JP3587946B2 - プラズマcvd装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体の製造装置としてのプラズマCVD装置に係り、それに関連する電子デバイス、光デバイス、真空技術、表面処理、表面コーティング技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、GaN系半導体を中心とする窒化物半導体が、高効率発光素子、耐環境電子素子、半導体パッシベーション膜として注目を集めている。
【0003】
実に幅広いバンドギャップをもつIII −V窒化物と、その金属元素は、可視及び近紫外波長の領域における電気光学の応用範囲を大いに広げた。これまで、GaN膜(GaN Film)を成長させるために、数多くの技術が開発されてきたが、その中で有機金属気相成長法(MOCVD)の技術が支配的位置を占めている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常のMOCVD法では、トリメチルガリウム(TMG)とNH3 がソースとして用いられ、NH3 を熱的に解離するために、その基板は凡そ1000℃まで加熱する必要がある。
【0005】
したがって、MOCVD法の欠点は、利用できる基板材料全てに対し、温度的に不適合な点である。そこで、ポストグロース・クーリング法(成長後冷却法:postgrowth cooling)により、有効な性質と欠点が窒化膜へ導かれた。
【0006】
更に加えて、高い成長温度のために、他の好ましくない効果、例えばドーパント、グループIII の金属の蒸着(desorption)、拡散(diffusion)、偏析(segregation)を誘発する恐れがある。
【0007】
このように、適切な基板を選択するということが、その高温成長温度のためにますます難しくなっている。また、NH3 は毒性を有するため、その処理コストが高い。
【0008】
このように、これらの材料系は、従来のMOCVD法により製造されてきたが、1000℃程度の高温プロセスであること、NH3 の毒性に対する処理コストの観点から改善が求められてきた。
【0009】
新しい製造法として窒素プラズマを用いるMBE法が研究されてきたが、成長速度が1時間当たり0.5μmと小さく、その品質も高効率の発光素子が作成できるレベルに至っていないため、製造装置としては大きな問題点を抱えている。
【0010】
本発明は、上記問題点を除去し、高成長速度、高品質膜作製というMOCVDの特徴と低環境コストというMBEの特徴をともに実現するプラズマCVD装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
(1)プラズマCVD装置において、窒素の熱プラズマを用い、この窒素の熱プラズマ形成時に発生する紫外光を利用して、金属ガスソースの解離を促進し、結晶性の向上と成長温度の低下を可能にし、Ga系化合物半導体基板上にGaN膜を室温で成長させるようにしたものである。
【0012】
(2)プラズマCVD装置において、窒素の熱プラズマを用い、この窒素の熱プラズマ形成時に発生する紫外光と、極紫外光発生の光源を併用し、金属ガスソースの解離を促進し、結晶性の向上と成長温度の低下を可能にし、Ga系化合物半導体基板上にGaN膜を室温で成長させるようにしたものである。
【0013】
(3)上記(1)又は(2)記載のプラズマCVD装置において、前記窒素の熱プラズマはリモートプラズマとして供給するようにしたものである。
【0014】
(4)上記(1)又は(2)記載のプラズマCVD装置において、前記窒素の熱プラズマは、窒素ガスとともに、ヘリウムなどの希ガスを混ぜることにより、前記窒素の熱プラズマの効率を高めるようにしたものである。
【0015】
(5)上記(1)又は(2)記載のプラズマCVD装置において、前記金属ガスソースは有機金属ガス、水素化物、ハロゲン化物、金属元素のいずれかの形態あるいはこれらの組み合わせである。
【0016】
上記のように構成したので、
(A)窒素の高温熱プラズマ、あるいはそれに近いプラズマ状態を実現し、これを窒素源として用いることにより、成長に有効に働く窒素原子の生成を効率的に行って高成長速度、高品質膜形成を図るとともに、環境コストの低減を図ることができる。また、窒素熱プラズマと金属元素化学種との相互作用により、低温での金属化学種の分解が可能になり、成長温度の低温化を可能にする。
【0017】
(B)窒素の高温熱プラズマ、あるいはそれに近いプラズマ状態を実現し、これを窒素源として用いることにより、プラズマ源から極紫外光が発生し、これが金属源である有機金属ガス、水素化物、ハロゲン化物の光分解と、金属原子の表面でのマイグレイションを高めることにより、結晶性の向上と成長温度の低下が可能になる。
【0018】
(C)リモートプラズマ構成をとるため、各元素の供給の独立性があり、MOCVDなどのいわゆる、プリマチャ(premature:時期が早い)反応が無いため、結晶成長は各元素の供給速度、成長温度、窒素プラズマと窒素の圧力で決定される。したがって、結晶成長の制御性が非常によい。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0020】
図1は本発明の実施例を示すGaN膜のプラズマCVD装置の構成図である。
【0021】
この図において、1は成長チャンバー、2は拡散ポンプ、3はロータリーポンプ、4,5,6はバルブ、7は基板ホルダー、8は基板ホルダー7に設けられるヒータ、9は基板ホルダー7を操作するマニピュレータ、10はRFプラズマ発生装置、11は石英管(quartz tube)、12はRFヒータ、13は冷却水の入口、14は冷却水の出口、15はN2 ソース、16は発生したRFプラズマ、17はTMGソース、18は温度バスである。21は基板であり、例えば、GaAs(100)基板である。
【0022】
図に示すように、成長チャンバー1には窒素プラズマソース、Gaソースのトリメチルガリウム(TMG)の供給ライン、真空ポンプとバルブ、真空計などとともに、加熱機構付の基板ホルダー7が設置されている。
【0023】
ここで、最も重要な点はプラズマ条件であり、1Torr程度の窒素圧力で十分なパワー(1kW以上)を供給することにより、熱プラズマが形成される。
