JP4716526B2 - サファイア基板を活性窒素に暴露して半導体デバイスを作製する方法及び半導体デバイス - Google Patents

サファイア基板を活性窒素に暴露して半導体デバイスを作製する方法及び半導体デバイス Download PDF

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Description

本発明は、電子サイクロトロン共鳴マイクロ波プラズマアシスト単結晶ビームエピタキシー（ＥＣＲ-assisted ＭＢＥ）によって作製される単結晶窒化ガリウム薄膜を有する半導体デバイスに関する。更に、本発明は、ｎ形又はｐ形の窒化ガリウム（ＧaＮ）膜を有する半導体デバイスに関する。
単結晶ＧaＮは電子的特性及び光学的特性に有用である見込みがあるため、これを作製する試みが行われている。ＧaＮは廉価でかつコンパクトな固体の青いレーザーの有望な源である。ＧaＮのバンドギャップは約３.４eＶであり、これはＵＶ〜可視領域の端の光を発することができることを意味している。真性ＧaＮでは、キャリヤー濃度（ｎi）は５.２×１０3cm-3、移動度は３３０cm2Ｖ-1ｓ-1で、抵抗率は３.６×１０12Ω-cmである。
単結晶ＧaＮ膜が所望されているにもかかわらず、その開発はその成長過程において遭遇する多くの問題のために遅れている。単結晶ＧaＮ膜を作製するために行われて来た従来の試みではキャリヤー濃度の高いｎ形膜が作製されてきた。ｎ形の特性は、結晶構造中に含まれる窒素の空孔のためである。なお、空孔は、該膜の成長中に結晶格子中へ組み込まれる。結果として、膜は、成長中に意図せずに窒素でドープされる。窒素の空孔は該膜の電子的特性及び光学的特性に影響を及ぼす。
ＥＣＲ-アシスト有機金属気相成長により、高度に導電性でかつ意図せずにドープされたｎ形のＧaＮ膜が得られた（Ｓ.ＺembutsuとＴ.Ｓasaki Ｊ.Ｃryst. Ｇrowth ７７，２５−２６（１９８６））。キャリヤー濃度は１×１０19cm-3で、移動度は５０〜１００cm2Ｖ-1ｓ-1であった。膜をｐ形にドープする試みは成功していない。キャリヤー濃度は補正によって低くさせた、すなわち、ドナー濃度をアクセプタ不純物の添加によって”中性化”させた。
高抵抗性の膜を窒素雰囲気で超純度のガリウムターゲットを用いてスパッターリングして作製した。膜はｎ形で、高抵抗性は膜が多結晶性のためであった（Ｅ.Ｌakshmi他 Ｔhin Ｓolid Ｆilms ７４，７７（１９７７））。
反応性イオン分子ビームエピタキシーでは、ガリウムは標準的な発散セル（effusion cell）から供給し、窒素はイオンビームによって供給した。単結晶膜はｎ形だが、抵抗率は１０6Ω-cm とより高く、キャリヤー濃度と移動度は比較的低い（１０14cm-3と１〜１０cm2Ｖ-1ｓ-1）ものが得られた（Ｒ.Ｃ.Ｐowell他"Ｄiamond, Ｓilicon Ｃarbide and Ｒelated Ｗide Ｂandgap Ｓemiconductors”Ｖol.１６２，Ｊ.Ｔ.Ｇlass，Ｒ.ＭessierおよびＮ.Ｆujimori著、（Ｍaterial Ｒesearch Ｓociety，Ｐittsburgh，１９９０），５２５〜５３０頁）。
唯一報告されているｐ形ＧaＮは低いエネルギーの電子ビームを放射して成長の後に処理したＭgドープＧaＮであった。ｐ形の導電性はｎ形ＧaＮを補正することによって達成された（Ｈ.Ａmano他、Ｊap.Ｊ Ａppl.Ｐhys.２８（１２），Ｌ２１１２〜Ｌ２１１４（１９８９））。
現在のＧaＮ作製方法は、格子内の窒素空孔を制御することができない。したがって、真性ＧaＮを作製することができない。さらに、ＧaＮ膜のドープ工程を制御して、ｐ-ｎ接合の製造を可能ならしめることが望ましい。本発明は、真性に近い単結晶ＧaＮ膜を有し、かつこの膜をｎ形又はｐ形に選択的にドープした半導体デバイスを提供する。
