JP3226796B2 - 窒化ガリウム薄膜の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化ガリウム薄膜の
製造方法に関するもので、特に、窒化ガリウム薄膜が形
成される基板とソースガスとに超音波を照射し、均一な
窒素基を有する窒化ガリウム薄膜を製造する方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、窒化ガリウムは亜鉛セレニウム
とともに総天然色の発光材料を具現するための青色の発
光源で一番広く用いられている。

【０００３】窒化ガリウムは窒素を薄膜成長用ソースガ
スで用いるので、ガリウムと反応させるための窒素の活
性化が必須的であるが、従来の方法では活性化し難いの
で、薄膜成長が非常に難しい物質として知られている。

【０００４】現在は、既存の有機金属の化学蒸着装置に
窒素を加圧する装置を装着して、基板上に窒化ガリウム
薄膜を成長して青色の発光ダイオードを製作しており、
かつ高真空中で窒素またはアンモニアソースガスに、プ
ラズマおよび電子共鳴を用いて窒素を活性化させる方法
が用いられている。

【０００５】一般に、窒化ガリウム薄膜の成長装置は、
基板系、ソース系および装置系等に分類できる。

【０００６】従来の成長装置で、基板系は通常的に薄膜
を成長する時、効率的である薄膜の成長のために基板に
熱を加えるとか、加熱された基板に電圧または高周波を
加える方法等が用いられた。

【０００７】このような方法で第一、熱を加える方法は
ソース系から流入されたソースガスらを熱エネルギによ
り化学結合させて薄膜を得る方法である。

【０００８】第二、電圧を加える方法は加熱による熱エ
ネルギにより化学結合させて薄膜を得る方法であるが、
これは加熱による熱エネルギだけではなく、ソースがガ
スイオンである場合、加速による効果までも用いようと
することである。

【０００９】第三、高周波を加える方法は低い温度でも
ソースガスらの付着係数を高くして薄膜を成長させる方
法である。

【００１０】図１は、従来の技術による薄膜成長装置の
チャンバ内部の基板加熱装置の断面図を示す。

【００１１】図１を参照すれば、従来の技術による基板
加熱装置は円筒形の形状を有し、下部面に基板１２を実
装する基板ホルダ１１と、前記基板ホルダ１１の内側に
設けられ、反応炉で生ずる熱が外部へ放出されることを
遮断する熱遮閉筒１５と、前記熱遮閉筒１５の下部面に
設けられ、反応炉で生じられた熱を前記基板１２側へ拡
散させる熱拡散子１４、および前記熱拡散子１４の上側
に設けられて印加される電力により熱を生ずるヒータ１
３とを含んで構成される。ここで、反応炉とは、ヒータ
１３を含む熱遮蔽筒１５の構成を指す。

【００１２】このような構成を有する従来の薄膜形成装
置に実装された基板１２は上側に位置したヒータ１３に
より加熱される。

【００１３】この時、ヒータ１３から基板に均一に熱を
伝達するために熱拡散子１４がヒータ１３と基板１２と
の間に形成されており、基板１２に熱を加えるために抵
抗線加熱法または誘導加熱法等が用いられている。

【００１４】このような基板加熱装置を真空チャンバ内
に実装している薄膜成長装置を用いて基板上に窒化ガリ
ウム薄膜を形成する方法としては、チャンバ内の熱が外
部へ放出されることを防止するために図１に示したよう
に、基板ホルダ１１の内側に熱遮閉筒１５を設けてヒー
タ１３により生ずる熱が放出されることを防止する。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
薄膜成長装置を用いた従来の技術によれば、基板の加熱
温度が１２００℃以上を求めるので、膜成長に多い難し
さがあるだけでなく、いまだに、レーザー発振ができる
結晶質を得られていないという問題点があった。

【００１６】上述の従来技術の問題点を解決するために
本発明は、高真空薄膜成長装置を用いて高品質の窒化ガ
リウム薄膜を製造する方法を提供することを目的とす
る。

【００１７】本発明の他の目的は、低い成長温度で窒素
ガスを活性化して窒化物の化合物半導体薄膜を製造する
方法を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明による窒化物の化合物半導体薄膜の製造方法
は、前記基板が振動するように当該基板に超音波を加え
る手段、および、窒素ガスを少なくとも含む薄膜形成用
ソースガスに超音波を加えて窒素基を発生する手段のう
ち、少なくとも一方を用いて窒化物の化合物半導体薄膜
を形成するものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態は、添付され
た図面を参照した以下の詳細な説明より明白になること
である。

