of accommodating the first gas. The first gas supply unit 150 supplies, for example, argon gas as the first gas to the first chamber 100. The first gas is converted into plasma in the first plasma generation region described later, and becomes particles that are incident on the target T1 at high speed. The first gas may be another rare gas. The first gas may be another inert gas.
第１のガス供給管１６０は、第１のガス供給部１５０から第１室１００に第１のガスを供給するための流路である。 The first gas supply pipe 160 is a flow path for supplying the first gas from the first gas supply unit 150 to the first chamber 100.
２−２．第２室
第２室２００は、基板支持部２１０と、加熱部２２０と、プラズマ発生装置２３０と、第２の電位付与部２４０と、第２のガス供給部２５０と、第２のガス供給管２６０と、排気口２７０と、を有している。
2-2. The second chamber The second chamber 200 includes a substrate support portion 210, a heating portion 220, a plasma generator 230, a second potential applying portion 240, a second gas supply portion 250, and a second gas supply pipe. It has 260 and an exhaust port 270.
基板支持部２１０は、基板Ｓ１を支持するためのものである。ここで、基板Ｓ１は、スパッタリングにより薄膜を成膜される成膜対象部材である。基板Ｓ１は、ＧａＮ層の成膜後にチップ毎に分割されて図１の基板１０およびバッファ層２０になる。基板支持部２１０は、基板Ｓ１の表面が鉛直下方に向くように配置されている。 The substrate support portion 210 is for supporting the substrate S1. Here, the substrate S1 is a film-forming target member on which a thin film is formed by sputtering. After the GaN layer is formed, the substrate S1 is divided into chips to form the substrate 10 and the buffer layer 20 of FIG. The substrate support portion 210 is arranged so that the surface of the substrate S1 faces vertically downward.
加熱部２２０は、基板支持部２１０を加熱するためのものである。加熱部２２０は、基板支持部２１０を介して基板支持部２１０に支持されている基板Ｓ１を加熱することができる。また、加熱部２２０は、温度センサーを有するとよい。そして、加熱部２２０は、基板温度を入力された設定温度に保持することができるとよい。 The heating unit 220 is for heating the substrate support unit 210. The heating unit 220 can heat the substrate S1 supported by the substrate support portion 210 via the substrate support portion 210. Further, the heating unit 220 may have a temperature sensor. Then, it is preferable that the heating unit 220 can maintain the substrate temperature at the input set temperature.
プラズマ発生装置２３０は、第２のガス供給部２５０から供給された第２のガスをプラズマ化するためのものである。プラズマ発生装置２３０は、例えば、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）ユニットである。プラズマ発生装置２３０は、その他の方式によりプラズマを発生させてもよい。 The plasma generator 230 is for converting the second gas supplied from the second gas supply unit 250 into plasma. The plasma generator 230 is, for example, an ICP (inductively coupled plasma) unit. The plasma generator 230 may generate plasma by another method.
第２の電位付与部２４０は、プラズマ発生装置２３０に高周波電位を付与するためのものである。高周波電位の周波数は、例えば、２７．１２ＭＨｚである。もちろん、これ以外の周波数を用いてもよい。 The second potential applying unit 240 is for applying a high frequency potential to the plasma generator 230. The frequency of the high frequency potential is, for example, 27.12 MHz. Of course, frequencies other than this may be used.
第２のガス供給部２５０は、第２室２００の内部に第２のガスを供給するためのものである。第２のガス供給部２５０は、第２のガスを収容する役割も担っている。第２のガス供給部２５０は、第２のガスとして例えば窒素ガスを第２室２００に供給する。第２のガスは、第２のプラズマ生成領域でプラズマ化し、ターゲットＴ１からたたき出された粒子と反応して基板Ｓ１に成膜される。第２のガスは、その他の反応性ガスであってもよい。また、成膜する材料によっては、その他の不活性ガスであってもよい。 The second gas supply unit 250 is for supplying the second gas to the inside of the second chamber 200. The second gas supply unit 250 also plays a role of accommodating the second gas. The second gas supply unit 250 supplies, for example, nitrogen gas as the second gas to the second chamber 200. The second gas is turned into plasma in the second plasma generation region, reacts with the particles knocked out from the target T1, and is formed on the substrate S1. The second gas may be another reactive gas. Further, depending on the material to be formed into a film, another inert gas may be used.
第２のガス供給管２６０は、第２のガス供給部２５０からプラズマ発生装置２３０に第２のガスを供給するための流路である。 The second gas supply pipe 260 is a flow path for supplying the second gas from the second gas supply unit 250 to the plasma generator 230.
２−３．区画部
区画部３００は、前述したように第１室１００と第２室２００とを区画している。区画部３００は、壁３１０と、天板３２０と、筒形状部３３０と、開口部材３４０と、を有する。壁３１０および天板３２０は、第１室１００と第２室２００とを区画するためのものである。
2-3. Section section The section section 300 divides the first room 100 and the second room 200 as described above. The compartment 300 has a wall 310, a top plate 320, a tubular portion 330, and an opening member 340. The wall 310 and the top plate 320 are for partitioning the first chamber 100 and the second chamber 200.
２−４．筒形状部および開口部材
筒形状部３３０は、基板支持部２１０に向かって突出する円筒形状の部材である。筒形状部３３０は、ターゲット収容部１１０と基板支持部２１０との間の位置に配置されている。基板支持部２１０に支持された基板Ｓ１およびターゲットＴ１が、筒形状部３３０を延長したと仮定した場合の筒形状の内部に含まれている。そのため、筒形状部３３０は、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ原子が基板Ｓ１に向かうことを妨げることはない。筒形状部３３０は、第１の開口端３３１を有する。第１の開口端３３１は、筒形状部３３０の開口端のうちの一方である。第１の開口端３３１は基板Ｓ１と対面している。
2-4. Cylindrical portion and opening member The tubular portion 330 is a cylindrical member that projects toward the substrate support portion 210. The tubular shape portion 330 is arranged at a position between the target accommodating portion 110 and the substrate support portion 210. The substrate S1 and the target T1 supported by the substrate support portion 210 are included in the tubular shape assuming that the tubular shape portion 330 is extended. Therefore, the tubular portion 330 does not prevent the Ga atom protruding from the target T1 from heading toward the substrate S1. The tubular portion 330 has a first open end 331. The first opening end 331 is one of the opening ends of the tubular portion 330. The first opening end 331 faces the substrate S1.
開口部材３４０は、複数の貫通孔を有する板状の部材である。開口部材３４０は、筒形状部３３０の第１の開口端３３１を覆うとともに第１室１００と第２室２００とを連通する複数の貫通孔を有する。開口部材３４０は、ターゲット収容部１１０と基板支持部２１０との間の位置に配置されている。 The opening member 340 is a plate-shaped member having a plurality of through holes. The opening member 340 has a plurality of through holes that cover the first opening end 331 of the tubular portion 330 and that communicate the first chamber 100 and the second chamber 200. The opening member 340 is arranged at a position between the target accommodating portion 110 and the substrate supporting portion 210.
図３は、開口部材３４０の貫通孔３４１を示す平面図である。図３に示すように、開口部材３４０の貫通孔３４１は、開口部材３４０の表面にハニカム状に配置されている。開口部材３４０の貫通孔３４１は円形である。貫通孔３４１は、ターゲットＴ１と基板Ｓ１とを結ぶ線上に規則的に配置されている。 FIG. 3 is a plan view showing a through hole 341 of the opening member 340. As shown in FIG. 3, the through holes 341 of the opening member 340 are arranged in a honeycomb shape on the surface of the opening member 340. The through hole 341 of the opening member 340 is circular. The through holes 341 are regularly arranged on a line connecting the target T1 and the substrate S1.
