JP6110106B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜形成装置に関する。

近年、ＬＥＤや半導体レーザ等の発光デバイス、電力用や自動車用のパワートランジスタ等のパワー半導体デバイスは高性能化が進んでいる。これらのデバイスの作成に用いられる各種薄膜にも高い品質と生産性が求められている。これらの分野では、ＧａＮやＡｌＧａＮ等のIII−Ｖ族化合物半導体が必須であり、デバイス製造においてIII−Ｖ族化合物半導体の薄膜を高品質に製作することが重要である。

上記発光デバイスには、例えばサファイア基板上にエピタキシャル成長させた半導体薄膜が用いられている。また、上記パワー半導体デバイスには、例えばシリコン基板上にエピタキシャル成長させた半導体薄膜が用いられている。これらのデバイスの生産量は飛躍的に増大しており、化合物半導体薄膜の品質と生産性の向上を両立することが求められている。

化合物半導体薄膜の成膜方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemichal Vapor DepositionまたはＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）、プラズマアシストＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）、ＰＬＤ（Pulse Laser Deposition）法等が研究・開発されている。例えば、特許文献１には、ＭＯＣＶＤ装置が開示されている。

図１１は、従来のＭＯＣＶＤ装置を用いた薄膜形成装置を示す概略断面図である。図１１に示すように、ＭＯＣＶＤ装置は、反応ガス噴射管５２、副噴射管５３、回転試料台（サセプター）５４、シャフト５５、反応容器５６、ヒータ５７、排気部５８等を備える。回転試料台５４はシャフト５５を軸として反応容器５６内で回転可能に設けられている。回転試料台５４の下部にはヒータ５７が設けられている。回転試料台５４上には基板５１が載置され、基板５１は回転試料台５４を介してヒータ５７により加熱される。

反応ガス噴射管５２は反応容器５６の側壁に設けられ、加熱された基板５１の上面に横方向から反応ガスを供給する。反応ガスが加熱された基板上で熱により反応し、基板上に半導体薄膜が形成される。

反応ガスは例えばＮＨ_３、Ｈ_２、ＴＭＧ（トリメチルガリウム、Ｇａ（ＣＨ_３）_３）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、Ａｌ（ＣＨ_３）_３）ガスである。例えばＧａＮ膜を形成する場合、Ｇａの供給源としてＴＭＧガスを用い、Ｎの供給源としてＮＨ_３ガスを用いる。他の化合物半導体薄膜を形成する場合も同様に、Ｎの供給源としてＮＨ_３を用いる。ＡｌＮ膜の場合、Ａｌの供給源としてＴＭＡ、Ｎの供給源としてＮＨ_３ガスを用いる。ＡｌＧａＮ膜の場合、Ａｌの供給源としてＴＭＡ、Ｇａの供給源としてＴＭＧ、Ｎの供給源としてＮＨ_３ガスを用いる。

副噴射管５３は反応容器５６の上部に設けられ、加熱された基板５１の上部に押圧ガスを噴射する。押圧ガスは、例えばＮ_２等の不活性ガスである。押圧ガスを基板５１上に噴射することで、対流により反応ガスが基板上から拡散することを防いでいる。
排気部５８は反応容器５６の下部に設けられている。反応容器５６内の気体が排気部５８から排出されることにより、反応容器５６内が所定の圧力に設定される。

一方、高品質な薄膜を形成する方法として、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）法を用いて生成されるプラズマ流を用いた薄膜形成方法が知られている。ＥＣＲ薄膜形成方法は、例えば半導体レーザの端面コーティングや、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイスの保護膜等、高品質の薄膜を低温で形成することが要求される分野における生産用途に幅広く使用されている。例えば、特許文献２には、成膜原料をスパッタ方式で供給する薄膜形成装置において、膜の均一性を向上させることが開示されている。また、特許文献３には、長時間安定してプラズマを発生させることができる薄膜形成装置が開示されている。

特許第２６２８４０４号公報 特許第３２０８４３９号公報 特許第３１３６３８６号公報

ＭＯＣＶＤ法では、膜形成用ガスとして有機金属ガスを用い、Ｎの供給源としてＮＨ_３を用いている。Ｎの供給源として安価なＮ_２を用いないのは、ＮＨ_３のほうがＮ_２よりも反応性が高く、膜を形成しやすいためである。しかし、金属を窒化させるためには大きな反応エネルギーが必要なため、ＮＨ_３を用いても、反応効率が非常に低い。このため、基板を１０００℃以上の高温に加熱し、かつ数十ｌ／分という大量のＮＨ_３を流す必要がある。

一方、成膜の原料となる有機金属ガスの流量は１０ｓｃｃｍ以下と少ない。例えば、ＮＨ_３とＴＭＧガスの比率（ＩＩＩ／Ｖ族比）は、通常５０００〜１００００倍と言われている。このため、ほとんどのＮＨ_３が成膜に寄与することなく廃棄され、無駄が多い。
また、ＭＯＣＶＤ法では反応温度が高いため、回転試料台や回転機構の耐熱性を高める必要があった。また、高温で成膜すると基板が変形し、冷却後に薄膜が破損するおそれがある。さらに、複雑なガスの流れと基板温度を同時に精密に制御する必要があり、成膜の再現性が低かった。このため、コスト削減のために要求される基板の大面積化が実現できなかった。

