JP4680140B2

JP4680140B2 - ＡｌＮ単結晶膜の形成方法

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Publication number: JP4680140B2
Application number: JP2006193652A
Authority: JP
Inventors: 智彦柴田; 茂明角谷
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: JP2008019140A

Description

本発明は、III族窒化物結晶成長用下地として用いるＡｌＮ単結晶膜をサファイア基板上に形成する技術に関する。

III族窒化物単結晶膜の成長用下地としてＡｌＮ単結晶が好適であるのは周知である。なお、下地としてＡｌＮ単結晶を用いることには、主に以下の二つの利点がある。第１は、ＡｌＮは６．２ｅＶという広いバンドギャップ持つので、２００ｎｍという紫外領域の波長の光に対してまで透明であるという点である。第２は、Ａｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）という組成式で表される物質の中で最小の格子定数をもつことから、その上にＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ膜を形成した場合に、その引張応力を抑制することができ、クラック発生を抑制することができるという点である。

III族窒化物単結晶薄膜の成長用基板としては、サファイア等の異種基材上にＡｌＮ層をヘテロエピタキシャル成長させた、いわゆるエピタキシャル基板（テンプレート基板）を用いるのが一般的である。融液成長法を用いた単結晶成長技術をＡｌＮ単結晶の作製に応用することが難しいことが、その理由である。エピタキシャル基板の場合、下地となる基材とＡｌＮとの格子ミスマッチが大きいことから、基材上に高品質なＡｌＮ結晶層をエピタキシャル成長させるために、種々のプロセス上の工夫がなされている。

一方、結晶品質の優れたＡｌＮ結晶層を形成する方法として、サファイア基板を所定雰囲気下で加熱することによりＡｌＮ単結晶層を形成する方法が、すでに提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ＧａＮ基板上に形成したＡｌを窒素雰囲気下で窒化してＡｌＮを形成する方法についても提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１３７１４２号公報特開２００２−７５９９１号公報

特許文献１には、グラファイトが設置された反応管内で単結晶サファイア基板をＮ₂−ＣＯ混合ガス中で高温加熱することにより、該単結晶サファイア基板の上に酸窒化アルミニウム層（ＡＬＯＮ層）およびＡｌＮ層を同時に形成する技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１で開示された手法は、ＣＯガスという毒性ガスを用いる点で、プロセスの安全性の観点から好ましくない。なお、ＣＯガスを混合しない場合には、サファイア表面の窒化が激しすぎてしまい、表面平坦性が大幅に劣化することが本願の発明者によって確認されている。

また、特許文献１に開示された手法でＣ面サファイア基板上に形成されたＡｌＮ層においては、エピタキシャル膜のような一軸配向性は実現されてはいない。

また、特許文献２に開示されているのは、保護膜としてのＡｌＮ膜を形成することを想定した技術である。よって、III族窒化物単結晶薄膜の成長用基板の下地層として好適に用いることができる程度にまで、表面平坦性の良好なＡｌＮ膜を形成することは、想定されてはいない。また、窒素ガスのみの雰囲気でＡｌを窒化した場合には表面平坦性が大幅に劣化することが、本願の発明者によって確認されている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、サファイア基板上にIII族窒化物結晶成長用下地として好適なＡｌＮ単結晶膜を形成する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、サファイア基板上にＡｌＮ単結晶膜を形成する方法であって、Ａｌに対する窒化能を有する窒素元素含有ガスの雰囲気の下で、金属Ａｌ膜が主面の上に形成されたサファイア単結晶基板を１３００℃以上の加熱温度で加熱することによって、前記主面の上にＡｌＮ単結晶膜を形成させる、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のＡｌＮ単結晶膜の形成方法であって、前記サファイア単結晶基板の主面がＣ面である、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のＡｌＮ単結晶膜の形成方法であって、前記雰囲気の中に所定の酸化物を存在させた状態で前記サファイア単結晶基板を加熱する、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載のＡｌＮ単結晶膜の形成方法であって、前記所定の酸化物がＡｌの酸化物である、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項４の発明によれば、ＣＯガスのような毒性のあるガスを用いずとも、表面平坦性の優れた、III族窒化物結晶の成長用下地として好適なＡｌＮ単結晶膜を形成することができる。