開口部材３４０の開口率は３０％以上５０％以下である。開口部材３４０の貫通孔３４１の内径は１ｍｍ以上である。開口部材３４０の貫通孔３４１の内径が１ｍｍ未満であると、Ｇａを含む物質が貫通孔３４１を塞いでしまうおそれがあるためである。貫通孔３４１の大きさが十分であるため、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ原子は開口部材３４０の貫通孔３４１を通過して基板Ｓ１の表面に到達する。 The aperture ratio of the opening member 340 is 30% or more and 50% or less. The inner diameter of the through hole 341 of the opening member 340 is 1 mm or more. This is because if the inner diameter of the through hole 341 of the opening member 340 is less than 1 mm, a substance containing Ga may block the through hole 341. Since the size of the through hole 341 is sufficient, the Ga atom protruding from the target T1 passes through the through hole 341 of the opening member 340 and reaches the surface of the substrate S1.
開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離は２０ｍｍ以下である。後述するように、ターゲット粒子が第２室２００のガスとそれほど衝突しないようにするためである。好ましくは、開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離は１０ｍｍ以下である。開口部材３４０と基板Ｓ１との間に窒素原子を含むガスを通過させるために、開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離は２ｍｍ以上あるとよい。 The distance between the opening member 340 and the substrate S1 is 20 mm or less. This is to prevent the target particles from colliding with the gas in the second chamber 200 so much, as will be described later. Preferably, the distance between the opening member 340 and the substrate S1 is 10 mm or less. In order to allow a gas containing a nitrogen atom to pass between the opening member 340 and the substrate S1, the distance between the opening member 340 and the substrate S1 is preferably 2 mm or more.
３．ターゲット粒子とガス粒子との衝突回数
ターゲット粒子と第２室２００のガス粒子との衝突回数Ｎは、第２室２００の内圧Ｐと、開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離Ｔと、に依存する。衝突回数Ｎは、内圧Ｐおよび距離Ｔの積に比例する。衝突回数Ｎは、少ないことが好ましい。
3. 3. Number of collisions between target particles and gas particles The number of collisions N between the target particles and the gas particles in the second chamber 200 is determined by the internal pressure P in the second chamber 200 and the distance T between the opening member 340 and the substrate S1. Dependent. The number of collisions N is proportional to the product of the internal pressure P and the distance T. The number of collisions N is preferably small.
４．ＧａＮ層の成膜方法
第１の実施形態の成膜装置１０００は、物理的スパッタリング法および反応性スパッタリング法によるＧａＮ層の成膜をすることができる。第１半導体層３０を成膜する際には反応性スパッタリング法を用い、第２半導体層４０を成膜する際には物理的スパッタリング法を用いる。
4. GaN layer film forming method The film forming apparatus 1000 of the first embodiment can form a GaN layer by a physical sputtering method and a reactive sputtering method. A reactive sputtering method is used when forming the first semiconductor layer 30, and a physical sputtering method is used when forming the second semiconductor layer 40.
４−１．物理的スパッタリング
物理的スパッタリングとは、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ原子がほぼそのまま基板Ｓ１に到達する通常のスパッタリングである。
4-1. Physical sputtering Physical sputtering is ordinary sputtering in which Ga atoms protruding from the target T1 reach the substrate S1 almost as they are.
基板Ｓ１としてサファイア基板を用いる場合について説明する。ただし、サファイア基板の代わりに別の基板を用いてもよい。ここで、ターゲットＴ１は、Ｇａである。第１のガスは、アルゴンガスである。第２のガスは、窒素ガスである。また、基板Ｓ１は、その表面にＡｌＮバッファ層を有するとよい。このような条件で、サファイア基板の上にＧａＮ層を成膜する。 A case where a sapphire substrate is used as the substrate S1 will be described. However, another substrate may be used instead of the sapphire substrate. Here, the target T1 is Ga. The first gas is argon gas. The second gas is nitrogen gas. Further, the substrate S1 may have an AlN buffer layer on its surface. Under such conditions, a GaN layer is formed on the sapphire substrate.
第１の電位付与部１４０は、ターゲットＴ１に高周波電位を付与する。その際に、第１のガス供給部１５０は、第１のガスを第１室１００に供給する。そのため、ターゲットＴ１の周囲にプラズマが発生する。第１室１００におけるターゲット収容部１１０と区画部３００との間の領域は、第１のプラズマ生成領域である。このように、第１室１００は、第１のプラズマ生成領域を有する。第１のプラズマ生成領域に発生するプラズマは、第１のガスに由来するイオンまたは粒子をターゲットＴ１に照射し、ターゲットＴ１からＧａ粒子を飛び出させる。 The first potential applying unit 140 applies a high frequency potential to the target T1. At that time, the first gas supply unit 150 supplies the first gas to the first chamber 100. Therefore, plasma is generated around the target T1. The region between the target accommodating portion 110 and the compartment 300 in the first chamber 100 is the first plasma generation region. As described above, the first chamber 100 has a first plasma generation region. The plasma generated in the first plasma generation region irradiates the target T1 with ions or particles derived from the first gas, and causes Ga particles to pop out from the target T1.
第２の電位付与部２４０は、プラズマ発生装置２３０に高周波電位を付与する。その際に、第２のガス供給部２５０は、第２のガスを第２室２００に供給する。そのため、プラズマ発生装置２３０の内部にプラズマが発生する。第２のガスは、このプラズマの内部を通過する際に電離される。そして、第２室２００に供給された第２のガスは、プラズマガスの状態で基板支持部２１０と区画部３００との間に供給される。そのため、第２室２００における基板支持部２１０と区画部３００との間の領域は、第２のプラズマ生成領域である。このように、第２室２００は、第２のプラズマ生成領域を有する。第２のプラズマ生成領域に横たわるプラズマは、窒素原子に由来する粒子を有する。窒素原子に由来する粒子とは、窒素イオン、窒素ラジカル、またはこれらの励起状態である。 The second potential applying unit 240 applies a high frequency potential to the plasma generator 230. At that time, the second gas supply unit 250 supplies the second gas to the second chamber 200. Therefore, plasma is generated inside the plasma generator 230. The second gas is ionized as it passes through the interior of this plasma. Then, the second gas supplied to the second chamber 200 is supplied between the substrate support portion 210 and the partition portion 300 in the state of plasma gas. Therefore, the region between the substrate support portion 210 and the partition portion 300 in the second chamber 200 is the second plasma generation region. As described above, the second chamber 200 has a second plasma generation region. The plasma lying in the second plasma generation region has particles derived from nitrogen atoms. Particles derived from nitrogen atoms are nitrogen ions, nitrogen radicals, or excited states thereof.
ターゲットＴ１から飛び出したＧａ粒子は、筒形状部３３０を通過して開口部材３４０の貫通孔３４１を通過する。つまり、Ｇａ粒子は、第１室１００から第２室２００に進入し、基板Ｓ１に向かって飛翔する。Ｇａ粒子は、窒素ガスやアルゴンガスとほとんど衝突しないため、高い運動エネルギーで基板Ｓ１に突入する。そのため、基板Ｓ１に到達したＧａ粒子は、基板Ｓ１の上を好適に動き回る。 The Ga particles protruding from the target T1 pass through the tubular portion 330 and pass through the through hole 341 of the opening member 340. That is, the Ga particles enter the first chamber 100 to the second chamber 200 and fly toward the substrate S1. Since Ga particles hardly collide with nitrogen gas or argon gas, they rush into the substrate S1 with high kinetic energy. Therefore, the Ga particles that have reached the substrate S1 move around preferably on the substrate S1.
