JP6670497B2 - 結晶膜および非結晶薄膜の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Description
MBEと比較し、冷却機構が不要であり装置構成が簡略、融点の高い材料の成膜も可能、成膜速度の制御が容易、広範囲の圧力での成膜が可能という特徴がある。
PLD法において複合ターゲット(合金ターゲット)を使用した場合、プルームは、ターゲットの組成と同じ組成比を有するため、形成する膜の組成を変えるには、異なる組成比率のターゲットを準備しなければならない。
また、フェムト秒パルスレーザーを、2種の粉末材料を混合したターゲットに照射し、ターゲット材料をアブレーションすることで、形成する膜の組成を制御する方法が、特許文献2に開示されている。
繰り返し周波数が堆積速度に関する繰り返し周波数の閾値以上でパルス幅が1ピコ秒以上、1000ピコ秒以下のパルスレーザー光をIII族材料に照射し、前記III族材料を気化させると共に基板上にV族材料を前記基板上に供給することで前記基板上にIII族とV族の化合物を結晶成長させることを特徴とする。
前記III族材料は伝導性制御のための不純物を含有しており、前記III族材料を一定温度で保持し、液化することで、前記III族材料の前記不純物の濃度を制御するように構成してもよい。
従って、固体のターゲットのように、レーザー光の照射による窪みによる成膜促成の変動を防止する目的で、照射領域を固体ターゲット上で移動させる必要はない。
前記III族材料は、0.6[atm%]以下のゲルマニウムを含有するガリウムであることを特徴とする。
繰り返し周波数が堆積速度に関する繰り返し周波数の閾値以上でパルス幅が1ピコ秒以上、1000ピコ秒以下のパルスレーザー光を酸化物材料または窒化物材料に照射し、窒素および酸素の混合雰囲気において前記酸化物または前記窒化物材料を気化させると共に基板上に活性化されたV族材料を供給することで前記基板上に酸窒化物の非結晶膜を形成することを特徴とする。
基板の表面にIII族とV族の化合物半導体、たとえばGaNなどの窒化物半導体を備える場合において、GaNの表面に活性化されたV族材料である、例えば窒素ラジカルを供給することで、GaNの表面から窒素(V族材料)の脱離を防止するとともに、形成された絶縁膜内に窒素が一部取り込まれることで酸窒化膜となるため、緻密な絶縁膜を形成することができる。
上記酸窒化物の非結晶膜形成後、
酸素雰囲気において電気伝導性金属酸化物からなるターゲットに上記レーザーパルス光を照射し、
または酸素雰囲気において、基板上に活性化された酸素を供給しながら酸化物が電気伝導性を有する金属からなるターゲットに上記レーザーパルス光を照射し、
電気伝導性金属酸化膜を前記酸窒化物の非結晶膜上に形成することを特徴とする。
排気口とガス導入口と光透過窓とを備えたチャンバと、
前記チャンバ内部にターゲットを収容するターゲット容器と、
前記ターゲットに対向して設けられる基板を支持するための基板支持台と、
V族材料を前記基板支持台に向けて供給する放出装置と、
前記チャンバの外部に、1ピコ秒以上1000ピコ秒以下のパルス幅のレーザー光を、堆積速度に関する繰り返し周波数の閾値以上の繰り返し周波数で発生させ、前記レーザー光を前記光透過窓を経由して、前記ターゲット表面にレーザー光を照射するレーザー光発生装置と、
を備えることを特徴とする。
前記ターゲット容器に収容された前記ターゲットの温度を一定に保持する温度制御装置を備えたことを特徴とする。
前記光透過窓は、前記レーザー光の光路に沿って前記ターゲット容器へと延在する略円筒状のスリーブの一端として構成されており、
前記スリーブは、前記チャンバー内部で前記光透過窓よりも断面積が小さくなるように構成されていることを特徴とする。
前記スリーブの一部に真空ポンプに接続されるための排気口が設けられていることを特徴とする。
以下、図1を参照し、本発明に係るPLD装置の構成について説明する。
PLD装置は、気密性を有する真空容器であるチャンバ1の内部に、基板支持台2、ターゲット温度制御装置3を備えている。基板支持台2上には、膜を形成する対象物である基板4が載置され、基板支持台2は、内蔵されている加熱装置により、基板4を、最高お温度1000℃まで加熱し、一定温度に保持することができる。図示されていないが膜質の均一化のためには基板を回転・移動させる基板回転・移動機構を設置することもできる。
本発明に係るPLDにおいては、ピコ秒オーダー、本実施形態では1ピコ秒〜1000ピコ秒のパルス幅のレーザー光を使用する。レーザーパルスの繰り返し周波数は、数十[kHz]以上と、従来のフェムト秒パルスレーザーの周波数(1〜数十[Hz])と比較してそれよりも数桁高い値を実現できる。繰り返し周波数は、レーザー光発生装置8の可飽和吸収体の応答速度の範囲で設定することができ、例えば繰り返し周波数を300[kHz]程度にまで設定することができる。レーザーの中心波長は1064[nm]、1パルスのエネルギーは50[μJ]である。