【0024】
金属化学種の光分解を補助するために、MgOなどの窓を通してHeなどの希ガス放電管を照射することも有効である。
【0025】
上記のように構成したので、
(1)室温でのGaN膜,CaNO膜を形成することができる。
【0026】
(2)新しい材料であるGaNO混晶化合物を生成することができる。
【0027】
(3)高成長速度(数10ミクロン/時間)が期待できる。
【0028】
(4)混晶InGaN、AlGaN、AlGaInN等の成長が可能である。
【0029】
(5)シリコン、Mgなどの不純物元素の添加も、SiやMgの有機金属化合物や水素化物、金属元素を用いることによって可能となる。
【0030】
〔具体例1〕
ここでは、具体的に、熱プラズマCVD(hot plasma chemical vapor deposition)法を用い、GaAs(100)基板上におけるGaN膜の室温での成長を行った。
【0031】
従来のGaNを用いたMOCVD法による欠点を克服するために、新しい成長技術を開発した。すなわち、熱プラズマCVD法(hot plasma CVD)であり、GaN膜を室温で生成する新奇な方法である。
【0032】
成長チャンバーにおける高温プラズマの窒素ソースは、誘導的に結合した石英管11において、3×10-2Torrの窒素バックグラウンド圧力で5kWまたはそれ以下のRFパワーを供給することによって生成される。このようにして、アバンダントアクティブ窒素原子(abundant active nitrogen atoms)が生成され、その結果、室温において、4μm/hの高い成長率を得ることができる。
【0033】
更に、高温プラズマからの強い放射光(light emissions)が基板21上に照射され、成長の過程においてTMGの解離を促進し、その結果、GaN膜の室温における成長が実現される。
【0034】
GaNを成長させる前に、GaAs(100)基板21を、窒素プラズマビームの放射を伴って、あるいは伴わずに、600℃まで加熱した。そして、室温にまで冷却した。N2 とTMGの部分圧力(partial pressure)はそれぞれ、3×10-2torr、1×10-1torrに設定した。GaN膜は、X線回折(XRD)、反射高エネルギー電子回折(RHEED)及び光ルミネッセンス分光学(photoluminescence spectroscopy)によって観測した。
【0035】
RHEEDとXRDの結果により、GaN膜の構造は、成長前の表面処理に依存していることが示された。すなわち、窒素プラズマビームを放射しない場合は、六方晶構造(hexagonal structure)が得られ、窒素プラズマビームを放射した場合は立方晶体構造(cubic structure)が得られる。しかしながら、すべての試料は、ミラー様の構造(mirror−like structure)を示し、室温において2.997eVを中心とする強力で幅の広い放射を示した。
【0036】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0037】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下に示すような効果を奏することができる。
【0038】
(1)窒素の高温熱プラズマ、あるいはそれに近いプラズマ状態を実現し、これを窒素源として用いることにより、成長に有効に働く窒素原子の生成を効率的に行って高成長速度、高品質膜形成を図るとともに、環境コストの低減を図ることができる。また、窒素熱プラズマと金属元素化学種との相互作用により、低温での金属化学種の分解が可能になり、成長温度の低温化を可能にする。
【0039】
(2)窒素の高温熱プラズマ、あるいはそれに近いプラズマ状態を実現し、これを窒素源として用いることにより、プラズマ源から極紫外光が発生し、これが金属源である有機金属ガス、水素化物、ハロゲン化物の光分解と、金属原子の表面でのマイグレイションを高めることにより、結晶性の向上と成長温度の低下が可能になる。
【0040】
(3)リモートプラズマ構成をとるため、各元素の供給の独立性があり、MOCVDなどのいわゆる、プリマチャ(premature:時期が早い)反応が無いため、結晶成長は各元素の供給速度、成長温度、窒素プラズマと窒素の圧力で決定される。したがって、結晶成長の制御性が非常によい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示すGaN膜のプラズマCVD装置の構成図である。
【符号の説明】
1 成長チャンバー
2 拡散ポンプ
3 ロータリーポンプ
4,5,6 バルブ
7 基板ホルダー
8 ヒータ
9 マニピュレータ
10 RFプラズマ発生装置
11 石英管
12 RFヒータ
13 冷却水の入口
14 冷却水の出口
15 N2 ソース
16 発生したRFプラズマ
17 TMGソース
18 温度バス
21 基板〔GaAs(100)基板〕
Claims (5)
- 窒素の熱プラズマを用い、該窒素の熱プラズマ形成時に発生する紫外光を利用して、金属ガスソースの解離を促進し、結晶性の向上と成長温度の低下を可能にし、Ga系化合物半導体基板上にGaN膜を室温で成長させることを特徴とするプラズマCVD装置。
- 窒素の熱プラズマを用い、該窒素の熱プラズマ形成時に発生する紫外光と、極紫外光発生の光源を併用し、金属ガスソースの解離を促進し、結晶性の向上と成長温度の低下を可能にし、Ga系化合物半導体基板上にGaN膜を室温で成長させることを特徴とするプラズマCVD装置。
- 請求項1又は2記載のプラズマCVD装置において、前記窒素の熱プラズマはリモートプラズマとして供給することを特徴とするプラズマCVD装置。
- 請求項1又は2記載のプラズマCVD装置において、前記窒素の熱プラズマは、窒素ガスとともに、ヘリウムなどの希ガスを混ぜることにより、前記窒素の熱プラズマの効率を高めることを特徴とするプラズマCVD装置。
- 請求項1又は2記載のプラズマCVD装置において、前記金属ガスソースは有機金属ガス、水素化物、ハロゲン化物、金属元素のいずれかの形態あるいはこれらの組み合わせであることを特徴とするプラズマCVD装置。
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