一方、窒素原子に由来する粒子は、基板Ｓ１と開口部材３４０とが対向する空間に拡散する。窒素原子に由来する粒子は、基板Ｓ１の上で動き回っているＧａ粒子と結合し、基板Ｓ１の上にＧａＮ層が成膜される。 On the other hand, the particles derived from the nitrogen atom diffuse into the space where the substrate S1 and the opening member 340 face each other. The particles derived from the nitrogen atom are bonded to the Ga particles moving around on the substrate S1, and a GaN layer is formed on the substrate S1.
第１室１００および第２室２００の内圧は、０．１Ｐａ以上２０Ｐａ以下の範囲内である。基板温度は、例えば、３００℃以上８００℃以下である。もちろん、上記以外の数値範囲であってもよい。 The internal pressures of the first chamber 100 and the second chamber 200 are in the range of 0.1 Pa or more and 20 Pa or less. The substrate temperature is, for example, 300 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. Of course, it may be in a numerical range other than the above.
４−２．反応性スパッタリング
反応性スパッタリングとは、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ原子の一部がＣｌ原子と反応し、基板Ｓ１に到達するスパッタリングである。なお、多くのＧａ原子はＣｌ原子と反応することなく基板Ｓ１に到達する。つまり、一部のＧａ粒子は、後述するようにガリウム塩化物の中間状態を経た後にＧａＮを形成する。
4-2. Reactive sputtering Reactive sputtering is sputtering in which a part of Ga atoms protruding from the target T1 reacts with Cl atoms and reaches the substrate S1. Many Ga atoms reach the substrate S1 without reacting with Cl atoms. That is, some Ga particles form GaN after passing through the intermediate state of gallium chloride as described later.
第１のガス供給部１５０は、第１のガスとしてアルゴンガスと塩素ガス（Ｃｌ2 ）とを含むガスを供給する。第２のガス供給部２５０は、第２のガスとして窒素ガスと水素ガスとを含むガスを供給する。ここでターゲットＴ１はＧａターゲットである。 The first gas supply unit 150 supplies a gas containing argon gas and chlorine gas (Cl 2 ) as the first gas. The second gas supply unit 250 supplies a gas containing nitrogen gas and hydrogen gas as the second gas. Here, the target T1 is a Ga target.
塩素ガスは、第１のプラズマ生成領域でプラズマ化される。そして、塩素原子に由来する粒子（塩素分子、塩素原子、塩素ラジカルを含む）は、Ｇａターゲットに衝突する。そして、Ｇａターゲットは、塩素原子に由来する粒子と反応してＧａＣｌｘ（ガリウム塩化物）を生成する。そしてＧａＣｌｘの粒子が飛び出す。飛び出したＧａＣｌｘ粒子は、基板Ｓ１に向かって飛翔する。そして、ＧａＣｌｘ粒子は、第２のプラズマ生成領域の窒素原子に由来する粒子と反応する。ここで、窒素原子に由来する粒子は、ＮＨ、ＮＨ2 等の窒化水素およびこれらの励起状態等を含む。これにより、基板Ｓ１の上にＧａＮ層が成膜される。 Chlorine gas is turned into plasma in the first plasma generation region. Then, the particles derived from the chlorine atom (including the chlorine molecule, the chlorine atom, and the chlorine radical) collide with the Ga target. The Ga target then reacts with particles derived from chlorine atoms to produce GaClx (gallium chloride). Then, GaClx particles pop out. The GaClx particles that have jumped out fly toward the substrate S1. The GaClx particles then react with the particles derived from the nitrogen atom in the second plasma generation region. Here, the particles derived from the nitrogen atom include hydrogen nitrides such as NH and NH 2 and their excited states. As a result, a GaN layer is formed on the substrate S1.
なお、第２のプラズマ生成領域に含まれる粒子が、Ｇａ原子とＣｌ原子との間の結合を断ち切る。この過程に伴い低温成膜条件では、基板Ｓ１の上のＧａＮ層は、Ｃｌ原子をわずかに含む。また、ＧａＮ層は、Ｈ原子をわずかに含む。 The particles contained in the second plasma generation region break the bond between the Ga atom and the Cl atom. Along with this process, under low temperature film formation conditions, the GaN layer on the substrate S1 contains a small amount of Cl atoms. Further, the GaN layer contains a small amount of H atoms.
第１のガスに占める塩素ガスの流量は、体積比で０．１％以上１％以下であるとよい。 The flow rate of chlorine gas in the first gas is preferably 0.1% or more and 1% or less in terms of volume ratio.
５．半導体の製造方法
５−１．基板準備工程
基板Ｓ１を準備する。基板Ｓ１は、表面にバッファ層２０を形成されたテンプレート基板である。そして、基板Ｓ１を成膜装置１０００の内部に配置する。また、基板Ｓ１の表面をクリーニングするとよい。そのために例えば、水素ガスまたはプラズマ化した水素ガスを用いるとよい。
5. Semiconductor manufacturing method 5-1. Substrate preparation step The substrate S1 is prepared. The substrate S1 is a template substrate having a buffer layer 20 formed on its surface. Then, the substrate S1 is arranged inside the film forming apparatus 1000. Further, it is advisable to clean the surface of the substrate S1. Therefore, for example, hydrogen gas or plasma-generated hydrogen gas may be used.
５−２．第１半導体層形成工程（第１の工程）
成膜装置１０００の内部で、反応性スパッタリング法により基板Ｓ１のバッファ層２０の上に第１半導体層３０を形成する。具体的には、第１のガス供給部１５０は、第１のガスとしてアルゴンガスと塩素ガス（Ｃｌ2 ）とを含むガスを供給する。第２のガス供給部２５０は、第２のガスとして窒素ガスと水素ガスとを含むガスを供給する。第１のガスはプラズマ化されてＧａターゲットからＧａ原子をたたき出す。Ｇａ原子はＣｌ原子と反応してガリウム塩化物を生成する。ガリウム塩化物は基板Ｓ１の表面に到達するとともにプラズマ化した第２のガスと反応することにより、ＧａＮが発生する。このようにして、バッファ層２０の上に第１半導体層３０が形成される。
5-2. First semiconductor layer forming step (first step)
Inside the film forming apparatus 1000, the first semiconductor layer 30 is formed on the buffer layer 20 of the substrate S1 by the reactive sputtering method. Specifically, the first gas supply unit 150 supplies a gas containing argon gas and chlorine gas (Cl 2 ) as the first gas. The second gas supply unit 250 supplies a gas containing nitrogen gas and hydrogen gas as the second gas. The first gas is turned into plasma and knocks out Ga atoms from the Ga target. The Ga atom reacts with the Cl atom to produce gallium chloride. GaN is generated by the gallium chloride reaching the surface of the substrate S1 and reacting with the second gas that has been turned into plasma. In this way, the first semiconductor layer 30 is formed on the buffer layer 20.
このように第１の工程では、塩素ガスとアルゴンガスとを含む第１のガスをプラズマ化してターゲットからＧａ原子を飛翔させるとともにＧａ原子とＣｌ原子とを反応させて基板Ｓ１に供給し、窒素ガスと水素ガスとを含む第２のガスをプラズマ化して基板Ｓ１に供給することにより第１半導体層３０を成膜する。 As described above, in the first step, the first gas containing chlorine gas and argon gas is turned into plasma to fly Ga atoms from the target, and Ga atoms and Cl atoms are reacted and supplied to the substrate S1 to supply nitrogen. The first semiconductor layer 30 is formed by converting a second gas containing gas and hydrogen gas into plasma and supplying it to the substrate S1.