【００２０】本発明では、従来の薄膜成長装置に高品質
の窒化物の半導体薄膜、特に窒化ガリウム薄膜を形成す
るために、薄膜を成長中である基板に超音波を印加する
方法、および、該装置を提供して成長温度を低くし、活
性化し難い窒素を活性化された窒素基から作り効果的に
基板系に入射させる方法を用いる。

【００２１】本発明で超音波を印加した基板に窒化物の
化合物半導体薄膜を成長する方法の特徴は、薄膜成長時
に、基板に超音波を印加する方法と、超音波を印加する
ための振動子の構造と、窒素基ガスを発生するガスソー
ス装置とにある。以下、窒化ガリウム薄膜の製造を例に
挙げて、本発明の各構成をより具体的に説明する。

【００２２】図２は、本実施形態によるチャンバ内部の
基板加熱装置を概略的に示す断面図である。

【００２３】図２を参照すれば、本実施形態で用いられ
る基板加熱装置は、従来の薄膜成長装置で用いられる基
板加熱装置と同一な構造を有する、基板ホルダ２１、ヒ
ータ２３、熱拡散子２４および熱遮閉筒２５とを備え
る。本実施形態の基板加熱装置は、上記構成に加えて、
基板ホルダ２１に実装される基板２２の上部に設けられ
る超音波振動子２６と、この超音波振動子２６の第１、
２電極（図４にて後述）に接続して設けられる電極リー
ド線２８とをさらに有する。

【００２４】本実施形態の基板加熱装置は、従来の基板
加熱装置に超音波振動子２６を設けたことを特徴とし、
基板ホルダ２１に実装される基板２２の背面上に設けら
れ、窒化ガリウム薄膜の形成時に、基板２２が振動する
ように、基板２２に超音波を持続的に伝達する。

【００２５】この時、超音波が印加された基板の原子ら
は、基板温度に応じた通常の熱振動に加えて、印加され
た超音波による振動を受けることとなる。このため、前
記基板はこの印加された超音波の周波数に比例して決定
される周波数で振動する。この振動によって結晶格子の
原子が位置する空間を相対的に広める形を有するので、
基板の表面と接触する原子らが結晶格子に入りこむ確率
が、従来の状態に比較して相対的に大きくなる。

【００２６】この結果、結晶格子の適正部位に正確に位
置した原子は、相対的によい結晶質を実現し、これによ
り形成される物質の電気的、光学的特性が向上される。

【００２７】上記のような構成を有する基板加熱装置を
用いた本発明の薄膜成長装置では、薄膜成長時に、ソー
スガスを活性化するために超音波を用いる。

【００２８】一方、超音波というのは、音の振動数が２
０ｋＨｚ以上である音波であり、超音波を物質に加える
と物質内で圧力、温度、密度等の変化を起すようにな
る。

【００２９】このような超音波は、物質を構成している
原子に超音波を伝達し、原子の振動を極めてひどく作
り、二つの物質を溶解させることにより接着を可能とす
る特徴を有している。

【００３０】したがって、超音波のこのような性能を用
いることで、窒化ガリウム薄膜製造時、すなわち薄膜が
成長される時、基板の表面に超音波を加えると基板を構
成している物質と入射する物質とが互いに溶着されやす
くすることができ、その結果、従来の方法に比較してよ
り低い基板加熱温度でも、高品質の薄膜を成長させるこ
とができる。本実施形態によれば、基板の加熱温度を８
００°Ｃ以下程度とすることができる。

【００３１】さらに、後述するように、窒素ソースガス
にも超音波を同時に加えることで、活性化率を上昇させ
ることができるため、反応系の反応生成効率を増加させ
られる。

【００３２】図３は本実施形態による超音波振動子の一
例の平面構造図を示す。

【００３３】図３を参照すれば、超音波振動子２６は、
それぞれ縄文様（櫛歯形状）を有し、結合時に全体とし
て円形の形状を有するように所定の空間に離隔され、枝
部分が互いにかみ合う第１電極２６ａと第２電極２６ｂ
とで構成され、Ｘ軸またはＹ軸で切った結晶性石英基板
２７上に設けられた構成を有する。この時、電極で用い
られる金属としては、金、タングステン、モリブテンま
たはタンタルを用いる。