特に、請求項２の発明によれば、III族窒化物結晶の成長用下地として好適な、Ｃ面を主面とするＡｌＮ単結晶膜を形成することができる。

特に、請求項３または請求項４の発明によれば、さらに表面平坦性の優れたＡｌＮ単結晶膜を形成することができる。

＜第１の実施の形態＞
＜窒化処理＞
本実施の形態に係るＡｌＮ単結晶膜の形成方法は、単結晶サファイア基板（以下、単にサファイア基板とも称する）の上に蒸着した金属Ａｌ膜を、所定の処理装置の内部で、サファイア基板ともども窒素元素含有ガス雰囲気の下で加熱することによって、Ａｌ膜と窒素元素含有ガスとの反応を生じさせ、サファイア基板上にＡｌＮ単結晶膜を生成させる方法である。すなわち、Ａｌ膜と窒素元素含有ガスとの反応によってＡｌの窒化物であるＡｌＮを生成させる、いわゆる窒化処理によってＡｌＮ単結晶膜を生成させる方法である。なお、以下においては、金属Ａｌ膜が蒸着されたサファイア基板を、Ａｌ膜付きサファイア基板と称することがある。

具体的には、Ａｌに対する窒化能（窒化作用）を有する窒素元素含有ガス雰囲気の下で、Ａｌ膜付きサファイア基板を少なくとも１４００℃以上に、好ましくは１５００℃以上に加熱することで、サファイア基板の主面上に窒化物であるＡｌＮを反応生成させる。

窒化処理において加熱処理の温度を少なくとも１３００℃以上とするのは、係る温度域での加熱によってＡｌ膜の窒化によるＡｌＮの反応生成が生じるからである。また、加熱温度を１５００℃以上とすると、より転位が低減されたＡｌＮ単結晶膜が形成されるという効果が得られ、好適である。ただし、加熱温度はサファイアの融解温度以下であることが必要である。好ましくは、１７００℃以下であることが望ましい。ＡｌＮの多結晶の生成が抑制されるからである。

窒素元素含有ガスとしては、例えば、窒素ガス、アンモニアガスを用いることができる。特に、高純度の窒素ガスを用いることが好ましい。窒素ガスは適度な窒化作用を有しているので、他のガスを用いた場合に比して窒化処理の制御性が高まるからである。

サファイア基板は主面がＣ面であるもの（以下、Ｃ面サファイア基板とも称する）を用いる。Ｃ面を主面とし、結晶方位が揃った単結晶性のＡｌＮ膜（ＡｌＮ単結晶膜）が、良好に形成されるからである。また、形成されるＡｌＮ膜の表面平坦性の確保も容易だからである。

本実施の形態に係る方法によるＡｌＮ単結晶膜の形成に際して、サファイア基板上に形成する金属Ａｌ膜の膜厚は０．１μｍ以下であることが望ましい。膜厚が０．１μｍを超えると、ＡｌＮ単結晶膜の表面平坦性が劣化するほか、膜自体の剥離が生じうるからである。また、０．１μｍ以下、つまりは数十ｎｍ程度の厚みで良好な結晶品質を有するＡｌＮ単結晶膜を形成すれば、III族窒化物結晶の成長用下地として好適な膜が形成されていることになるので、それ以上の厚みのＡｌＮ単結晶膜の形成は、良好な下地の形成という目的からは必須ではない。

＜窒化処理装置の構成＞
図１は、本実施の形態に係るＡｌＮ単結晶膜の形成方法に用いる窒化処理装置１００を例示する図である。窒化処理装置１００はいわゆる熱処理炉であり、カーボン製の炉体１０１の中に、図示しない治具によって１または複数のＡｌ膜付きサファイア基板１０を保持可能とされてなる（図１ではサファイア基板１の主面上にＡｌ膜２が形成されたＡｌ膜付きサファイア基板１０が４つ保持されている場合を例示）。また、窒素ガス供給源１０２から供給される窒素ガスを、供給管１０５を通じて炉体１０１の内部へと供給するようになっている。また、炉体１０１には排気口１０６が設けられてなる。なお、炉体１０１の内部は、図示しない加熱手段によって加熱されるようになっている。例えば、抵抗加熱法、ＲＦ加熱法、ランプ加熱法などを用いることができる。

窒化処理においては、炉体１０１の内部を図示しない加熱手段によって加熱しつつ、窒素ガス供給源１０２から窒素ガスを供給することで、Ａｌ膜付きサファイア基板１０が高温の窒素ガス雰囲気にさらされることになる。１３００℃以上の加熱温度で加熱しつつ、窒素ガスを供給することにより、Ａｌ膜２が窒化され、ＡｌＮ単結晶膜が形成されることになる。