一方、ＥＣＲ薄膜形成法では、低温で成膜が可能であることが知られている。しかし、従来のＥＣＲ薄膜形成装置では、成膜原料をスパッタ方式で供給するため、成膜の原料となる金属でターゲットを作成する必要がある。ターゲットとして焼結体を形成する際のバインダーに不純物が含まれると、膜質及び膜厚の均一な薄膜が得られない。

そこで、本発明は、上記問題を解決するために、プラズマ流を用いた薄膜形成方法を応用し、膜質及び膜厚の均一な薄膜を形成することができる薄膜形成装置を提供することを目的とする。

上記目的は、以下の薄膜形成装置で達成される。
すなわち、薄膜形成装置は、基板を支持するとともに、前記基板を前記基板の面内で回転させる回転試料台と、前記基板を加熱する加熱部と、プラズマ流を発生させ、前記回転試料台の回転軸に対して傾斜した角度から前記プラズマ流を前記基板に照射するプラズマ発生部と、前記プラズマ流の流出口の周囲に複数配置され、膜形成用ガスを前記基板に向けて噴射するガス噴射口と、を備える。

その際、前記ガス噴射口は、前記プラズマ流の中心軸上であって前記基板側の一点に向けて前記膜形成用ガスを噴射することが好ましい。

さらに、前記プラズマ発生部は、電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生させることが好ましい。

さらに、ガス噴射口は前記流出口の周囲に分散し、かつ前記プラズマ流の中心軸から等距離となるように配置されることが好ましい。
さらに、前記ガス噴射口に前記膜形成用ガスを供給する環状のガス供給部を前記流出口の周囲に備えることが好ましい。

さらに、前記プラズマ発生部は、前記プラズマ流の中心軸が前記回転試料台の回転軸に対して２０〜５０°傾斜するように前記プラズマ流を前記基板に照射することが好ましい。

さらに、前記ガス噴射口は有機金属ガスを前記基板に向けて噴射し、前記プラズマ発生部はＮ_２またはＮＨ_３を用いてプラズマを形成することが好ましい。

前記ガス噴射口は、前記有機金属ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム、Ｇａ（ＣＨ_３）_３）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、Ａｌ（ＣＨ_３）_３）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）ガスの少なくとも１つを噴射することが好ましい。

その際、前記加熱部は、前記基板を１００〜８００℃に加熱することが好ましい。

また、前記回転試料台は前記基板を水平に支持するとともに、前記基板の下面を露出させる開口を有することが好ましい。

上記薄膜形成装置によれば、加熱部により基板を加熱しながら回転試料台により基板を基板の面内で回転させ、プラズマ発生部により発生させたプラズマ流を、回転試料台の回転軸に対して傾斜した角度から基板に照射するとともに、プラズマ流の流出口の周囲に複数配置されたガス噴射口から膜形成用ガスを基板に向けて噴射することで、基板表面に膜質及び膜厚の均一な薄膜を形成することができる。

本発明の薄膜形成装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の薄膜形成装置に用いるガス供給部の一例を基板側から見た図である。 本実施形態の薄膜形成装置を使用し、ＮＨ_３を用いて成膜したＧａＮ膜の成膜速度及び屈折率の分布を示す図である。 本実施形態の薄膜形成装置を使用し、ＮＨ_３を用いて成膜したＧａＮ膜の成膜速度及び屈折率を示す図である。 本実施形態の薄膜形成装置を使用し、サファイア基板上にＮＨ_３を用いて成膜したＧａＮ薄膜のフォトルミネセンス（ＰＬ）発光のスペクトルを示す図である。 本実施形態の薄膜形成装置を使用し、シリコン基板上にＮＨ_３を用いて成膜したＧａＮ薄膜のフォトルミネセンス（ＰＬ）発光のスペクトルを示す図である。 本実施形態の薄膜形成装置を使用し、Ｎ_２を用いて成膜したＧａＮ膜の成膜速度及び屈折率の分布を示す図である。 本実施形態の薄膜形成装置を使用し、Ｎ_２を用いて成膜したＧａＮ膜の成膜速度及び屈折率を示す図である。 本実施形態の薄膜形成装置を使用し、サファイア基板上にＮ_２を用いて成膜したＧａＮ膜のＸ線回折測定結果を示す図である。 本実施形態の薄膜形成装置を使用し、シリコン基板上にＮ_２を用いて成膜したＧａＮ薄膜のフォトルミネセンス発光のスペクトルを示す図である。 従来の薄膜形成装置を示す概略断面図である。

以下、本発明の薄膜形成装置について、添付の図面に示される実施形態を基に詳細に説明する。
図１は、本発明の薄膜形成装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１に示すように、薄膜形成装置１は、成膜部１０、及びプラズマ発生部３０を備える。

成膜部１０は、成膜容器１１、回転試料台１２、ヒータ１３（加熱部）、排気部１４、プラズマ流出口１５、シャッター１６、ガス供給部２０を備える。
成膜容器１１は、外気から内部の成膜空間を遮断し、成膜空間を低圧に維持できる筐体である。なお、図示しないが、成膜容器１１には、膜を形成する基板２を出し入れするための出入口と、出入口を気密に閉塞する蓋が設けられている。