本発明の高度に絶縁性の真性に近い単結晶ＧaＮ膜を有する半導体デバイスはＥＣＲアシストＭＢＥを利用する装置によって作製される。装置の好適な実施例においては、Ｇaの分子ビーム源と活性窒素源をＭＢＥ成長室内に設ける。所望の基板をＧa と活性窒素に暴露する。膜を２つの工程、低温核形成工程と高温成長工程でエピタキシャル成長させる。核形成工程は基板を１００〜４００℃の範囲の温度の窒素プラズマとガリウムに暴露させるのが好ましく、高温成長工程は６００〜９００℃の範囲の温度で実施するのが好ましい。好適な基板には、例えば、（１００）と（１１１）のシリコンと（０００１）、（１１−２０）及び（１−１０２）のサファイア、（１１１）と（１００）のヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛及び炭化ケイ素がある。好適な活性窒素種源は、電子サイクロトロン共鳴マイクロ波プラズマもしくはホットタングステンフィラメント又はその他の慣用的な方法によって生じうる窒素プラズマである。
好適な実施例では、窒素プラズマの圧力とＧa フラックスの圧力を制御して、金属ガリウムの膜表面のビード（beading）の形成と格子内の窒素空孔の形成を阻止する。Ｇa フラックスは２.０〜５.０×１０-7トルの範囲にあるのが好ましい。成長室内では窒素の過圧があるのが好ましく、過圧は１０-3〜１０-5トルの範囲であるのがより好ましい。
更に別の好適な実施例では、低温核形成工程において３〜１５分間基板をＧaと窒素に暴露させる。厚さが２００〜５００Åの膜を蒸着させる。この膜は、核形成工程の低温下においては非晶質である。非晶質膜を活性窒素の存在下において６００〜９００℃で加熱することによって結晶化することができる。続いて、高温、好ましくは６００〜９００℃の処理を行うと、単結晶の真性に近いＧaＮ膜のエピタキシャル成長が行われる。成長層の好適な厚さは０.５〜１０μmの範囲内である。
本発明の別の実施例では、単結晶ＧaＮ膜をｎ形又はｐ形で優先的にドープする。ｐ形半導体を作り出すために、ＭＢＥ成長室にはＧa、活性窒素及びアクセプタの各源が備えられている。アクセプタ源には、Ｂe、Ｚn、Ｃd 及びＣa のようなII族の元素が含まれる。基板には、基板表面へ又は基板の正面に直接おかれた金属グリッドへ正のバイアスを付加することによって電子を衝突させる。低温蒸着及び高温蒸着の条件は既述の通りである。基板をＧa、窒素及びアクセプタの源に暴露させると、ドープされたＧaＮ膜が得られ、アクセプタは電子を帯びて陰電荷の種として格子内に組み込まれる。電荷を有するアクセプタ種は中性のアクセプタに比べて低いエネルギーでＧaＮ格子内に組み込むことができる。物質をｎ形でドープするために、基板又はグリッドに負のバイアスをかけることによって陽イオンを衝突させる。従って、ドナー不純物は荷電状態でＧaＮに組み込まれる。これは、中性のドナー種を組み込む場合と比べて低いエネルギーしか必要としないことを意味する。適切なドナーにはIV族とVI族の元素がある。このようにして、２００℃で１０10Ω-cm の抵抗率と１００cm2Ｖ-1ｓ-1の移動度を有する真性に近いＧaＮ膜を作製することができる。ｐ形半導体とｎ形半導体を、単に表面又はグリッドバイアス及び不純物源を選択することによって選択的に作製することができる。あるいは、ｐ-ｎ接合を効果的に製造することも可能である。
本発明の絶縁性単結晶ＧaＮ膜を有する半導体デバイスを作製する方法と装置の好ましい態様は、以下の（１）〜（２１）によって要約される。
（１）絶縁性単結晶ＧaＮ膜を作製する方法であって、
分子ビームエピタキシャル反応室内に、所望の相のＧaＮに整合する適当な格子を有する単結晶基板を設け、
分子ビームガリウム源を設け、
活性窒素源を設け、そして
前記基板を前記のガリウム源と窒素源に暴露することによって、下記の２工程成長法を用いてＧaＮ膜を蒸着する：