【００３４】図４は図３のＡ−Ａ線による超音波振動子
の断面を示した断面図である。

【００３５】図４に示したように、超音波振動子２６は
それぞれ異なる極性の電圧が印加される第１電極２６ａ
と第２電極２６ｂとが交互に配置される構成を有し、そ
れぞれ第１電極２６ａと第２電極２６ｂとにはそれぞれ
異なる極性の電圧が印加される。

【００３６】そして、超音波振動子２６と基板２２とを
接触するには二つの方法がある。第一の方法は、超音波
振動子２６と基板２２とをインジウム（Ｉｎ）で付ける
方法である。インジウムは真空中で蒸気圧が低く、薄膜
の汚染源とならないため好適である。また、インジウム
の代わりにガリウム（Ｇａ）を使用することも可能であ
る。超音波振動子２６と基板２２とを接触する第二の方
法としては、基板ホルダ２１にスプリングを設けて超音
波振動子２６に圧力を加えて、基板２２に密着させる方
法がある。

【００３７】本発明において、窒化ガリウムの窒素基
（N radical)のガスソース装置（以下では窒素基発生装
置と呼ぶ）は、高い陰電圧が印加された円錐形のディス
チャージ（discharge)チャンバを有し、素子製造のため
の窒素基を形成して基板２２に入射させる時に、該チャ
ンバ内に形成されたプラズマを円錐形のチャンバ自体の
構造により基板に入射させると共に、前記基板に入射す
るプラズマに超音波を与え、そのプラズマの均一度を向
上させる装置である。

【００３８】上述の窒化ガリウムを製造するための窒素
基発生装置は、例えば、基板電位を基準として高いマイ
ナス電圧が加えられた、円錐形のタンタル製チャンバ形
態を有する。この円錐形構造によれば、プラズマガスが
密度の低い方向へ拡散する性質を利用して、従来のよう
に電圧を印加したグリッド等を用いることなく、中性原
子とプラス及びマイナス荷電粒子と電子とを含むプラズ
マを、当該円錐形構造の開口部から放出させることがで
きる。さらに、超音波振動子等を用いて超音波を発生
し、前記プラズマの均一度を高め、基板に成長されるエ
ピタキシー層の特性を向上させる。

【００３９】このような、本発明の薄膜成長装置を用い
た窒化ガリウム薄膜の成長方法は次のようである。

【００４０】先ず、基板２２を基板ホルダ２１に実装
し、ヒータ２３に電圧を印加するとともに、超音波振動
子２６の第１電極２６ａと第２電極２６ｂとに電圧を印
加して超音波を発生させる。

【００４１】また、窒化ガリウム薄膜形成用Ｇａソース
ガスと窒素ガス（Ｎ₂）とを上述したような窒素基発生
装置へ注入する。この時、窒素基発生装置内部に設けら
れたヒータに電圧を印加することにより装置内部に熱が
生じて、注入されたソースガスがプラズマ状態となる。

【００４２】超音波振動子２６から超音波が生じて基板
２２に極めてひどい振動を加えることになり、基板２２
の原子の動きが活発となる。この基板２２に向かって上
記プラズマを入射させることで、基板２２の表面上に形
成される窒化ガリウム薄膜の密度が増えられる。

【００４３】窒素基発生装置の構成例をより具体的に説
明する。本実施形態による窒素基発生装置は、例えば図
５に示すように、円錐形を有する拡散筒４１、拡散筒４
１の外側に設けられ当該拡散筒４１内部に磁場を生ずる
磁石４２、拡散筒４１の内部の底面に設けられて超音波
を生ずる超音波振動子４５、印加される電圧により熱を
生ずるフィラメント４３、および、拡散筒４１内部へ窒
素ガスを含むソースガスの流入を調節する、ニードルバ
ルブ４６が設けられたガス供給パイプを含んで構成され
る。なお、本実施形態で示された窒素基発生装置の構成
はこれに限定されるものではない。例えば、本発明では
生成されたプラズマに超音波を加えることができれば、
超音波の発生手段の種別およびその配置位置は、本例に
限定されるものではない。

【００４４】図５を参照して、本実施形態による窒素基
発生装置を説明すれば、次のようである。

【００４５】円錐形タンタル拡散筒４１を採用し、その
拡散筒４１に基板の電位を基準とした高い陰電圧を加え
ると共に、ニードルバルブ４６で流量が制御された窒素
ガスを含む薄膜成長用ソースガスを流入させる。流入し
たソースガスは、拡散子４４を通過して拡散筒４１内へ
拡散される。