図3は、本発明の液体ターゲットの効果を説明するため状態図である。原理理解のため、図3は、2元合金としてGaと他の元素Xとの2元合金の状態図のモデルを示している。
なお、図3は全率固溶の例を示しているが、その他の場合も同様に、温度制御により液相の組成比率が制御できる。
図1に示すとおり、チャンバ1には、活性化したV族元素である窒素を基板表面に供給することが可能である。パルスレーザ光によりターゲット6aから蒸発した材料は、成膜対象物である基板4に付着し、それと同時にラジカルガン14から活性化された窒素、すなわち窒素ラジカルが供給され、表面で反応し窒化物が形成される。ターゲット6aがn型またはp型不純物を含有するGaの場合、基板4表面においてGaと窒素とが反応し、窒化物半導体であるGaN膜が形成される。なお、この場合、ガス導入口12から窒素ガスを導入することで、補助的に窒化を促進しても良い。
方法1:MOx(例えば酸化アルミニウム)のターゲットに対して窒素ラジカルを照射しながら成膜する。
方法2:MN(例えば窒化アルミニウム)のターゲットに対して酸素雰囲気で(窒素ラジカルを照射しながら)成膜する。
なお、上記においてMは金属を意味する。
この場合、ラジカルガン14には酸素ガスを導入し、成膜中に活性化された酸素、すなわち酸素ラジカルを基板4に向けて放出してもよい。
なお、レーザーの照射条件を変えることなく、真空中で連続的に積層膜を形成することができる。
また、Ni、Sn、Coの酸化物はP型のワイドバンドギャップ半導体になるため、等価的な仕事関数を大きくでき、例えば電界効果トランジスタをノーマリーオフ化できるというデバイス上の利点もある。
以下では、第2の実施形態におけるPLD装置について説明する。
2 基板支持台
3 ターゲット温度制御装置
4 基板
5a、5b ターゲット容器
6a、6b ターゲット
7 光透過窓
8 レーザー光発生装置
9 パルスレーザー
10 レンズ
11 プルーム
12 ガス導入口
13 排気口
14 ラジカルガン
15 スリーブ
16 排気口
Claims (7)
- 繰り返し周波数が堆積速度に関する繰り返し周波数の閾値以上でパルス幅が1ピコ秒以上、1000ピコ秒以下のパルスレーザー光をIII族材料に照射し、前記III族材料を気化させると共に基板上にV族材料を前記基板上に供給することで前記基板上にIII族とV族の化合物を結晶成長させ、
前記III族材料は伝導性制御のための不純物を含有しており、前記III族材料を一定温度で保持し、液相と固相の混合状態とすることで、前記III族材料の前記不純物の濃度を制御することを特徴とする結晶膜の製造方法。 - 前記III族材料は、0.6[atm%]以下のゲルマニウムを含有するガリウムであることを特徴とする請求項1記載の結晶膜の製造方法。
- 繰り返し周波数が堆積速度に関する繰り返し周波数の閾値以上でパルス幅が1ピコ秒以上、1000ピコ秒以下のパルスレーザー光を酸化物材料または窒化物材料に照射し、窒素および酸素の混合雰囲気において前記酸化物または前記窒化物材料を気化させると共に基板上に活性化されたV族材料を供給することで前記基板上に酸窒化物の非結晶膜を形成することを特徴とする非結晶膜の製造方法。
- 請求項3記載の前記酸窒化物の非結晶膜形成後、
酸素雰囲気において電気伝導性金属酸化物からなるターゲットに上記レーザーパルス光を照射し、
または酸素雰囲気において、基板上に活性化された酸素を供給しながら酸化物が電気伝導性を有する金属からなるターゲットに上記レーザーパルス光を照射し、
電気伝導性金属酸化膜を前記酸窒化物の非結晶膜上に形成することを特徴とする積層膜の製造方法。 - 排気口とガス導入口と光透過窓とを備えたチャンバと、
前記チャンバ内部にターゲットを収容するターゲット容器と、
前記ターゲットに対向して設けられる基板を支持するための基板支持台と、
V族材料を前記基板支持台に向けて供給する放出装置と、
前記チャンバの外部に、1ピコ秒以上1000ピコ秒以下のパルス幅のレーザー光を、堆積速度に関する繰り返し周波数の閾値以上の繰り返し周波数で発生させ、前記レーザー光を前記光透過窓を経由して、前記ターゲット表面にレーザー光を照射するレーザー光発生装置と、
前記ターゲット容器に収容された前記ターゲットを一定温度に保持し、液相と固相の混合状態とする温度制御装置とを備えることを特徴とする成膜装置。 - 前記光透過窓は、前記レーザー光の光路に沿って前記ターゲット容器へと延在する略円筒状のスリーブの一端として構成されており、
前記スリーブは、前記チャンバー内部で前記光透過窓よりも断面積が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項5記載の成膜装置。 - 前記スリーブの一部に真空ポンプに接続されるための排気口が設けられていることを特徴とする請求項6記載の成膜装置。
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