５−３．第２半導体層形成工程（第２の工程）
成膜装置１０００の内部で、物理的スパッタリング法により第１半導体層３０の上に第２半導体層４０を形成する。具体的には、第１のガス供給部１５０は、第１のガスとしてアルゴンガスを供給する。第２のガス供給部２５０は、第２のガスとして窒素ガスを供給する。第１のガスはプラズマ化されてＧａターゲットからＧａ原子をたたき出す。Ｇａ原子は、第１半導体層３０または成膜途中の第２半導体層４０の表面を動き回る。そして、プラズマ化された窒素ガスがＧａ原子と結合する。このようにして、第１半導体層３０の上に第２半導体層４０が形成される。
5-3. Second semiconductor layer forming step (second step)
Inside the film forming apparatus 1000, the second semiconductor layer 40 is formed on the first semiconductor layer 30 by a physical sputtering method. Specifically, the first gas supply unit 150 supplies argon gas as the first gas. The second gas supply unit 250 supplies nitrogen gas as the second gas. The first gas is turned into plasma and knocks out Ga atoms from the Ga target. Ga atoms move around on the surface of the first semiconductor layer 30 or the second semiconductor layer 40 in the middle of film formation. Then, the plasmaized nitrogen gas is bonded to the Ga atom. In this way, the second semiconductor layer 40 is formed on the first semiconductor layer 30.
このように第２の工程では、アルゴンガスをプラズマ化してＧａターゲットからＧａ原子を基板Ｓ１に供給するとともに、窒素ガスをプラズマ化して基板Ｓ１に供給することにより第２半導体層４０を成膜する。 As described above, in the second step, the argon gas is turned into plasma and the Ga atoms are supplied from the Ga target to the substrate S1, and the nitrogen gas is turned into plasma and supplied to the substrate S1 to form the second semiconductor layer 40. ..
５−４．その他の半導体層形成工程
次に、第２半導体層４０の上にｎ型クラッド層Ａ５０と、活性層Ａ６０と、ｐ型クラッド層Ａ７０と、ｐ型コンタクト層Ａ８０と、をこの順序で形成する。この際には、成膜装置１０００を用いてもよいし、ＭＯＣＶＤ炉等その他の成膜装置を用いてもよい。
5-4. Other Semiconductor Layer Forming Steps Next, an n-type clad layer A50, an active layer A60, a p-type clad layer A70, and a p-type contact layer A80 are formed on the second semiconductor layer 40 in this order. In this case, the film forming apparatus 1000 may be used, or another film forming apparatus such as a MOCVD furnace may be used.
５−５．電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層Ａ８０からｎ型クラッド層Ａ５０の一部が露出するまで凹部を形成する。ｎ型クラッド層Ａ５０の上にｎ電極Ｎ１を形成する。ｐ型コンタクト層Ａ８０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。
5-5. Electrode forming step Next, a recess is formed from the p-type contact layer A80 until a part of the n-type clad layer A50 is exposed. The n electrode N1 is formed on the n-type clad layer A50. The p electrode P1 is formed on the p-type contact layer A80.
５−６．その他の工程
半導体層を形成済みの基板Ｓ１をチップサイズに切り出す分離工程や、熱処理工程等を適宜実施してもよい。以上により、半導体レーザー素子Ａ１が製造される。
5-6. Other Steps A separation step of cutting out the substrate S1 on which the semiconductor layer has been formed into a chip size, a heat treatment step, and the like may be appropriately performed. As described above, the semiconductor laser element A1 is manufactured.
６．本実施形態の効果
６−１．表面の平坦性
本実施形態では、基板Ｓ１の上に第１半導体層３０を形成し、第１半導体層３０の上に第２半導体層４０を形成する。このため、第２半導体層４０の表面は平坦である。第１半導体層３０を成膜することなく、第２半導体層４０を成膜する場合には、第２半導体層４０の表面は平坦ではない。
6. Effect of this embodiment 6-1. Surface Flatness In the present embodiment, the first semiconductor layer 30 is formed on the substrate S1 and the second semiconductor layer 40 is formed on the first semiconductor layer 30. Therefore, the surface of the second semiconductor layer 40 is flat. When the second semiconductor layer 40 is formed without forming the first semiconductor layer 30, the surface of the second semiconductor layer 40 is not flat.
６−２．Ｇａ原子の運動エネルギー
本実施形態では、開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離が十分に小さい。そのため、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ原子が第２室２００でアルゴンガスおよび窒素ガスと衝突する回数は、少ない。したがって、Ｇａ原子が基板Ｓ１に衝突する際の運動エネルギーは十分に大きい。そのため、Ｇａ原子は基板Ｓ１の表面上または半導体層の表面上を動き回ることができる。その結果、面内に均一な結晶性に優れた半導体層が成膜されることとなる。ここで、Ｇａ原子の運動エネルギーが小さいと、Ｇａ原子が基板Ｓ１の表面を十分に動き回ることが出来ない。その場合には停止状態に近いＧａ粒子を核にしてＧａＮが３次元成長しやすく、結晶性に優れた半導体層を成長させることは困難である。
6-2. Kinetic energy of Ga atoms In this embodiment, the distance between the opening member 340 and the substrate S1 is sufficiently small. Therefore, the number of times the Ga atom protruding from the target T1 collides with the argon gas and the nitrogen gas in the second chamber 200 is small. Therefore, the kinetic energy when the Ga atom collides with the substrate S1 is sufficiently large. Therefore, Ga atoms can move around on the surface of the substrate S1 or on the surface of the semiconductor layer. As a result, a uniform semiconductor layer having excellent crystallinity is formed in the plane. Here, if the kinetic energy of the Ga atom is small, the Ga atom cannot sufficiently move around the surface of the substrate S1. In that case, GaN easily grows three-dimensionally around Ga particles that are close to a stationary state, and it is difficult to grow a semiconductor layer having excellent crystallinity.
６−３．空間中でのＧａＮの合成の抑制
本実施形態では、開口部材３４０と基板Ｓ１との間の距離が十分に小さい。そのため、Ｇａ原子と窒素原子を含む粒子との衝突回数が少ない。つまり、Ｇａ原子と窒素原子を含む粒子とが反応して基板Ｓ１と離れた位置でＧａＮの化合物を生成する割合が小さい。また、基板Ｓ１の板面が鉛直下方に向いているため、このようなＧａＮの化合物が基板Ｓ１に堆積しにくい。
6-3. Suppression of GaN synthesis in space In this embodiment, the distance between the opening member 340 and the substrate S1 is sufficiently small. Therefore, the number of collisions between the Ga atom and the particle containing the nitrogen atom is small. That is, the ratio of the Ga atom and the particles containing the nitrogen atom reacting to form a GaN compound at a position distant from the substrate S1 is small. Further, since the plate surface of the substrate S1 faces vertically downward, such a GaN compound is unlikely to be deposited on the substrate S1.
６−４．窒素原子を含む粒子の隔離
本実施形態の成膜装置１０００は、開口部材３４０を有する。開口部材３４０における貫通孔３４１以外の部分は、窒素原子に由来する粒子の透過を防止する。つまり、窒素原子に由来する粒子が第１室１００に入りにくい。そのため、ターゲットＴ１から飛び出したＧａ粒子が第１室１００で窒素原子に由来する粒子と衝突することが抑制される。また、ターゲットＴ１が窒化されることを抑制することができる。
6-4. Isolation of Particles Containing Nitrogen Atoms The film forming apparatus 1000 of the present embodiment has an opening member 340. The portion of the opening member 340 other than the through hole 341 prevents the permeation of particles derived from nitrogen atoms. That is, it is difficult for particles derived from nitrogen atoms to enter the first chamber 100. Therefore, it is suppressed that the Ga particles protruding from the target T1 collide with the particles derived from the nitrogen atom in the first chamber 100. In addition, it is possible to prevent the target T1 from being nitrided.