回転試料台１２は成膜容器１１内で基板２を水平に支持する環状の台であり、基板２の外周部を支持した状態で、回転軸３を中心に回転可能である。回転試料台１２が回転軸３を中心に回転することにより、基板２は回転軸３を中心に基板２の面内で回転する。回転試料台１２の中央には基板２の下面を露出させる開口１２１が設けられている。基板２は、例えばシリコン基板やサファイア基板等である。基板２の大きさは任意であり、例えば直径１２インチ（３０．４８ｃｍ）までの大面積の基板に対して均一な薄膜を形成することができる。

ヒータ１３は回転試料台１２の上部に設けられ、輻射熱により回転試料台１２上の基板２を、膜形成用ガスと窒素を含むプラズマとが反応して薄膜を形成するのに最適な温度となるように加熱する。

成膜容器１１の上部には排気部１４が設けられている。排気部１４は成膜容器１１内を真空引きする図示されない真空ポンプを備え、真空ポンプにより成膜容器１１内の圧力が所定の圧力（例えば成膜時圧力で１０^−１Ｐａ以下、到達真空度１０^−４Ｐａ以下）に設定される。
成膜容器１１の成膜空間内の下部には、基板２に対して斜め下方向の壁面にプラズマ流出口１５が設けられている。プラズマ流出口１５はプラズマ発生部３０のプラズマ生成容器３１に通じている。プラズマ流出口１５からは、プラズマ発生部３０で生成された窒素を含むプラズマが基板２の下面に向かって照射される。

なお、プラズマ流出口１５の中心軸は、回転試料台１２の中心軸に対して２０〜５０°傾いており、かつ、回転試料台１２により支持される基板２の中心を通っていない。このため、プラズマ流出口１５から照射されるプラズマ流４の中心軸５も、回転試料台１２の中心軸に対して２０〜５０°傾いており、かつ、回転試料台１２により支持される基板２の中心を通らない。プラズマ流４の中心軸５が回転試料台１２の中心軸に対して２０〜５０°傾いた状態で、基板２を回転させながら成膜することにより、膜厚、膜質が均一な薄膜を形成することができる。傾きが２０°よりも小さいと、均一な薄膜を形成することができない。一方、傾きが５０°よりも大きくても、均一な薄膜を形成することができない。

また、成膜容器１１の成膜空間内の下部には、プラズマ流出口１５の周囲にガス供給部２０が設けられている。ガス供給部２０は、複数のガス噴射口２１を有し、ガス噴射口２１から膜形成用ガスを基板２に均一に噴射する。ガス噴射口２１はプラズマ流出口１５の周囲に分散して配置される。ガス噴射口２１は、好ましい形態として、膜形成用ガスがプラズマ流４に均一に分散するように、プラズマ流４の中心軸５から等距離となるように配置される。このため、上記好ましい形態では、ガス噴射口２１は、環状のガス供給部２０の中心軸上の一点に向かって設けられている。このため、ガス噴射口２１から噴射される膜形成用ガスの分子流６は、プラズマ流４の中心軸５上の一点に向かって噴射される。膜形成用ガスとプラズマは加熱された基板２の下面で反応し、基板２の下面に化合物半導体薄膜を形成する。

図２はガス供給部２０の好ましい一形態を示す図であり、基板２側から見た図である。図２に示すように、例えば、ガス供給部２０を環状とし、複数のガス噴射口２１を周方向に等間隔に設けるとともに、環状のガス供給部２０の中心軸をプラズマ流４の中心軸５と一致するように配置することができる。
なお、環状のガス供給部に沿ってスリット状のガス噴射口を設け、膜形成用ガスの分子流６を、プラズマ流４の中心軸５上の一点に向けて噴射してもよい。

膜形成用ガスは、Ａｌ、Ｇａ等のＩＩＩ族の金属元素を含む有機金属ガスである。例えば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム、Ｇａ（ＣＨ_３）_３）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、Ａｌ（ＣＨ_３）_３）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）ガス等の有機金属ガスを膜形成用ガスとして用いることができる。あるいは、ＳｉＨ_４を膜形成用ガスとして用いてもよい。また、必要に応じて、キャリアガスが、膜形成用ガスとともにガス供給部２０から導入される。キャリアガスとして、例えばＨ_２ガスやＮ_２ガスを用いることができる。

プラズマ発生部３０には、任意のプラズマ源を用いることができる。例えば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）プラズマ源、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）源、ヘリコン波励起プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）源、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）源、マイクロ波励起表面波プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）源等のプラズマ源を用いることができる。

以下では電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）を用いてプラズマを発生させるプラズマ発生部３０を例に挙げて説明する。プラズマ発生部３０は、プラズマ生成容器３１、プラズマ原料導入口３２、第１磁場コイル３３、第２磁場コイル３４、連結管３５、真空導波管３６、２つのマイクロ波導入窓３７、３７、分岐導波管３８、マイクロ波発振部４０を備える。