工程中に、基板が約１００℃〜４００℃の温度に維持され、そして実質的に一定のガリウムフラックス圧力と実質的に一定の窒素圧力が維持される、低温核形成工程、および
工程中に、基板が約６００℃〜９００℃の温度に維持され、そして実質的に一定のガリウムフラックス圧力と実質的に一定の窒素圧力が維持される、高温成長工程、
以上の工程を含む方法。
（２）ドープしたｐ形ＧaＮ膜を作製する方法であって、
分子ビームエピタキシャル反応室内に、所望の相のＧaＮに整合する適当な格子を有する単結晶基板を設け、
ガリウム源、窒素プラズマ源およびアクセプタ源を設け、
前記基板を、約１００℃〜４００℃の温度において、実質的に一定のフラックス圧力に維持された前記ガリウム源と実質的に一定の圧力に維持された前記窒素源に暴露することによって核形成工程を実施し、
約６００℃〜９００℃の温度において成長工程を実施して、それによって前記基板上にＧaＮ膜を蒸着させ、
前記基板の表面に正のバイアスをかけて、そして
前記表面を、前記実質的に一定のフラックス圧力に維持された前記ガリウム源、前記実質的に一定の圧力に維持された前記窒素源、及び前記アクセプタ源に暴露することによって、ドープしたＧaＮ膜を蒸着させて、それによって、前記成長工程の間前記アクセプタを負に荷電した状態におく、
以上の工程を含む方法。
（３）ドープしたｎ形ＧaＮ膜を作製する方法であって、
分子ビームエピタキシャル反応室内に、所望の相のＧaＮに整合する適当な格子を有する単結晶基板を設け、
ガリウム源、窒素プラズマ源およびドナー源を設け、
核形成工程において前記基板を前記のガリウム源と窒素源に低温で暴露し、このとき、基板は約１００℃〜４００℃の温度に維持され、また実質的に一定のガリウムフラックス圧力と実質的に一定の窒素圧力が維持され、そして
６００℃〜９００℃の温度において成長工程を実施して前記基板上にＧaＮ膜を蒸着さ
せ、さらに
前記基板の表面を負にバイアスさせ、そして
前記表面を、前記実質的に一定のフラックス圧力に維持された前記ガリウム源、前記実質的に一定の圧力に維持された前記窒素源、及び前記ドナー源に暴露することによって、ドープしたＧaＮ膜を蒸着させて、それによって、前記成長工程の間前記ドナーを正に荷電した状態におく、
以上の工程を含む方法。
（４）前記の単結晶基板は（１００）シリコン又は（１１１）シリコン、（１１-３）サファイア、（０００１）サファイア又は（１-１０２）サファイア、（１００）ヒ化ガリウム又は（１１１）ヒ化ガリウム、炭化ケイ素、酸化亜鉛又は酸化マグネシウムである、
（１）（２）又は（３）に記載の方法。
（５）前記ガリウム源はクヌーセン発散セル又は金属-有機源である、（１）（２）又は（３）に記載の方法。
（６）前記金属−有機源がトリメチルガリウムである、（５）に記載の方法。
（７）ガリウムフラックス圧力は約２.０〜５.０×１０-7トルの範囲である、（１）（２）又は（３）に記載の方法。
（８）前記活性窒素源は電子サイクロトロン共鳴マイクロ波プラズマ（ＥＣＲ源）またはホットタングステンフィラメントで発生した窒素のプラズマである、（１）（２）又は（３）に記載の方法。
（９）窒素の過圧を前記成長室内で保持する、（１）（２）又は（３）に記載の方法。
（１０）前記窒素圧力／前記ガリウムフラックス圧力の比率は約１０2〜１０4の範囲である、（１）（２）又は（３）に記載の方法。
（１１）活性窒素源には窒素原子種又は窒素イオン種が含まれる、（１）（２）又は（３）に記載の方法。
（１２）前記の低温核形成工程には、基板を前記のガリウム源と窒素源へ３〜１５分間暴露することが含まれる、（１）（２）又は（３）に記載の方法。
（１３）前記膜の厚さは３０〜５００Åである、（１２）に記載の方法。
（１４）前記の高温成長工程で０.５〜１０μmの厚さの膜を蒸着する、（１）（２）又は（３）に記載の方法。