【００４６】拡散したソースガスは、その後、加熱され
たフィラメント４３から放出される熱電子らにより衝撃
を受けてイオン化され、設けられた磁石４２の発生する
磁場内で円形運動を起し、中性原子、イオン化された原
子および電子らが混合されたプラズマを形成することに
なる。形成されたプラズマは、円錐形拡散筒４１内に存
在するので、その形状のためにプラズマ自体に密度差が
生じ、この密度差による流れが形成される。この結果、
生成されたプラズマは、この円錐形拡散筒４１の開口部
から放出される。この拡散筒４１の開口部に対向して基
板を配置しておくことで、プラズマを当該基板へ向けて
入射することができる。

【００４７】また、この時、拡散筒４１の内部下端に装
着された超音波振動子４５により生成されたプラズマに
向かって超音波を放射することにより、プラズマは疏密
波の形態を有しつつより均一な分布を行うことになる。

【００４８】したがって、従来のガス基発生装置では拡
散筒内で生じたプラズマで１種類の荷電粒子のみを、グ
リッド等に電圧を加えて抽出したが、本実施形態では中
性原子、プラス、マイナスの荷電粒子および電子等の混
合体であるプラズマを円錐形拡散筒４１の形状により、
電気的な手段を用いることなく、活性化された窒素基を
含んだプラズマを基板に入射させることができる。さら
に、本実施形態では、超音波振動子４５を用いること
で、より均一な密度分布を備えたプラズマを形成するこ
とができる。

【００４９】さらに、本実施形態によれば、円錐形の拡
散筒４１を用いるので、抽出されたプラズマの拡散で広
い面積について入射させられる。このため、発生装置を
小さく作られるし、注入されたガスを殆ど用いるので、
効率が高くなる。

【００５０】本実施形態での薄膜成長装置は、例えば図
６に示すように、基板２２を保持すると共にその基板を
加熱する、図２に示すような基板加熱装置２００と、窒
素ガスを少なくとも含むソースガスをプラズマ化し、そ
の結果生成されたプラズマ４００を基板２２へ放出す
る、図５に示すような窒素基発生装置（ガスソース装
置）３００と、両装置２００、３００を収容する真空チ
ェンバ１００を少なくとも備えている。なお、本図には
示されていないが、上記した構成以外の、例えば他のガ
スソース装置等も、生成される薄膜の種類に応じて真空
チェンバ１００内に備える構成としても構わない。

【００５１】以上説明したように、本発明では既存の加
熱された基板に、付加的に超音波を加えることにより、
入射する原子が基板を構成している原子配列上の位置に
正確に入りこむ確率を高くする。

【００５２】これにより、より完璧な結晶の成長を可能
とし、所望の結晶の電気的および光学的の特性を得られ
る。さらに、超音波による付加されたエネルギで非結晶
の薄膜でも、付着係数を大きくして付着性がいい薄膜を
成長できる。

【００５３】さらに、基板加熱装置に超音波振動子を設
け、真空チャンバ内部に窒素基発生装置を設けた本発明
によれば、基板上に形成される薄膜の付着係数を大きく
できるので、相対的に少ない量を基板に入射させられる
ため、薄膜成長装置内の基本真空圧力を低くできる。こ
の結果、薄膜成長装置内にある不必要なガスの影響を小
さくさせることができるため、結晶の質をさらに向上さ
せることができる。

【００５４】さらに、入射させるソースガスの量を少な
くすることができる、経済的であるという効果を奏す
る。

【００５５】さらに、上述のような本発明は窒化ガリウ
ム薄膜成長中、基板に加えた超音波により、付着力が向
上されるので、既存の付着力が低いから成長し難かった
窒化ガリウム等の窒化物物質の成長が可能となる上、付
着係数を増加させられるので結晶成長中、成長圧力を充
分に低くした状態として成長薄膜の質を向上させられ、
ソースガスを節減することができる。

【００５６】さらに、本発明によれば、基板に成長薄膜
を強く溶着させられ、成長し難い物質でも、より簡単に
低温で成長が可能にすることができ、よって、薄膜の質
を向上させられ、電気的、光学的特性がいい薄膜を形成
できる。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、高真空薄膜成長装置を
用いて高品質の窒化ガリウム薄膜を製造する方法を提供
することができる。

【００５８】また、本発明によれば、低い成長温度で窒
素を活性化して、窒化物の化合物半導体薄膜を製造する
方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の技術による薄膜成長装置のチャンバ内部
の基板加熱装置の概略的な断面図。