プラズマ生成容器３１は円筒形であり、その中心軸はプラズマ流出口１５の中心軸と一致している。すなわち、プラズマ生成容器３１の中心軸は、回転試料台１２の中心軸に対して２０〜５０°傾いている。
プラズマ生成容器３１の上部には、成膜部１０の成膜容器１１に通じるプラズマ流出口１５が設けられている。プラズマ生成容器３１の下部は連結管３５と通じている。連結管３５の中心軸は、プラズマ生成容器３１の中心軸と一致している。

プラズマ生成容器３１の下端部には、プラズマ原料導入口３２が設けられている。プラズマ原料導入口３２からは、窒素を含むプラズマの原料となるＮＨ_３、Ｎ_２や、酸素プラズマの原料となるＯ_２等のプラズマ原料ガスがプラズマ生成容器３１内に導入される。なお、プラズマを安定して形成するために、プラズマ原料ガスとともにＡｒ等の希ガスを導入してもよい。

第１磁場コイル３３は、プラズマ生成容器３１の外周部に設けられており、中央部にプラズマ生成容器３１が配置されている。
第２磁場コイル３４は、第１磁場コイル３３と中心軸を同一にし、第１磁場コイル３３と間隔を空けて下方に設けられている。第１磁場コイル３３の中心軸及び第２磁場コイル３４の中心軸は、プラズマ流の中心軸５と一致している。第１磁場コイル３３及び第２磁場コイル３４に電流が流れると、例えば８７５ガウスの磁場がプラズマ生成容器３１内に形成される。

連結管３５は、上部でプラズマ生成容器３１に通じるとともに、第１磁場コイル３３と第２磁場コイル３４の中間位置まで延在し、下端部で真空導波管３６と通じている。真空導波管３６は第１磁場コイル３３と第２磁場コイル３４の間で連結管３５と直交するように配置され、中央部で連結管３５と通じている。真空導波管３６の両端は２つのマイクロ波導入窓３７、３７により塞がれている。マイクロ波導入窓３７、３７は、真空導波管３６、連結管３５、プラズマ生成容器３１及び成膜容器１１内の気圧を維持するとともに、分岐導波管３８を伝播したマイクロ波をプラズマ生成容器３１内に導入する。マイクロ波導入窓３７、３７は、例えば石英等のマイクロ波を透過させる材料からなる。

分岐導波管３８は、一端がマイクロ波発振部４０に接続されるとともに、分岐部３９より２本に分岐している。分岐した２つの端部は、それぞれ２つのマイクロ波導入窓３７、３７を介して真空導波管３６の両端に接続されている。分岐導波管３８はマイクロ波発振部４０より発振されたマイクロ波を伝播させ、分岐部３９で分岐させた後にマイクロ波導入窓３７、３７より真空導波管３６内に導入する。真空導波管３６の両端から導入された２つのマイクロ波は真空導波管３６の中央部で重なり合い、定常波となる。

マイクロ波発振部４０は、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振するマイクロ波源であり、分岐導波管３８を介して２つのマイクロ波導入窓３７、３７にマイクロ波を進行させる。マイクロ波源としては、周知のものを用いることができる。例えば、マグネトロン、クライストロン、ジャイロトロン、ガン・ダイオード等をマイクロ波源として用いることができる。

次に、本実施形態の薄膜形成装置１を用いた薄膜形成方法の一例について説明する。
本実施形態では、まず、バッファ層を基板２の処理面に形成し、次にバッファ層の表面に本成膜を行う。バッファ層は、基板２と本成膜の半導体薄膜の格子定数のずれを軽減し、半導体薄膜の結晶性を向上させるものである。例えばＡｌ_２Ｏ_３の基板上にＧａＮ結晶層を成膜する場合、Ａｌ_２Ｏ_３とＧａＮの格子不整合は１３．８％であるため、ＧａＮ単結晶の成長は容易ではない。そこで、例えばバッファ層として非晶質のＧａＮを低温で成長させ、その上に結晶性のＧａＮ半導体薄膜を高温で形成する（本成膜）。

なお、以下ではバッファ層を非晶質のＧａＮ、本成膜の半導体薄膜を結晶性のＧａＮで形成する例について説明するが、バッファ層と本成膜の半導体薄膜を異なる組成としてもよい。例えば、基板がサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）の場合、バッファ層の形成時に膜形成用ガスとしてＴＭＡガスを供給して非晶質のＡｌＮを成膜し、その後、膜形成用ガスとしてＴＭＧガスを供給してバッファ層上にＧａＮ結晶層を本成膜してもよい。

なお、ＭＯＣＶＤを用いて同じ成膜を行う場合、５００〜６００℃でバッファ層を形成し、１０００〜１１００℃で本成膜の半導体薄膜を形成する。これに対し、本実施形態の薄膜形成装置１では１００〜３００℃でバッファ層を形成し、４００〜８００℃で本成膜の半導体薄膜を形成することができ、ＭＯＣＶＤと比較して大幅に低温で薄膜を形成することができる。このため、融点の低い原料、例えば、融点が約３０℃のＧａ等を用いる膜の形成に適している。また、回転試料台１２や回転機構に要求される耐熱性が低くなり、成膜の再現性が高くなる。また、高温で成膜すると基板が変形し、冷却後に薄膜が破損するおそれがあるが、本実施形態では、低温で薄膜を形成するため、薄膜の破損を防ぐことができる。このため、ＧａＮとの熱膨張率の差が大きいシリコン基板上へも容易に薄膜を形成することができる。