６−５．ガスの選択
本実施形態では、ターゲットＴ１から粒子を飛び出させる第１室１００と、基板Ｓ１の上に成膜する第２室２００とが、別々に設けられている。そのため、ターゲット収容部１１０を有する第１室１００と、基板支持部２１０を有する第２室２００とに、異なるガスを供給することができる。そのため、ターゲットＴ１が収容されている第１室１００の内部に、ターゲットＴ１と反応しにくいガスを選択して供給することができる。貫通孔３４１を介して第２室２００から第１室１００にガスが流入するおそれがあるが、その流量は非常に少ない。これにより、ターゲットＴ１の表面でターゲットＴ１が供給ガスと反応することを抑制することができる。
6-5. Gas Selection In the present embodiment, the first chamber 100 for ejecting particles from the target T1 and the second chamber 200 for forming a film on the substrate S1 are separately provided. Therefore, different gases can be supplied to the first chamber 100 having the target accommodating portion 110 and the second chamber 200 having the substrate support portion 210. Therefore, a gas that does not easily react with the target T1 can be selectively supplied to the inside of the first chamber 100 in which the target T1 is housed. Gas may flow from the second chamber 200 to the first chamber 100 through the through hole 341, but the flow rate is very small. As a result, it is possible to suppress the reaction of the target T1 with the supply gas on the surface of the target T1.
６−６．プラズマ生成領域の分離
また、本実施形態では、ターゲットＴ１から粒子を飛び出させるための第１のプラズマ生成領域と、成膜に用いられるプラズマガスを含む第２のプラズマ生成領域とが、別々に発生する。そのため、第１のプラズマ生成領域のプラズマと、第２のプラズマ生成領域のプラズマとを、別々に制御することができる。例えば、第１のプラズマ生成領域を生成するための電力を強くすることにより、ターゲットＴ１からの粒子を増やすとともに、粒子の運動エネルギーを高くすることができる。そのため、ターゲットＴ１からの粒子の数と、第２のガスに由来する粒子の数とを調整できる可能性がある。したがって、スパッタ収率の向上や、薄膜の結晶性の向上が期待される。
6-6. Separation of Plasma Generation Region In addition, in the present embodiment, a first plasma generation region for ejecting particles from the target T1 and a second plasma generation region containing plasma gas used for film formation are separately generated. To do. Therefore, the plasma in the first plasma generation region and the plasma in the second plasma generation region can be controlled separately. For example, by increasing the electric power for generating the first plasma generation region, the number of particles from the target T1 can be increased and the kinetic energy of the particles can be increased. Therefore, there is a possibility that the number of particles from the target T1 and the number of particles derived from the second gas can be adjusted. Therefore, it is expected that the sputtering yield will be improved and the crystallinity of the thin film will be improved.
７．変形例
７−１．半導体装置の種類
第１の実施形態の半導体装置は半導体レーザー素子Ａ１である。しかし、第１の実施形態の技術をその他の半導体装置に適用することができる。
7. Modification 7-1. Types of Semiconductor Devices The semiconductor device of the first embodiment is a semiconductor laser device A1. However, the technique of the first embodiment can be applied to other semiconductor devices.
図４は、第１の実施形態の変形例におけるＨＥＭＴ素子Ｂ１を示す概略構成図である。ＨＥＭＴ素子Ｂ１は、基板１０と、バッファ層２０と、第１半導体層３０と、第２半導体層４０と、チャネル層Ｂ５０と、バリア層Ｂ６０と、ソース電極ＳＥ１と、ゲート電極ＧＥ１と、ドレイン電極ＤＥ１と、を有する。チャネル層Ｂ５０は、例えば、ＧａＮ層である。バリア層Ｂ６０は、例えば、ＡｌＧａＮ層である。 FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a HEMT element B1 in a modified example of the first embodiment. The HEMT element B1 includes a substrate 10, a buffer layer 20, a first semiconductor layer 30, a second semiconductor layer 40, a channel layer B50, a barrier layer B60, a source electrode SE1, a gate electrode GE1, and a drain electrode. It has DE1 and. The channel layer B50 is, for example, a GaN layer. The barrier layer B60 is, for example, an AlGaN layer.
このように、種々の半導体装置に第１の実施形態の技術を適用することができる。 In this way, the technique of the first embodiment can be applied to various semiconductor devices.
７−２．第１の工程と第２の工程との連続実施
なお、第１の工程と第２の工程とを同じ成膜装置１０００の内部で連続して実施してもよい。第１半導体層３０の表面が酸化されないからである。そのため、第２半導体層４０の表面の平坦性は向上する。
7-2. Continuous implementation of the first step and the second step The first step and the second step may be continuously implemented inside the same film forming apparatus 1000. This is because the surface of the first semiconductor layer 30 is not oxidized. Therefore, the flatness of the surface of the second semiconductor layer 40 is improved.
７−３．バッファ層形成工程
本実施形態では既にバッファ層２０を形成済みの基板を用いている。バッファ層を有さない基板を用いる場合には、第１の工程の前にバッファ層２０を形成するバッファ層形成工程を実施してもよい。
7-3. Buffer layer forming step In this embodiment, a substrate on which the buffer layer 20 has already been formed is used. When a substrate having no buffer layer is used, a buffer layer forming step of forming the buffer layer 20 may be performed before the first step.
７−４．ターゲット
本実施形態ではＧａターゲットを用いる。Ｇａターゲットの代わりに、その他のIII 族原子のターゲットを用いてもよい。例えば、Ａｌ、Ｉｎ等が挙げられる。
7-4. Target In this embodiment, a Ga target is used. Instead of the Ga target, a target of another Group III atom may be used. For example, Al, In and the like can be mentioned.
７−５．複数の第１室
本実施形態では、成膜装置１０００は、１つの第１室１００を有する。しかし、成膜装置１０００は、複数の第１室１００を有していてもよい。例えば、成膜装置１０００は、Ｇａターゲットを有する第１室１００と、Ａｌターゲットを有する第１室１００と、を有するとよい。その場合には、基板Ｓ１の上にＡｌＧａＮ層を成膜することができる。もちろん、成膜装置１０００は、３以上の第１室１００を有していてもよい。
7-5. Multiple First Chambers In this embodiment, the film forming apparatus 1000 has one first chamber 100. However, the film forming apparatus 1000 may have a plurality of first chambers 100. For example, the film forming apparatus 1000 may have a first chamber 100 having a Ga target and a first chamber 100 having an Al target. In that case, an AlGaN layer can be formed on the substrate S1. Of course, the film forming apparatus 1000 may have three or more first chambers 100.
７−６．希ガス
アルゴンガスの代わりにＨｅ、Ｎｅ等のその他の希ガスを用いてもよい。
7-6. Rare gas Other rare gases such as He and Ne may be used instead of the argon gas.
７−７．反応性スパッタリングにおける第１のガス
反応性スパッタリングにおける第１のガスとして、塩素ガスの代わりに臭素等のその他のハロゲンを含むガスを用いてもよい。その場合には、Ｇａとハロゲンとの反応生成物が基板Ｓ１に輸送される。また、第１のガスは、メチル等の有機分子を含んでいてもよい。
7-7. First Gas in Reactive Sputtering As the first gas in reactive sputtering, a gas containing other halogens such as bromine may be used instead of chlorine gas. In that case, the reaction product of Ga and halogen is transported to the substrate S1. Further, the first gas may contain an organic molecule such as methyl.
７−８．物理的スパッタリングにおける第２のガス
本実施形態の物理的スパッタリングでは、第２のガスは水素ガスを含まない。しかし、物理的スパッタリングにおいても、第２のガスは水素ガスを含んでよい場合がある。第２のガスが、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスであるとよい。この場合には、プラズマ発生装置２３０によりＮＨが生成される。この場合にはＮＨが、ＧａＮ層の成膜に寄与するものと考えられる。
7-8. Second Gas in Physical Sputtering In the physical sputtering of the present embodiment, the second gas does not contain hydrogen gas. However, even in physical sputtering, the second gas may contain hydrogen gas. The second gas may be a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas. In this case, NH is generated by the plasma generator 230. In this case, NH is considered to contribute to the formation of the GaN layer.