（１５）基板の表面を荷電させる前記工程は、前記基板の直前におかれたグリッドに電気的にバイアスをかけるか、電子ガンからの電子を前記表面に衝突させるか、イオンガンからの陽イオンを前記表面に衝突させるか、または前記基板表面の背面に電気アースを設けることを含む、（２）又は（３）に記載の方法。
（１６）前記成長工程には、基板を８００℃未満の温度に保持することを含む、（１）（２）又は（３）に記載の方法。
（１７）前記成長工程には、基板を６００℃以下の温度に保持することを含む、（１６）に記載の方法。
（１８）絶縁性単結晶ＧaＮ膜の作製装置であって、
所望の相のＧaＮと整合する適当な格子を有する単結晶基板を収容する分子ビームエピタキシャル反応室、
分子ビームガリウム源、
活性窒素源、および
前記基板を前記のガリウム源と窒素源に暴露させて、低温核形成工程と高温成長工程を含む２工程成長法を用いて膜を蒸着させる手段、
を含む装置。
（１９）ドープしたＧaＮ膜の作製装置であって、
所望の相のＧaＮと整合する適当な格子を有する単結晶基板を収容する分子ビームエピタキシャル反応室、
ガリウム源、活性窒素源及びアクセプタまたはドナー源、
前記基板の表面に負または正のバイアスをかける手段、および
前記基板を前記のガリウム源、窒素源及びアクセプタまたはドナー源に暴露して、低温核形成工程と高温成長工程とを含む２工程成長法を用いて膜を蒸着させる手段、
を含む装置。
（２０）高絶縁性単結晶ＧaＮ薄膜の作製装置であって、
膜を蒸着させるべき基板を収容する分子ビームエピタキシャル反応室、
前記膜の一つの成分の活性種を前記基板に向かわせるための電子サイクロトロン共鳴マイクロ波プラズマ源、および
前記膜の別の成分のビームを前記基板に向けて、前記基板上に前記膜を蒸着させる装置、
を含む装置。
（２１）アクセプタ不純物又はドナー不純物を前記基板に向かわせる装置、および前記基板に適切に電気的にバイアスをかけることによって前記アクセプタ不純物又はドナー不純物を前記膜の中に取り込ませる装置をさらに含む、（２０）に記載の装置。
ＧaＮの意図しないドープはＧaＮ格子内の窒素の空孔の形成による。ＧaＮは、上記方法の処理温度（＞１０００℃）より十分に低い温度である約６５０℃で分解する（かつ窒素を失う）。それ故、成長法自身が空孔形成のために十分な熱エネルギーを提供することになる。より低い温度での成長方法では、窒素の格子内の空孔の数が減り、ＧaＮ格子に意図しないｎ形ドープが行なわれるのが阻止され、真性ＧaＮの形成が達成される。
上記の装置を用いると、活性窒素源を利用して有意的に低い処理温度でＧaＮを形成することができる。ＥＣＲマイクロ波窒素プラズマは好適な活性窒素源である。２工程加熱法によれば、より低い温度で単結晶ＧaＮを形成することができる。
本発明の半導体デバイスを作製するためのＥＣＲ-ＭＢＥシステムは図１に示されているものである。ＥＣＲシステム１０は、ＥＣＲシステムが発散口１２に取り付けられていることによってＭＢＥシステム１１と一体にされている。ＥＣＲシステムには、マイクロ波発生器１３、導波器１４、高真空プラズマ室１５及び２つの電磁石１６、１７が含まれている。２.４３ＧＨz のマイクロ波をマイクロ波発生器１３で発生させて長四角形の導波器１４に移送させる。１００〜５００Ｗのパワーのマイクロ波が導波器１４を通過してプラズマ室１５に至る。窒素がマスフロー制御器１８を通ってプラズマ室１５に流れ込む。マスフロー制御器１８は調節可能な一定の流速を維持する。上方の磁石１６は２kＷの出力供給器（図示せず）により機能し、下方の磁石１７は５kＷの出力供給器（図示せず）により機能する。このようにして電磁石を配置するとより強力で安定なプラズマが生ずる。