まず、薄膜を形成する基板２を回転試料台１２に載置し、成膜容器１１内にセットする。
次に、成膜容器１１内及びプラズマ生成容器３１内の気体を排気部１４より排出し、成膜容器１１内及びプラズマ生成容器３１内を、例えば１０^−４Ｐａ以下まで排気する。

次に、回転試料台１２を回転させながら、ヒータ１３により基板２を１００〜３００℃まで加熱する。
次に、プラズマ原料ガスを、必要に応じて希ガスとともにプラズマ原料導入口３２からプラズマ生成容器３１に導入する。プラズマ原料ガスの流量は、例えばＮ_２であれば３０〜８０ｓｃｃｍ、ＮＨ_３であれば８０〜１６０ｓｃｃｍである。このとき、排気部１４から常時ガスが排気されるため、プラズマ生成容器３１の圧力は１０^−２Ｐａ以下で維持される。この圧力は一般のプラズマに比べて一桁程度低いため、プラズマと膜形成用ガス分子の平均自由工程を十分に長くすることができる。したがって、気相反応を十分に小さくすることができ、基板２の表面での反応効率を高めることができる。

次に、膜形成用ガスを、必要に応じてキャリアガスとともに、プラズマ流出口１５の外周部に配置されたガス供給部２０に供給し、ガス噴射口２１から分子流６として基板２に向けて噴射する。膜形成用ガスの流量は、例えば１〜３ｓｃｃｍである。キャリアガスの流量は、例えば１〜２０ｓｃｃｍである。このとき、シャッター１６は閉じているため、プラズマ流４が基板２に照射されることはない。

次に、第１磁場コイル３３及び第２磁場コイル３４に電流を流し、プラズマ生成容器３１内に磁場を発生させる。すると、プラズマ原料ガス中の電子がローレンツ力を受けて高速に回転する。このときの電子の回転周波数が、マイクロ波発振部４０から発振されるマイクロ波の周波数と一致するように磁場の大きさを調整する。例えば、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、電子の回転周波数を２．４５ＧＨｚとするためには、磁場の大きさが８７５ガウスとなるように第１磁場コイル３３及び第２磁場コイル３４に電流を流せばよい。

磁場を発生させるのとほぼ同時に、マイクロ波発振部４０からマイクロ波を発振させ、分岐導波管３８、マイクロ波導入窓３７、３７、真空導波管３６、連結管３５を介してプラズマ生成容器３１内にマイクロ波を導入する。電子の回転周波数と同じ周波数の交播電界としてマイクロ波の周波数を導入することで、共鳴現象が誘起され、高密度のプラズマが定常的に形成される。

なお、真空導波管３６が連結管３５と直交するように配置されているため、プラズマ生成容器３１内で生じたプラズマがマイクロ波導入窓３７、３７に照射されることがない。このため、マイクロ波導入窓３７、３７の内側面に膜が付着することがなく、長時間安定してプラズマを発生させることができる。このとき、シャッター１６は閉じているため、プラズマはまだ基板２に照射されない。

一定時間経過後、プラズマが安定したら、シャッター１６を開き、プラズマを成膜容器１１内に導入する。すると、プラズマ流４がプラズマ流出口１５から基板２の表面に照射される。基板２の表面では基板２の熱により膜形成用ガスが分解され、プラズマと反応して化合物半導体として基板２の表面に結合し、蓄積することによりバッファ層が形成される。基板２を水平に回転させながら、基板２の回転軸３に対して傾いた方向よりプラズマ流４を基板２に照射するとともに、基板２の回転軸３に対して傾いた方向より膜形成用ガスの分子流６を基板２に向けて噴射することにより、基板２の下面に膜厚、膜質が均一な薄膜を形成することができる。

バッファ層が所定の厚さ（例えば２０〜３０ｎｍ）まで形成されたら、ヒータ１３により基板２を４００〜８００℃まで加熱し、本成膜を行う。所定の厚さまで本成膜の半導体薄膜が形成されたら、成膜を終了し、温度が低下するまで基板２を成膜容器１１内で保持する。温度が十分に低下した後、基板２を成膜容器１１から取り出す。

なお、本実施形態においては、膜形成用ガスとプラズマ原料ガスの組み合わせを変えることにより、様々な薄膜を形成することができる。例えば、膜形成用ガスとしてＴＭＧ、プラズマ原料ガスとしてＮ_２またはＮＨ_３を用いれば、ＧａＮの結晶膜が形成される。膜形成用ガスとしてＴＭＡ、プラズマ原料ガスとしてＮ_２またはＮＨ_３を用いれば、ＡｌＮの結晶膜が形成される。膜形成用ガスとしてＴＭＧとＴＭＡの混合ガス、プラズマ原料ガスとしてＮ_２またはＮＨ_３を用いれば、ＡｌＧａＮの結晶膜が形成される。膜形成用ガスとしてＴＭＧとＴＭＩの混合ガス、プラズマ原料ガスとしてＮ_２またはＮＨ_３を用いれば、ＩｎＧａＮの結晶膜が形成される。また、膜形成用ガスとしてＳｉＨ_４、プラズマ原料ガスとしてＮ_２またはＮＨ_３を用いれば、ＳｉＮのアモルファス膜が形成される。膜形成用ガスとしてＳｉＨ_４、プラズマ原料ガスとしてＯ_２を用いれば、ＳｉＯ_２のアモルファス膜が形成される。