７−９．その他のガスの種類
また、第２のガスは、アルゴンガスを含んでいてもよい。このように、第１のガスおよび第２のガスは、２種類以上のガスの混合ガスであってもよい。ただし、第１のガスは、ターゲットＴ１と反応しやすいガスを含まないことが好ましい。そして、第１のガスは、ターゲットＴ１から粒子を放出させるためのものである。第２のガスは、ターゲットＴ１から放出される粒子と反応する粒子を含む。そのため、成膜する材料の種類に応じて適宜選択してもよい。
7-9. Other Gas Types The second gas may also contain argon gas. As described above, the first gas and the second gas may be a mixed gas of two or more kinds of gases. However, it is preferable that the first gas does not contain a gas that easily reacts with the target T1. The first gas is for releasing particles from the target T1. The second gas contains particles that react with the particles released from the target T1. Therefore, it may be appropriately selected depending on the type of material to be formed.
７−１０．筒形状部の形状
本実施形態の筒形状部３３０は円筒形状である。筒形状部３３０は多角形の筒形状であってもよい。ターゲットＴ１から飛び出したＧａ粒子が基板Ｓ１に向かって飛翔することを妨げなければよいからである。
7-10. Shape of tubular portion The tubular portion 330 of the present embodiment has a cylindrical shape. The tubular portion 330 may have a polygonal tubular shape. This is because the Ga particles ejected from the target T1 should not be prevented from flying toward the substrate S1.
７−１１．貫通孔
開口部材３４０の貫通孔３４１の形状は円形である。貫通孔３４１の形状は、直径１ｍｍの円より大きい多角形であってもよい。また、貫通孔３４１の配置はハニカム状以外の配置であってもよい。
7-11. Through hole The shape of the through hole 341 of the opening member 340 is circular. The shape of the through hole 341 may be a polygon larger than a circle having a diameter of 1 mm. Further, the arrangement of the through holes 341 may be an arrangement other than the honeycomb shape.
７−１２．シャッター
成膜装置１０００は、貫通孔３４１を開閉するシャッターを有していてもよい。シャッターは、貫通孔３４１を開放状態と閉鎖状態とのいずれかの状態にする開閉部である。シャッターは、上記のように複数の第１室１００を有する場合に有効である。つまり、複数の第１室１００は、それぞれ貫通孔およびシャッターを有する。これにより、基板Ｓ１の上にＡｌターゲットからＡｌＮを成膜し、ＧａターゲットからＧａＮを成膜し、ＡｌターゲットおよびＧａターゲットからＡｌＧａＮを成膜することができる。
7-12. The shutter film forming apparatus 1000 may have a shutter that opens and closes the through hole 341. The shutter is an opening / closing portion that sets the through hole 341 in either an open state or a closed state. The shutter is effective when it has a plurality of first chambers 100 as described above. That is, each of the plurality of first chambers 100 has a through hole and a shutter. As a result, AlN can be formed from the Al target, GaN can be formed from the Ga target, and AlGaN can be formed from the Al target and the Ga target on the substrate S1.
７−１３．第１室および第２室の内圧
第２室２００の内圧を第１室１００の内圧よりも低くしてもよい。第２室２００の内部の第２のプラズマ生成領域の粒子が、第１室１００の内部にさらに流入しにくいからである。
7-13. Internal pressure of the first chamber and the second chamber The internal pressure of the second chamber 200 may be lower than the internal pressure of the first chamber 100. This is because the particles in the second plasma generation region inside the second chamber 200 are less likely to flow into the inside of the first chamber 100.
７−１４．第１の電位付与部
本実施形態では、第１の電位付与部１４０は、ターゲット収容部１１０に高周波電位を付与する。第１の電位付与部１４０は、ターゲット収容部１１０にパルス電位を付与してもよい。また、第１の電位付与部１４０は、ターゲット収容部１１０に定電位を付与してもよい。この場合には、ターゲットＴ１と区画部３００との間に直流電圧が加わる。
7-14. First Potential Applying Unit In the present embodiment, the first potential applying unit 140 applies a high frequency potential to the target accommodating unit 110. The first potential applying unit 140 may apply a pulse potential to the target accommodating unit 110. Further, the first potential applying unit 140 may apply a constant potential to the target accommodating unit 110. In this case, a DC voltage is applied between the target T1 and the partition 300.
７−１５．基板支持部
基板支持部２１０は、回転できるようになっていてもよい。また、基板支持部２１０に高周波電位または定電位を付与する第３の電位付与部を有していてもよい。
7-15. Substrate support The substrate support 210 may be rotatable. Further, the substrate support portion 210 may have a third potential applying portion that applies a high frequency potential or a constant potential.
７−１６．プラズマ発生装置
プラズマ発生装置２３０としてＩＣＰ装置を用いた場合について説明する。その場合には、ＩＣＰ装置にイオンフィルタを装着してもよい。これにより、窒素イオンが基板Ｓ１に損傷を与えることを抑制できる。
7-16. Plasma generator A case where an ICP device is used as the plasma generator 230 will be described. In that case, an ion filter may be attached to the ICP device. As a result, it is possible to prevent nitrogen ions from damaging the substrate S1.
７−１７．ターゲット収容部支持部の磁石
本実施形態では、ターゲット収容部支持部１２０は、磁石を有している。ターゲット収容部支持部１２０は、磁石を有さなくてもよい。
7-17. Magnet of target accommodating portion support portion In the present embodiment, the target accommodating portion support portion 120 has a magnet. The target accommodating portion support portion 120 does not have to have a magnet.
７−１８．粒子のタイミング制御
また、第１室１００から供給される粒子と、第２室２００から供給される粒子とを制御してもよい。例えば、第１の電位付与部１４０が第１のプラズマ生成領域にプラズマを生成している期間内に第２の電位付与部２４０は第２のプラズマ生成領域にプラズマを生成せず、第１の電位付与部１４０が第１のプラズマ生成領域にプラズマを生成していない期間内に第２の電位付与部２４０が第２のプラズマ生成領域にプラズマを生成する。つまり、第１のプラズマ生成領域と第２のプラズマ生成領域とに交互にプラズマを生成する。これにより、第１室１００から基板Ｓ１に向かう粒子と、第２室２００から基板Ｓ１に向かう粒子とを交互に生成する。また、第１のガス供給部１５０が第１のガスを供給するタイミングと、第２のガス供給部２５０が第２のガスを供給するタイミングとを交互にずらしてもよい。
7-18. Particle timing control Further, the particles supplied from the first chamber 100 and the particles supplied from the second chamber 200 may be controlled. For example, during the period in which the first potential applying unit 140 is generating plasma in the first plasma generation region, the second potential applying unit 240 does not generate plasma in the second plasma generation region, and the first The second potential applying unit 240 generates plasma in the second plasma generation region within the period in which the potential applying unit 140 does not generate plasma in the first plasma generation region. That is, plasma is alternately generated in the first plasma generation region and the second plasma generation region. As a result, particles from the first chamber 100 toward the substrate S1 and particles from the second chamber 200 toward the substrate S1 are alternately generated. Further, the timing at which the first gas supply unit 150 supplies the first gas and the timing at which the second gas supply unit 250 supplies the second gas may be alternately shifted.
７−１９．基板の種類
本実施形態の基板Ｓ１はサファイア基板である。基板Ｓ１は、Ｓｉ（１１１）基板等のその他の基板であってもよい。
7-19. Types of Substrate The substrate S1 of this embodiment is a sapphire substrate. The substrate S1 may be another substrate such as a Si (111) substrate.