上方の電磁石１６は室１５内の自由電子をサイクロトロン軌道におく。サイクロトロンの振動数は磁界の強度と電子の電荷-質量比（charge-ｍass ratio）に依存して変わる。全ての電子がサイクロトロンの軌道にあると想定されるので、ランダムな動きと衝突で失われるエネルギーは減る。更に、プラズマは室１５の中央へ閉じ込められる。磁界は、マイクロ波の振幅の振動数が電子のサイクロトロン振動数にちょうど等しくなるように調整される。その後、Ｎ2をマスフロー制御器１８を通過させて室内へ導入させ、そして、高エネルギーの電子の衝突によって、高エネルギーの窒素原子と窒素イオンに分解させる。その後、下方の電磁石１７がイオンを発散口１２を通過させて基板１９まで誘導する。該基板１９は、ＭＢＥシステム１１の成長室２１内の連続方位回転（continuous azimuthal rotation）（Ｃ.Ａ.Ｒ.）装置２０上におかれたものである。
Ｃ.Ａ.Ｒ.２０を０〜１２０rpm の間で回転させることができる。ある種の基板上ではＧaＮ膜はウルツ鉱型（wurtzitic）構造で成長し、その他の基板上ではＧaＮ膜はジンクブレンデ型（zincblende）構造で成長する。このような基板には、例えば、サファイア（ウルツ鉱型構造のＧaＮ）やＳi（１００）（ジンクブレンデ型構造のＧaＮ）がある。ガリウムフラックスはクヌーセン発散セル２２で発生する。
典型的な方法においては、基板１９を６００℃の窒素でスパッターエッチングした。基板を２７０℃まで窒素プラズマの存在下で冷却した。その後、Ｇa シャッター２３を開いて、始めにＧaＮのバッファ層を蒸着した。活性窒素源を使用することにより、ＧaＮを低温で蒸着させることが可能となった。バッファ層は１０分以上にわたって核形成を可能とし、その後に、Ｇa シャッター２３を閉めて該膜の核形成を止めた。その後に、基板を、窒素プラズマの存在下において１５秒毎に４℃の割合でゆっくりと６００℃にした。窒素の過圧も窒素空孔の形成を減らすのを助けた。
６００℃まで至った後、基板１９を窒素プラズマの存在下において３０分間この温度で保持してＧaＮバッファ層を結晶化させた。Ｇa シャッター２３をもう一度開けて、ＧaＮ単結晶膜を成長させた。膜の厚さは、理論上は制限はないが、約１μm であった。窒素圧力とガリウムフラックスは全工程にわたって一定に保たれている。
２工程成長法によれば、バッファ層の核形成を可能とする。バッファ層は１００〜４０
０℃の範囲の温度で成長する。温度が低いために、窒素の空孔が形成される可能性は低い。温度が６００℃まで上がるにつれて、非晶質膜が結晶化する。この２工程法により成長した膜は１工程法により成長した膜より優れている。
図２および図３は、１工程法（図２）と２工程法（図３）での（１１−２０）サファイアのα面上に成長したＧaＮ膜のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを示している。図２の約２θ＝３５°における２つのピークはＧaＮ結晶が不完全なためである。図３は、よりよい品質の膜であることを示す単一のピークを示している。これは、ＧaＮバッファの上に大部分の膜が成長して下層の基板が見えないためである。ＧaＮの成長層はＧaＮバッファ層を"認めて”、その上に該成長層が欠陥なく成長することができるからである。バッファは唯一のかなり欠陥のある部分の膜である。
既述の方法で成長した膜は室温で抵抗率が高い（１０10Ω-cm）。この物質の移動度は１０cm2Ｖ-1ｓ-1であり、真性ＧaＮの理論移動度である３３０Ω-cm-3に比べて応分な値である。
ＧaＮ膜を、荷電状態にある適当な不純物を組み入れることによってｎ形又はｐ形にドープする。これは、格子内に荷電不純物を組み入れるのに必要なエネルギーは中性の不純物を組み入れるのに必要なエネルギーより低いからである。図４は、荷電アクセプタをＧaＮ格子へドープすることを概略的に示したものである。基板１９又はその前に直接おかれたグリッド１９ａに正のバイアスをかける。図４は、基板１９とグリッド１９ａの両方が電圧源に結合していることを示している。本発明を実施する際には、基板１９又はグリッド１９ａのいずれかに正のバイアスをかけることになるであろう。