例えば、この窒化処理装置１００を用いて、Ｃ面サファイア基板上の３０ｎｍの厚みのＡｌ膜を窒化処理した場合、厚みが３０ｎｍ程度で、ＡＦＭで評価する表面粗さ（ｒａ）が５ｎｍ程度の、Ｃ面を主面とするＡｌＮ単結晶膜を、Ｃ面サファイア基板の主面上に形成することができる。係るＡｌＮ単結晶膜は、III族窒化物結晶の成長用下地として十分な、優れた表面平坦性を有するものである。

以上、説明したように、本実施の形態に係るＡｌＮ単結晶膜の形成方法によれば、ＣＯガスのような毒性のあるガスを用いずとも、III族窒化物結晶の成長用下地として好適なＡｌＮ単結晶膜を形成することができる。

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態においては、カーボン製の炉体１０１を有する窒化処理装置１００の内部にＡｌに対する窒化能（窒化作用）を有する窒素元素含有ガスのみからなる雰囲気を形成してＡｌ膜を窒化させる態様であったが、良好なＡｌＮ単結晶膜を形成することができる雰囲気は、これに限られない。

本実施の形態においては、第１の実施の形態と同様の窒化処理装置の、例えば、サファイア基板の近接する部分や直下や直上に酸化物結晶を載置しておいた状態で、あるいは炉体や炉材を酸化物結晶で形成してなる窒化処理装置で、サファイア基板を加熱するようにする。例えば、サファイア基板を内部で保持するさややるつぼなどを、酸化物結晶で形成するようにしておくのが好適な一態様である。該酸化物結晶は、Ａｌの酸化物であることが望ましい。加熱に際して不純物の発生が抑制できるからである。

図２は、上述のように構成された、本実施の形態に係るＡｌＮ単結晶膜の形成方法に用いる窒化処理装置２００を例示する図である。なお、窒化処理装置２００の構成要素であって、第１の実施の形態に係る窒化処理装置１００の構成要素と同一の作用効果を奏するものは、図２において同一の符号を付してその説明を省略する。

窒化処理装置２００は、カーボン製の炉体１０１の内部に酸化物製のさや２０７を備え、該さや２０７の内部に図示しない治具によって１または複数のＡｌ膜付きサファイア基板１０を保持可能とされてなる（図２では４つのＡｌ膜付きサファイア基板１０が保持されている場合を例示）。さや２０７の素材となる酸化物としては、サファイア基板１に含まれる元素と酸素元素からなるアルミナやサファイアなどが好適である。あるいは、ＭｇＯ、ＢｅＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ₂などを用いる態様であってもよい。また、さや２０７には開口２０８および２０９が設けられており、供給管１０５を通じて供給される窒素ガスがさや２０７にも出入りするようになっている。窒化処理装置２００においても、炉体１０１の内部は、図示しない加熱手段によって加熱されるようになっている。

炉体１０１の内部を図示しない加熱手段によって加熱しつつ、窒素ガス供給源１０２から窒素ガスを供給することで、さや２０７の内部では、酸化物結晶の存在下でＡｌ膜付きサファイア基板１０が高温の窒素ガス雰囲気にさらされることになる。第１の実施の形態と同様に、１３００℃以上の加熱温度で加熱しつつ、窒素ガスを供給することにより、Ａｌ膜２が窒化され、ＡｌＮ単結晶膜が形成される。

この窒化処理装置２００を用いて、Ｃ面サファイア基板上の３０ｎｍの厚みのＡｌ膜を窒化処理した場合には、厚みが３０ｎｍ程度で、ＡＦＭで評価する表面粗さ（ｒａ）が１ｎｍ程度の、Ｃ面を主面とするＡｌＮ単結晶膜を、Ｃ面サファイア基板の主面上に形成することができる。すなわち、本実施の形態においては、第１の実施の形態に係る方法で得られるよりも、さらに表面平坦性が優れたＡｌＮ単結晶膜を形成することができる。

本実施の形態と第１の実施の形態との相違は、さや２０７のような酸化物結晶の存在下で窒化処理を行うか否かという点である。すなわち、少なくとも係る酸化物結晶の存在下での加熱による窒化処理を行うことで、第１の実施の形態よりもさらに表面平坦性の優れたＡｌＮ単結晶膜の形成を実現できるといえる。

さらにいえば、酸化物結晶の存在下で窒化処理を行うべく炉体１０１の内部を加熱すると、酸化物結晶も加熱されることになる。従って、酸化物結晶の存在下での加熱による窒化処理が、第１の実施の形態よりもさらに表面平坦性の優れたＡｌＮ単結晶膜の形成に、寄与するものと考えられる。

以上、説明したように、本実施の形態に係るＡｌＮ単結晶膜の形成方法によれば、酸化物結晶の存在下でサファイア基板上のＡｌ膜を窒化することで、第１の実施の形態に係る方法によって形成するよりもさらに好適なＡｌＮ単結晶膜を、形成することができる。