７−２０．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
7-20. Combination The above modified examples may be freely combined.
（実験）
１．サンプルの種類
基板Ｓ１として、ＡｌＮバッファ層を形成済みのサファイア基板を用いた。そして、３種類のサンプルを製造した。図５は、第１のサンプルＪ１および第２のサンプルＪ２の積層構造を示す図である。図６は、第３のサンプルＪ３の積層構造を示す図である。図５に示すように、第１のサンプルＪ１および第２のサンプルＪ２においては、第１半導体層３０および第２半導体層４０を形成した。第３のサンプルＪ３においては、第１半導体層３０を形成せずに、バッファ層の上に第２半導体層４０を形成した。表１に３種類のサンプルにおける第１半導体層３０の膜厚を示す。
(Experiment)
1. 1. Sample type As the substrate S1, a sapphire substrate on which an AlN buffer layer was already formed was used. Then, three kinds of samples were produced. FIG. 5 is a diagram showing a laminated structure of the first sample J1 and the second sample J2. FIG. 6 is a diagram showing a laminated structure of the third sample J3. As shown in FIG. 5, in the first sample J1 and the second sample J2, the first semiconductor layer 30 and the second semiconductor layer 40 were formed. In the third sample J3, the second semiconductor layer 40 was formed on the buffer layer without forming the first semiconductor layer 30. Table 1 shows the film thickness of the first semiconductor layer 30 in the three types of samples.
［表１］
サンプル 第１半導体層の膜厚
サンプルＪ１ ４４ｎｍ
サンプルＪ２ １５ｎｍ
サンプルＪ３ ０ｎｍ
[Table 1]
Sample film thickness of the first semiconductor layer Sample J1 44 nm
Sample J2 15 nm
Sample J30 nm
２．成膜装置の成膜条件
ターゲットＴ１としてＧａを用いた。そのため、粒状のＧａを１００℃で加熱することにより液化し、成膜時には冷却部１３０の冷却水で冷却した。冷却水の温度は１０℃であった。第１の電位付与部１４０の電力は１００Ｗであった。第１の電位付与部１４０の周波数は１３．５６ＭＨｚであった。プラズマ発生装置２３０は、ＩＣＰ装置である。ＩＣＰ装置の電力は１０００Ｗであった。ＩＣＰ装置の周波数は１３．５６ＭＨｚであった。第１室１００および第２室２００の内圧は２Ｐａであった。加熱部２２０の温度、すなわち基板温度は、６００℃であった。
2. 2. Film formation conditions of the film forming apparatus Ga was used as the target T1. Therefore, the granular Ga was liquefied by heating at 100 ° C., and cooled with the cooling water of the cooling unit 130 at the time of film formation. The temperature of the cooling water was 10 ° C. The electric power of the first potential applying unit 140 was 100 W. The frequency of the first potential applying unit 140 was 13.56 MHz. The plasma generator 230 is an ICP device. The power of the ICP device was 1000 W. The frequency of the ICP device was 13.56 MHz. The internal pressure of the first chamber 100 and the second chamber 200 was 2 Pa. The temperature of the heating unit 220, that is, the substrate temperature was 600 ° C.
第１半導体層３０を成膜する際には、第１のガスとしてアルゴンガスを３９．８ｓｃｃｍ、塩素ガス０．２ｓｃｃｍ流した。第２のガスとして窒素ガスを９ｓｃｃｍ、水素ガスを１ｓｃｃｍ流した。この場合には、Ｃｌ原子がＧａ原子と反応するため、成膜方法は反応性スパッタリング法である。 When the first semiconductor layer 30 was formed, argon gas was flowed as the first gas by 39.8 sccm and chlorine gas by 0.2 sccm. As the second gas, 9 sccm of nitrogen gas and 1 sccm of hydrogen gas were flowed. In this case, since the Cl atom reacts with the Ga atom, the film forming method is a reactive sputtering method.
第２半導体層４０を成膜する際には、第１のガスとしてアルゴンガスを４０．０ｓｃｃｍ流した。第２のガスとして窒素ガスを１０ｓｃｃｍ流した。この場合には、Ｇａ原子は基板またはその表面層に到達するため、成膜方法は物理的スパッタリング法である。 When the second semiconductor layer 40 was formed, argon gas was flowed as the first gas by 40.0 sccm. Nitrogen gas was flowed as a second gas by 10 sccm. In this case, since Ga atoms reach the substrate or its surface layer, the film forming method is a physical sputtering method.
第１半導体層３０と第２半導体層４０とを成膜する合計の時間は６０分であった。つまり、サンプルＪ１では、第１半導体層３０を３分間成膜した後、第２半導体層４０を５７分間成膜した。サンプルＪ２では、第１半導体層３０を１分間成膜した後、第２半導体層４０を５９分間成膜した。サンプルＪ３では、第２半導体層４０を６０分間成膜した。 The total time for forming the first semiconductor layer 30 and the second semiconductor layer 40 was 60 minutes. That is, in sample J1, the first semiconductor layer 30 was formed for 3 minutes, and then the second semiconductor layer 40 was formed for 57 minutes. In sample J2, the first semiconductor layer 30 was formed for 1 minute, and then the second semiconductor layer 40 was formed for 59 minutes. In sample J3, the second semiconductor layer 40 was formed for 60 minutes.
３．ＧａＮの表面
図７は、サンプルＪ１のＧａＮの表面を示すＳＥＭ画像である。図８は、サンプルＪ２のＧａＮの表面を示すＳＥＭ画像である。図９は、サンプルＪ３のＧａＮの表面を示すＳＥＭ画像である。
3. 3. Surface of GaN FIG. 7 is an SEM image showing the surface of GaN of sample J1. FIG. 8 is an SEM image showing the surface of GaN of sample J2. FIG. 9 is an SEM image showing the surface of GaN of sample J3.
図７に示すように、第１半導体層３０を４４ｎｍ成膜したサンプルＪ１においては、非常に平坦な表面を備えるＧａＮ層が得られた。図８に示すように、第１半導体層３０を１５ｎｍ成膜したサンプルＪ２においては、多少の凹凸を有するＧａＮ層が得られた。図９に示すように、第１半導体層３０を成膜しなかったサンプルＪ３においては、凹凸を有するＧａＮ層が得られた。 As shown in FIG. 7, in the sample J1 in which the first semiconductor layer 30 was formed with a film formation of 44 nm, a GaN layer having a very flat surface was obtained. As shown in FIG. 8, in the sample J2 in which the first semiconductor layer 30 was formed with a film formation of 15 nm, a GaN layer having some irregularities was obtained. As shown in FIG. 9, in the sample J3 in which the first semiconductor layer 30 was not formed, a GaN layer having irregularities was obtained.
４．実験のまとめ
水素および塩素を添加した反応性スパッタリング法により第１半導体層３０を形成することにより、物理的スパッタリングにより形成する第２半導体層４０の表面の平坦性が向上する。そして、第１半導体層３０の膜厚は、２０ｎｍ以上であるとよい。好ましくは３０ｎｍ以上である。より好ましくは４０ｎｍ以上である。第１半導体層３０の膜厚は、３００ｎｍ以下であるとよい。好ましくは２００ｎｍ以下である。より好ましくは１００ｎｍ以下である。第１半導体層３０は、半導体レーザー素子Ａ１やＨＥＭＴ素子Ｂ１といった素子本来の機能とは無関係であるためである。
4. Summary of Experiment By forming the first semiconductor layer 30 by the reactive sputtering method to which hydrogen and chlorine are added, the flatness of the surface of the second semiconductor layer 40 formed by physical sputtering is improved. The film thickness of the first semiconductor layer 30 is preferably 20 nm or more. It is preferably 30 nm or more. More preferably, it is 40 nm or more. The film thickness of the first semiconductor layer 30 is preferably 300 nm or less. It is preferably 200 nm or less. More preferably, it is 100 nm or less. This is because the first semiconductor layer 30 has nothing to do with the original functions of the elements such as the semiconductor laser element A1 and the HEMT element B1.