それ故、電子は基板表面へ引き寄せられ、一方で、Ｎ+のような陽イオンは反発される。成長方法は、既述のようにアクセプタ源２４を加えて実施して、Ｇa、窒素及びアクセプタを基板の電子で富化した表面に蒸着させる。アクセプタの原子が表面に近づくにつれて、それは電子を帯びて陰の種として格子内へ組み込まれる。組み込まれる際のエネルギーは中性のアクセプタ種と比べて低い。基板又はグリッドに負のバイアスをかけることを除いては同じようにして、ＧaＮ格子にドナー不純物をドープする。あるいは、基板表面に電子又は陽イオンを衝突させることによって、荷電表面を作り出すことができる。電子ガンとイオンガンは、それぞれ、これらの種の慣用的な源である。
適切なアクセプタ種には、例えば、マグネシウム、ベリリウム、カルシウムなどがある。適切なドナー種には、例えば、シリコン、ゲルマニウム、酸素、セレン、硫黄などがある。
本発明に係る半導体デバイスを作製するためのＥＣＲアシストＭＢＥ成長室の断面図である。 １工程法で成長した（１１−２０）サファイア上のＧaＮ膜のＸ線回折パターンである。 ２工程法で成長した（１１−２０）サファイア上のＧaＮ膜のＸ線回折パターンである。 本発明に係るＧaＮ膜をドープする装置の概略図である。

Claims (8)

  1. 半導体デバイスの作製方法であって、該方法は、
    第１の温度でサファイア基板の表面を活性窒素に暴露し、窒化サファイア基板を形成するステップと、
    前記窒化サファイア基板を、前記第１の温度より低温の第２の温度まで活性窒素の存在下で冷却するステップと、
    続いて、第２の温度で、前記窒化サファイア基板の表面にガリウムと活性窒素とを暴露することで２０〜５０ｎｍの窒化ガリウムのバッファ層を堆積するステップと、
    前記バッファ層の堆積後、活性窒素の存在下において、前記第２の温度よりも高い第３の温度に維持して前記バッファ層を結晶化するステップと、
    前記第３の温度で、前記バッファ層上にガリウムと活性窒素とを暴露することで成長層である窒化ガリウム単結晶膜を堆積するステップと
    を備え、
    前記第１の温度は、６００℃であり、
    前記第２の温度は、１００℃〜４００℃の範囲の温度であり、
    前記第３の温度は、６００℃〜９００℃の範囲の温度であり、
    前記各ステップは分子ビームエピタキシャル反応室内で実施される、
    方法。
  2. 請求項１記載の方法において、前記第２の温度は２７０℃で実施される、方法。
  3. 請求項１記載の方法において、前記暴露するステップが、
    （１）窒素含有ガスを、堆積システムに導入するステップ、及び
    （２）前記堆積システム内で、前記窒素含有ガスを活性化するステップ
    を備えている、方法。
  4. 請求項３記載の方法において、前記堆積システムは、分子ビームエピタキシャル反応室を備え、前記活性窒素は、前記分子ビームエピタキシャル反応室内の窒素プラズマに含有される活性窒素種を含む、方法。
  5. 請求項４記載の方法において、前記分子ビームエピタキシャル反応室は、そこに取り付けられた電子サイクロトロン共鳴システムを有し、前記窒素プラズマは、前記電子サイクロトロン共鳴システムにより引き起こされる、前記分子ビームエピタキシャル反応室内の前記窒素含有ガスと高エネルギ電子との間の相互作用により創出される、方法。
  6. 請求項５記載の方法において、前記分子ビームエピタキシャル反応室は、加熱タングステンフィラメントを備えている、方法。
  7. 請求項５記載の方法において、前記分子ビームエピタキシャル反応室は、マイクロ波発生器を備えている、方法。
  8. 請求項１記載の方法において、前記成長層を堆積するステップは、基板の表面に正又は負のバイアスをかけ、ｐ型又はｎ型のドープ材料を含む、方法。
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