なお、窒化処理は１３００℃以上という高い加熱温度の下で行うことから、加熱を行うと、窒化処理装置の内部では、酸化物結晶が分解して酸素元素含有ガスが生成することが想定される。換言すれば、酸素元素含有ガスが添加された窒素元素含有ガス雰囲気が形成されることが想定される。本実施の形態においては、酸素元素含有ガスの存在が、第１の実施の形態よりもさらに表面平坦性の優れたＡｌＮ単結晶膜の形成に、寄与するものと考えられる。具体的には、酸素元素含有ガスの存在が、窒化の速度を、良好な平面平坦性を実現する上で好適な範囲に抑制しているものと考えられる。

（実施例１）
Ｃ面サファイア基板の主面上に金属Ａｌ膜を３０ｎｍの厚みに蒸着することによってＡｌ膜付きサファイア基板１０を得た。このＡｌ膜付きサファイア基板１０を、図１に示す窒化処理装置１００の内部に保持し、窒素ガス供給源１０２より窒素ガスを供給して、１６５０℃の加熱温度で２時間加熱した。加熱後のＡｌ膜付きサファイア基板１０の表面には、厚さが３０ｎｍで、表面粗さ（ｒａ）が５ｎｍ程度のＣ面ＡｌＮ単結晶が形成されていた。すなわち、III族窒化物結晶の成長用下地として好適なＡｌＮ単結晶膜を形成できることが確認された。

（比較例１）
Ａｌ膜を形成していないＣ面サファイア基板に対し、実施例１と同様の処理を行った。加熱後のＣ面サファイア基板の表面には、平均厚さ２００ｎｍで、表面粗さ（ｒａ）が２０ｎｍ程度の、結晶方位の異なる成分が混在するＡｌＮ結晶が形成されていた。

（実施例１と比較例１との対比）
実施例１とは異なり、サファイア基板のみを加熱した比較例１においては、ＡｌＮ単結晶膜が形成されなかったことから、実施例１のようにＡｌ膜を窒化することが、サファイア基板上に表面平坦性が良好で、かつIII族窒化物結晶成長用の下地層として好適なＡｌＮ単結晶膜を形成する上で、効果があるといえる。

（実施例２）
実施例１と同様のＡｌ膜付きサファイア基板１０を用意し、これを図２に示す窒化処理装置２００の内部に保持し、窒素ガス供給源１０２より窒素ガスを供給して、１６５０℃の加熱温度で２時間加熱した。加熱後のＡｌ膜付きサファイア基板１０の表面には、厚さが３０ｎｍで、表面粗さ（ｒａ）が１ｎｍ程度のＣ面ＡｌＮ単結晶が形成されていた。すなわち、酸化物結晶の存在下で窒化処理を行うことで、実施例１よりもさらに表面平坦性の良好なＡｌＮ単結晶膜を形成できることが確認された。

第１の実施の形態に係るＡｌＮ単結晶膜の形成方法に用いる窒化処理装置１００を例示する図である。第２の実施の形態に係るＡｌＮ単結晶膜の形成方法に用いる窒化処理装置２００を例示する図である。

符号の説明

１サファイア基板
２（金属）Ａｌ膜
１０Ａｌ膜付きサファイア基板
１００、２００窒化処理装置
１０１炉体
１０２窒素ガス供給源
１０５供給管
１０６排気口
２０７さや
２０８、２０９開口

Claims

サファイア基板上にＡｌＮ単結晶膜を形成する方法であって、
Ａｌに対する窒化能を有する窒素元素含有ガスの雰囲気の下で、金属Ａｌ膜が主面の上に形成されたサファイア単結晶基板を１３００℃以上の加熱温度で加熱することによって、前記主面の上にＡｌＮ単結晶膜を形成させる、
ことを特徴とするＡｌＮ単結晶膜の形成方法。
請求項１に記載のＡｌＮ単結晶膜の形成方法であって、
前記サファイア単結晶基板の主面がＣ面である、
ことを特徴とするＡｌＮ単結晶膜の形成方法。
請求項１または請求項２に記載のＡｌＮ単結晶膜の形成方法であって、
前記雰囲気の中に所定の酸化物を存在させた状態で前記サファイア単結晶基板を加熱する、
ことを特徴とするＡｌＮ単結晶膜の形成方法。
請求項３に記載のＡｌＮ単結晶膜の形成方法であって、
前記所定の酸化物がＡｌの酸化物である、
ことを特徴とするＡｌＮ単結晶膜の形成方法。