（付記）
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体の製造方法は、基板の上にIII 族窒化物半導体からなる第１半導体層を成膜する第１の工程と、第１半導体層の上にIII 族窒化物半導体からなる第２半導体層を成膜する第２の工程と、を有する。第１の工程では、塩素ガスと希ガスとを含む第１のガスをプラズマ化してターゲットからIII 族原子を基板に供給するとともに、窒素ガスと水素ガスとを含む第２のガスをプラズマ化して基板に供給することにより第１半導体層を成膜する。第２の工程では、希ガスをプラズマ化してターゲットからIII 族原子を基板に供給するとともに、窒素ガスをプラズマ化して基板に供給することにより第２半導体層を成膜する。
(Additional note)
The method for producing a group III nitride semiconductor in the first aspect includes a first step of forming a first semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor on a substrate and a group III nitride on the first semiconductor layer. It has a second step of forming a second semiconductor layer made of a physical semiconductor. In the first step, the first gas containing chlorine gas and rare gas is turned into plasma to supply Group III atoms from the target to the substrate, and the second gas containing nitrogen gas and hydrogen gas is turned into plasma. A first semiconductor layer is formed by supplying it to a substrate. In the second step, the rare gas is turned into plasma to supply Group III atoms from the target to the substrate, and the nitrogen gas is turned into plasma and supplied to the substrate to form a second semiconductor layer.
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体の製造方法においては、第１の工程は反応性スパッタリング法である。第２の工程は物理的スパッタリング法である。また、第１の工程と第２の工程とを同じ装置内で連続して実施する。 In the method for producing a group III nitride semiconductor in the second aspect, the first step is a reactive sputtering method. The second step is a physical sputtering method. Further, the first step and the second step are continuously carried out in the same apparatus.
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体の製造方法においては、第１の工程では、第１半導体層の膜厚を２０ｎｍ以上とする。 In the method for producing a group III nitride semiconductor according to the third aspect, the film thickness of the first semiconductor layer is 20 nm or more in the first step.
１０００…成膜装置
１００１…筐体
１００…第１室
１１０…ターゲット収容部
１２０…ターゲット収容部支持部
１３０…冷却部
１４０…第１の電位付与部
１５０…第１のガス供給部
１６０…第１のガス供給管
２００…第２室
２１０…基板支持部
２２０…加熱部
２３０…プラズマ発生装置
２４０…第２の電位付与部
２５０…第２のガス供給部
２６０…第２のガス供給管
２７０…排気口
３００…区画部
３１０…壁
３３０…筒形状部
３４０…開口部材
Ｓ１…基板
Ｔ１…ターゲット
1000 ... Film forming apparatus 1001 ... Housing 100 ... First chamber 110 ... Target accommodating unit 120 ... Target accommodating unit support 130 ... Cooling unit 140 ... First potential applying unit 150 ... First gas supply unit 160 ... First Gas supply pipe 200 ... Second chamber 210 ... Substrate support part 220 ... Heating part 230 ... Plasma generator 240 ... Second potential applying part 250 ... Second gas supply part 260 ... Second gas supply pipe 270 ... Exhaust Port 300 ... Section 310 ... Wall 330 ... Cylindrical portion 340 ... Opening member S1 ... Substrate T1 ... Target
Claims (3)
前記第１半導体層の上にIII 族窒化物半導体からなる第２半導体層を成膜する第２の工程と、
を有し、
前記第１の工程では、
塩素ガスと希ガスとを含む第１のガスをプラズマ化してターゲットからIII 族原子を前記基板に供給するとともに、窒素ガスと水素ガスとを含む第２のガスをプラズマ化して前記基板に供給することにより前記第１半導体層を成膜し、
前記第２の工程では、
希ガスをプラズマ化して前記ターゲットからIII 族原子を前記基板に供給するとともに、窒素ガスをプラズマ化して前記基板に供給することにより前記第２半導体層を成膜すること
を含むIII 族窒化物半導体の製造方法。 The first step of forming a first semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor on a substrate, and
A second step of forming a second semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor on the first semiconductor layer, and
Have,
In the first step,
The first gas containing chlorine gas and rare gas is turned into plasma to supply Group III atoms from the target to the substrate, and the second gas containing nitrogen gas and hydrogen gas is turned into plasma and supplied to the substrate. As a result, the first semiconductor layer is formed.
In the second step,
A group III nitride semiconductor including forming a second semiconductor layer by plasmaizing a rare gas and supplying Group III atoms from the target to the substrate and plasmaizing nitrogen gas and supplying it to the substrate. Manufacturing method.
前記第１の工程は反応性スパッタリング法であり、
前記第２の工程は物理的スパッタリング法であり、
前記第１の工程と前記第２の工程とを同じ装置内で連続して実施すること
を含むIII 族窒化物半導体の製造方法。 In the method for producing a group III nitride semiconductor according to claim 1,
The first step is a reactive sputtering method.
The second step is a physical sputtering method.
A method for producing a group III nitride semiconductor, which comprises continuously carrying out the first step and the second step in the same apparatus.
前記第１の工程では、
前記第１半導体層の膜厚を２０ｎｍ以上とすること
を含むIII 族窒化物半導体の製造方法。 In the method for producing a group III nitride semiconductor according to claim 1 or 2.
In the first step,
A method for producing a group III nitride semiconductor, which comprises setting the film thickness of the first semiconductor layer to 20 nm or more.
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|---|---|---|---|---|
| WO2023218840A1 (en) * | 2022-05-10 | 2023-11-16 | 株式会社ジャパンディスプレイ | Film formation device and film formation method for gallium nitride film |
| WO2024024267A1 (en) * | 2022-07-25 | 2024-02-01 | 株式会社ジャパンディスプレイ | Film formation device and method for forming gallium nitride film |
| WO2024024268A1 (en) * | 2022-07-25 | 2024-02-01 | 株式会社ジャパンディスプレイ | Film formation device |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009215628A (en) * | 2008-03-12 | 2009-09-24 | Showa Denko Kk | Method for manufacturing group iii nitride semiconductor layer, method for manufacturing group iii nitride semiconductor light-emitting element, group iii nitride semiconductor light-emitting element, and lamp |
| WO2017205815A2 (en) * | 2016-05-26 | 2017-11-30 | Robbie Jorgenson | Group iiia nitride growth system and method |
| JP2018095922A (en) * | 2016-12-13 | 2018-06-21 | 国立大学法人名古屋大学 | Film deposition apparatus |
-
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009215628A (en) * | 2008-03-12 | 2009-09-24 | Showa Denko Kk | Method for manufacturing group iii nitride semiconductor layer, method for manufacturing group iii nitride semiconductor light-emitting element, group iii nitride semiconductor light-emitting element, and lamp |
| WO2017205815A2 (en) * | 2016-05-26 | 2017-11-30 | Robbie Jorgenson | Group iiia nitride growth system and method |
| JP2018095922A (en) * | 2016-12-13 | 2018-06-21 | 国立大学法人名古屋大学 | Film deposition apparatus |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023218840A1 (en) * | 2022-05-10 | 2023-11-16 | 株式会社ジャパンディスプレイ | Film formation device and film formation method for gallium nitride film |
| WO2024024267A1 (en) * | 2022-07-25 | 2024-02-01 | 株式会社ジャパンディスプレイ | Film formation device and method for forming gallium nitride film |
| WO2024024268A1 (en) * | 2022-07-25 | 2024-02-01 | 株式会社ジャパンディスプレイ | Film formation device |
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