【図２】本発明による薄膜成長装置のチャンバ内部の基
板加熱装置の概略的な断面図。

【図３】図２の超音波振動子の平面構造図。

【図４】図３のＡ−Ａ線による断面図。

【図５】本発明による窒素基発生装置の断面図。

【図６】本発明による薄膜成長装置の概略構成を示す説
明図。

【符号の説明】

２１ 基板ホルダ ２２ 基板 ２３ ヒータ ２４ 熱拡散子 ２５ 熱遮閉筒 ２６ 超音波振動子 ２６ａ，２６ｂ 電極 ２７ 石英 ２８ 電極リード線 ４１ 円錐形拡散筒 ４２ 磁石 ４３ フィラメント ４４ 拡散子 ４５ 超音波振動子 ４６ ニードルバルブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キュンスー スウ 大韓民国、デェジョン、ユソンク、ジュ ンミンドン、チュング アパートメント 109−1606 (72)発明者 キースー ナム 大韓民国、デェジョン、ユソンク、イォ ーウンドン、ハンビィット アパートメ ント 138−1502 (56)参考文献 特開 平５−266474（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−39562（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/205 ＣＡ（ＳＴＮ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に窒化ガリウム薄膜を製造する方
   法において、 前記基板が振動するように基板自体に超音波を加えると
   ともに、窒化ガリウム薄膜形成用ソースガスに超音波を
   加えて、窒化ガリウム薄膜を形成することを特徴とする
   窒化ガリウム薄膜の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記基板の背面に超音波振動子を接合し、該基板が振動
   するように構成したことを特徴とする窒化ガリウム薄膜
   の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１において、 チャンバの内壁に超音波を生ずる超音波の発生手段を設
   け、前記窒化ガリウム薄膜形成用ソースガスに超音波を
   加えることを特徴とする窒化ガリウム薄膜の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１において、 前記窒化ガリウム薄膜形成用ソースガスに加えられる超
   音波により窒素基が生成されて基板に入射されることを
   特徴とする窒化ガリウム薄膜の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１において、 前記窒化ガリウム薄膜形成用ソースガスは、プラズマ状
   態で活性化されて窒素基を生成して、超音波により窒素
   基が放出されて基板に入射されることを特徴とする窒化
   ガリウム薄膜の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記プラズマ状態は、中性原子、プラス荷電粒子、マイ
   ナス荷電粒子および電子の混合状態であることを特徴と
   する窒化ガリウム薄膜の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項２において、 前記超音波振動子と前記基板とをインジウムを用いて接
   合することを特徴とする窒化ガリウム薄膜の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項１において、 前記窒化ガリウム薄膜形成用ソースガスを導入し窒素基
   を発生する窒素基発生装置を設け、該窒素基発生装置に
   は高い陰電圧を印加すると共に、当該窒素基が発生され
   る空間には磁場を印加することを特徴とする窒化ガリウ
   ム薄膜の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項８において、 前記窒化基発生装置の外側に磁石を設けて磁場を生じさ
   せることを特徴とする窒化ガリウム薄膜の製造方法。
10. 【請求項１０】 基板上に窒化物の化合物半導体薄膜を
    製造する方法において、 前記基板が振動するように当該基板に超音波を加える手
    段、および、窒素ガスを少なくとも含む薄膜形成用ソー
    スガスに超音波を加えて窒素基を発生する手段のうち、
    少なくとも一方を用いて窒化物の化合物半導体薄膜を形
    成することを特徴とする窒化ガリウム薄膜の製造方法。
11. 【請求項１１】 窒化物の化合物半導体薄膜を成長させ
    る基板を保持する基板保持部と、前記窒化物の化合物半
    導体の薄膜形成用ソースガスを前記基板へ入射させるガ
    スソース部とを備える薄膜製造装置において、 前記保持された基板に超音波を加える第１の超音波印加
    手段と、 前記基板へ入射される薄膜形成用ソースガスに超音波を
    加える第２の超音波印加手段とを有することを特徴とす
    る薄膜製造装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１において、 前記第１の超音波印加手段は、前記基板の背面に接合さ
    れた超音波振動子を備え、該超音波振動子は、石英基板
    と、当該石英基板上に、互いに接触しない状態でかみあ
    うように配置された、それぞれが櫛歯形状を備える１対
    の電極とを有することを特徴とする薄膜製造装置。