本実施形態によれば、基板２を支持した回転試料台１２が基板２をその面内で回転させ、加熱部（ヒータ１３）により基板２を加熱しながら、プラズマ発生部３０がプラズマ流４を発生させ、回転試料台１２の回転軸３に対して傾斜した角度でプラズマ流４を基板２に照射するとともに、プラズマ流４の流出口１５の周囲に複数配置されたガス噴射口２１から、膜形成用ガスが基板２に向けて噴射されるので、基板２の全面にわたり膜厚、膜質の均一な薄膜を形成することができる。

また、ガス噴射口２１が、プラズマ流４の中心軸５上の一点に向けて膜形成用ガスを噴射することで、膜厚、膜質がより均一な薄膜を形成することができる。

また、電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを形成することで、反応効率が非常に高くなり、低温で薄膜を形成することができる。

さらに、ガス噴射口２１は流出口１５の周囲に分散して配置され、プラズマ流４の中心軸５から等距離となるように配置されるので、膜厚、膜質がより均一な薄膜を形成することができる。
また、ガス噴射口２１に膜形成用ガスを供給する環状のガス供給部２０を流出口１５の周囲に備えるため、複数のガス噴射口２１に均一な量の膜形成用ガスを供給することができる。

さらに、プラズマ流４の中心軸５が回転試料台１２の回転軸３に対して２０〜５０°傾斜するようにプラズマ流４を基板２に照射することで、膜厚、膜質がさらに均一な薄膜を形成することができる。

また、ガス噴射口２１が有機金属ガスを基板２に向けて噴射し、プラズマ発生部３０がＮ_２またはＮＨ_３を用いてプラズマを形成するため、基板２の表面において有機金属ガスと窒素を含むプラズマとを反応させて窒化物半導体薄膜を形成することができる。

さらに、ガス噴射口２１が、有機金属ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム、Ｇａ（ＣＨ_３）_３）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、Ａｌ（ＣＨ_３）_３）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）ガスの少なくとも１つを噴射することで、基板２の表面にＧａ、Ａｌ、Ｉｎの少なくとも１つの窒化物からなる半導体薄膜を形成することができる。

また、加熱部が基板２を１００〜８００℃に加熱することで、膜形成用ガスが基板２の近傍でプラズマと反応し、基板２の表面に半導体膜が形成される。基板２の温度が８００℃以下であるため、基板２の熱膨張を抑制することができる。

また、回転試料台１２が基板２を水平に支持するとともに、基板２の下面を露出させる開口１２１を有するため、プラズマ流４を基板２の下面に照射するとともに、膜形成用ガスの分子流６を基板２の下面に向けて噴射させることができる。このため、膜形成用ガスとプラズマが基板に到達する前に気相状態で反応した生成物は重力により落下し、基板２の表面に蓄積されることがない。

上記の薄膜形成装置１を用いて、直径２インチ（５．０８ｃｍ）のサファイア基板、直径４インチ（１０．１６ｃｍ）のシリコン基板、及び直径６インチ（１５．２４ｃｍ）のシリコン基板にＧａＮの半導体薄膜を形成した。なお、フォトルミネセンス（ＰＬ）測定用のＧａＮについては非晶質のＧａＮからなるバッファ層を１００〜３００℃で形成し、その後、本成膜として結晶性のＧａＮからなる半導体薄膜を４００〜８００℃で形成した。

窒素を含むプラズマの原料ガスとしてＮＨ_３を１２０ｓｃｃｍまたは１６０ｓｃｃｍの流量で供給した。マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚとした。第１磁場コイル３３及び第２磁場コイル３４の電流をいずれも２８Ａとし、プラズマ生成容器３１内に生成される磁場を８７５ガウスとした。

膜形成用ガスとしてＴＭＧガスを１．０ｓｃｃｍ、２．０ｓｃｃｍ、または３．０ｓｃｃｍの流量で、ガス供給部２０から供給した。
基板の回転速度は１５ｒｐｍとした。

図３は直径６インチ（１５．２４ｃｍ）のシリコン基板上にＴＭＧガスを２ｓｃｃｍの流量で、ＮＨ_３ガスを１２０ｓｃｃｍで供給して成膜したＧａＮ膜の成膜速度及び屈折率の分布を示すグラフである。横軸は基板中心からの位置（ｃｍ）であり、黒丸（●）が成膜速度（ｎｍ／分）、白丸（○）が屈折率である。図３に示すように、成膜速度の差は基板全面にわたって±３％以下であり、膜厚が略均一であることがわかる。また、屈折率は基板全面にわたって約２．３程度であり、屈折率の差は基板全面にわたって±２％以下であり、略均一な膜質であることがわかる。一般に、ＧａＮの屈折率は約２．３であるから、一般的なＧａＮの結晶が実現したことがわかる。

図４はＴＭＧガスの流量が１．０ｓｃｃｍ、２．０ｓｃｃｍ、３．０ｓｃｃｍ、ＮＨ_３ガスの流量が１６０ｓｃｃｍで供給したときのＧａＮ膜の成膜速度及び屈折率を示すグラフである。黒丸（●）が成膜速度（ｎｍ／分）、白丸（○）が屈折率である。図４からわかるように、ＴＭＧガスの流量を変化させても、屈折率への影響はほとんどなく、略均一な膜質のＧａＮ膜が成膜可能であることがわかる。

また、ＴＭＧガスの流量を上げるに連れて成膜速度が上昇することがわかる。また、ＮＨ_３の流量が１６０ｓｃｃｍでも十分に成膜可能であることがわかる。この場合、プラズマ原料ガス／膜形成用ガスのガス流量比は１６０／３≒５０となる。通常のＭＯＣＶＤの場合、プラズマ原料ガス／膜形成用ガスのガス流量比は５０００〜１００００程度であり、本実施形態では２桁以上ＮＨ_３の反応効率が高いことがわかる。

図５は、２インチのサファイア基板上に形成した厚さ１μｍのＧａＮ薄膜のフォトルミネセンス（ＰＬ）発光のスペクトルである。フォトルミネセンス（ＰＬ）発光は、励起レーザとして２６６ｎｍの半導体レーザを使用し、室温で測定した。横軸が発光波長であり、縦軸が発光強度（相対値）である。ＧａＮ半導体のバンドギャップに対応する強いバンド端発光が３６０ｎｍ近傍に観測されることがわかる。なお、欠陥、不純物等が原因とされるイエロールミネセンスが５５０ｎｍ付近に若干観測される。

室温でのバンド端発光は、ＧａＮでの結晶性だけでなく欠陥や不純物にも大きく影響され、全体の膜質がよくないとバンド端発光はしないと言われている。図５に示す結果によれば、良好な膜質のＧａＮ膜がサファイア基板上に形成されていることがわかる。また、基板全面でＰＬ発光が生じており、膜質も略均一であることがわかる。

図６は、４インチのシリコン基板上に形成した厚さ０．２μｍのＧａＮ薄膜のフォトルミネセンス（ＰＬ）発光のスペクトルである。フォトルミネセンス（ＰＬ）発光は、励起レーザとして２６６ｎｍの半導体レーザを使用し、室温で測定した。横軸が発光波長であり、縦軸が発光強度（相対値）である。ＧａＮ半導体のバンドギャップに対応する強いバンド端発光が３６０ｎｍ近傍に観測されることがわかる。なお、欠陥、不純物等が原因とされるイエロールミネセンスが５５０ｎｍ付近に若干観測される。

室温でのバンド端発光は、ＧａＮでの結晶性だけでなく欠陥や不純物にも大きく影響され、全体の膜質がよくないとバンド端発光はしないと言われている。図６に示す結果によれば、良好な膜質のＧａＮ膜がシリコン基板上に形成されていることがわかる。また、基板全面でＰＬ発光が生じており、膜質も略均一であることがわかる。

このように、窒素を含むプラズマの原料ガスとして少量のＮＨ_３を用いて、シリコン基板やサファイア基板上に、膜質、膜厚が均一な薄膜を成膜可能であることがわかる。

上記の薄膜形成装置１を用いて、直径６インチ（１５．２４ｃｍ）のシリコン基板または直径２インチ（５．０８ｃｍ）のサファイア基板にＧａＮの薄膜を形成した。なお、フォトルミネセンス（ＰＬ）測定用のＧａＮについては実施例１と同様にバッファ層を成膜した後、シリコン基板の温度を４００〜８００℃に設定して本成膜を行った。

窒素を含むプラズマの原料ガスとしてＮ_２を４０ｓｃｃｍの流量で供給した。マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚ、出力は５００Ｗとした。第１磁場コイル３３及び第２磁場コイル３４の電流をいずれも２８Ａとし、プラズマ生成容器３１内に生成される磁場を８７５ガウスとした。

膜形成用ガスとしてＴＭＧガスを１．０ｓｃｃｍ、２．０ｓｃｃｍ、または３．０ｓｃｃｍの流量で、ガス供給部２０から供給した。
基板の回転速度は１５ｒｐｍとした。
成膜後、基板の下面に形成された薄膜の厚さ、屈折率を測定するとともに、Ｘ線回折により結晶性を評価した。薄膜の厚さは成膜速度で評価した。

図７は直径６インチ（１５．２４ｃｍ）のシリコン基板上にＴＭＧガスを２．０ｓｃｃｍの流量で供給して成膜したＧａＮ膜の成膜速度及び屈折率の分布を示すグラフである。横軸は基板中心からの位置（ｃｍ）であり、黒丸（●）が成膜速度（ｎｍ／分）、白丸（○）が屈折率である。図７に示すように、成膜速度の差は基板全面にわたって±３％以下であり、膜厚が略均一であることがわかる。また、屈折率は基板全面にわたって約２．３程度であり、屈折率の差は基板全面にわたって±２％以下であり、略均一な膜質であることがわかる。一般に、ＧａＮの屈折率は約２．３であるから、本実施例においても、一般的なＧａＮの結晶が実現したことがわかる。

図８はＴＭＧガスの流量が１．０ｓｃｃｍ、２．０ｓｃｃｍ、３．０ｓｃｃｍのときのＧａＮ膜の成膜速度及び屈折率を示すグラフである。黒丸（●）が成膜速度（ｎｍ／分）、白丸（○）が屈折率である。図８に示す結果によれば、ＴＭＧガスの流量を変化させても、屈折率への影響はほとんどなく、略均一な膜質のＧａＮ膜が成膜可能であることがわかる。
また、ＴＭＧガスの流量を上げるに連れて成膜速度が上昇することがわかる。また、Ｎ_２の流量が４０ｓｃｃｍでも十分に成膜可能であることがわかる。

図９は、サファイア基板上に形成したＧａＮ膜のＸ線回折測定（θ−２θ）の結果である。図９に示す結果によれば、サファイアのピーク（Ａｌ_２Ｏ_３（００６））と、ＧａＮのピーク（ＧａＮ（００２））のみが観測され、結晶方向がそろったＧａＮ薄膜が形成されていることがわかる。

図１０は、シリコン基板上に形成した厚さ０．２μｍのＧａＮ薄膜のフォトルミネセンス（ＰＬ）発光のスペクトルである。フォトルミネセンス（ＰＬ）発光は、励起レーザとして２６６ｎｍの半導体レーザを使用し、室温で測定した。横軸が発光波長であり、縦軸が発光強度（相対値）である。ＧａＮ半導体のバンドギャップに対応する強いバンド端発光が３６０ｎｍ近傍に観測されることがわかる。なお、欠陥、不純物等が原因とされるイエロールミネセンスが５５０ｎｍ付近に若干観測される。

室温でのバンド端発光は、ＧａＮでの結晶性だけでなく欠陥や不純物にも大きく影響され、全体の膜質がよくないとバンド端発光はしないと言われている。図１０に示す結果によれば、窒素を含むプラズマの原料ガスであるＮ_２を用いて良好な膜質のＧａＮ膜がシリコン基板上に形成されていることがわかる。また、基板全面でＰＬ発光が生じており、膜質も略均一であることがわかる。

このように、原料ガスとしてＮ_２を用いた場合でも、膜質、膜厚が均一な薄膜を、大面積のシリコン基板やサファイア基板上に成膜可能であり、生産性の向上及び膜品質の向上が達成できる。

以上、本発明の薄膜形成装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよい。例えば、以上のプラズマ発生部においてはＥＣＲ法によりプラズマ流を発生させたが、その他の任意の方法によりプラズマ流を発生させてもよい。

１ 薄膜形成装置
２ 基板
３ 回転軸
４ プラズマ流
５ 中心軸
６ 分子流
１０ 成膜部
１１ 成膜容器
１２ 回転試料台
１２１ 開口
１３ ヒータ
１４ 排気部
１５ プラズマ流出口
１６ シャッター
２０ ガス供給部
２１ ガス噴射口
３０ プラズマ発生部
３１ プラズマ生成容器
３２ プラズマ原料導入口
３３ 第１磁場コイル
３４ 第２磁場コイル
３５ 連結管
３６ 真空導波管
３７ マイクロ波導入窓
３８ 分岐導波管
３９ 分岐部
４０ マイクロ波発振部
５１ 基板
５２ 反応ガス噴射管
５３ 副噴射管
５４ 回転試料台
５５ シャフト
５６ 反応容器
５７ ヒータ（加熱部）
５８ 排気部

Claims (9)

1. 薄膜形成装置であって、
   基板を支持するとともに、前記基板を前記基板の面内で回転させる回転試料台と、
   前記基板を加熱する加熱部と、
   プラズマ流を発生させ、前記回転試料台の回転軸に対して傾斜した角度から前記プラズマ流を前記基板に照射するプラズマ発生部と、
   前記プラズマ流の流出口の周囲に複数配置され、膜形成用ガスを前記基板に向けて噴射するガス噴射口と、を備え、
   前記ガス噴射口は、前記プラズマ流の中心軸上の一点に向けて前記膜形成用ガスを噴射することを特徴とする薄膜形成装置。
2. 前記プラズマ発生部は、電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生させることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 前記ガス噴射口は前記流出口の周囲に分散し、かつ前記プラズマ流の中心軸から等距離となるように配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜形成装置。
4. 前記ガス噴射口に前記膜形成用ガスを供給する環状のガス供給部を前記流出口の周囲に備えることを特徴とする請求項３に記載の薄膜形成装置。
5. 前記プラズマ発生部は、前記プラズマ流の中心軸が前記回転試料台の回転軸に対して２０〜５０°傾斜するように前記プラズマ流を前記基板に照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜形成装置。
6. 前記ガス噴射口は有機金属ガスを前記基板に向けて噴射し、
   前記プラズマ発生部はＮ₂またはＮＨ₃を用いてプラズマを形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の薄膜形成装置。
7. 前記ガス噴射口は、前記有機金属ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム、Ｇａ（ＣＨ₃）₃）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、Ａｌ（ＣＨ₃）₃）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）ガスの少なくとも１つを噴射することを特徴とする請求項６に記載の薄膜形成装置。
8. 前記加熱部は、前記基板を１００〜８００℃に加熱することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の薄膜形成装置。
9. 前記回転試料台は前記基板を水平に支持するとともに、
   前記基板の下面を露出させる開口を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の薄膜形成装置。

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